Основы конструирования средств вычислительной техники

Волгоградский государственный технический университет Составитель Бердник В.Л. Конспект лекций по дисциплине «Основы конструирования средств вычислительной техники» Волгоград 2014 Рекомендуемая литература 1. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры. /Учебник для вузов. Издание второе/ К.И. Билибин, А.И. Власов, Л.В. Журавлева, В.В. Макарчук, Э.В. Мысловский, О.Д. Парфенов, Е.В. Пирогова, В.А. Шахнов, В.В. Шерстнев. – М: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 2. Савельев М. В. Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ: Учебное пособие для вузов по направлению "Информатика и вычислительная техника". –М.: Высшая школа, 2001 3. Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы.- М.: МЭИ , 2004 4. Преснухин Л.Н., Шахнов В.А. Конструирование электронных вычислительных машин и систем.- М.: Высшая школа, 1986г. Дополнительная литература 1. Медведев А. М. Печатные платы. Конструкции и материалы.- Техносфера.- 2005 2. Медведев А. М. Технология производства печатных плат.- Техносфера.- 2005 3. Ларин В.П. Технология пайки. Методы исследования процессов пайки и паяных соединений: Учебное пособие/СПбГАУП СПб, 2002г 4. Роткоп Л.Л., Спокойный Ю.Е. Обеспечение тепловых режимов при конструировании РЭА. М.: Советское радио, 1976г. ВВЕДЕНИЕ ШИФР КОНСТРУКТОРСКИХ ДОКУМЕНТОВ ВОЛГГТУ КР – КОДВУЗА –НОМЕРПОСПИСКУГРУППЫ-ГОД-ЛИТЕРА Пример КР-40461806-08-14-Э3 ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЦИКЛ ПРОИЗВОДСТВА Определение 1. Техносфера – это созданный человеком материальный комплекс, ориентированный на решение политических и социальных задач. Техносфера характеризует уровень развития современного общества, способствует повышению качества жизни. Определение 2. Изделие – это результат целенаправленного преобразования материаль­ных предметов в реально существующий объект (как правило, техническую систему). Изделием называется любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии. Определение 3. Разработка - это процесс всестороннего исследования (подготовки), предназначенный для получения заданных результатов. Обычно разрабатывают научно-исследовательские темы, конструкции, технологическую документацию, нормали, стандарты, системы, планы, графики и т. п. В конструкциях ВТ заданные для них основные целевые функции обеспечиваются не только пространстве­нными и силовыми, но и электрическими, магнитными и электромагнитными полями между отдельными элементами. Поэтому в связи с появлением микроминиатюрных конструкций и использованием интегральных схем деление разработки на механический и электрический этапы стало нецелесообразным. Определение 4. Проектирование - разработка основных показателей конечного продукта и путей их практического осуществления. Результатом проектирования является совокупность данных, которая может лечь в основу разработки рабочих технических документов, необходимых для выполнения конечного продукта (системы, устройства, прибора и т. п.). Современный процесс проектирования предполагает построения моделей будущего изделия с использованием САПР (CAE –Computer Aided Engineering систем) . Определение 5. Конструирование - это процесс выбора (творческий поиск) структуры пространственных и энергетических взаимосвязей внутри изделия и с внешней средой; выбор материалов, способов обработки, геометрии элементов, способов взаимодействия элементов, допустимых отклонений значений геометрии, пользуясь которыми, можно изготовить изделие, отвечающее заданным требованиям. Конечным результатом является комплект технических документов, который отображает всю совокупность задаваемых норм на вновь разрабатываемое изделие. Определение 6. Конструкция – совокупность элементов с различными физическими свойствами и формами, находящиеся в определенной пространственной, электрической, механической, тепловой, электромагнитной и других видах связи, обеспечивающая выполнение заданных функций с необходимой точностью и надежностью, в условиях внешних воздействий в заданном интервале значений и предусматривающая ее посторенние в производстве. Определение 7. Объектом (техническим) - называют любое физическое тело или их совокупность в виде устройства, изделия или их частей (самолет, корабль, ракета и т. д.). Определение 8. Устройство - любая совокупность взаимодействующих физических тел, рассчитанная на выполнение заданных функций. Определение 9. Деталь - изделие, изготовленное из одного по наименованию и марке материала, без применения сборочных операций. Определение 10. Сборочная единица - изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии сборочными операциями. Определение 11. Типовые нормализованные сборочные единицы (типовые изделия, полуфабрикаты) - устройство, используемое для изготовления сложной сборочной единицы, блока, прибора, устройства Например, резисторы, диоды, транзисторы, реле и т. д. Типовые изделия общего применения или любое другое изделие, называют полуфабрикатом. Определение 12. Аппарат - представляет собой эксплуатационно-автономное изделие, предназначенное для преобразования по заранее предписанному закону энергии одного вида в энергию другого вида или в энергию того же вида, изменяющуюся по заданному закону. Определение 13. Прибор - представляет собой эксплуатационно-автономное изделие, выполняющее фиксацию, измерение или регистрацию заданных величин (измерительные приборы, записывающие приборы и т. п.). Определение 14. Блок - эксплуатационно-неавтономная часть изделия, предназначается, как правило, для выполнения одной или нескольких целевых функций. Определение 15. Модуль - конструктивная часть (прибор, блок, сборочная единица или деталь) с такими формами и геометрическими размерами, пользуясь которыми при наименьшем их разнообразии, можно подучить максимальное количество форм и размеров различных устройств. Использование модулей позволяет получать изделие с лучшей ремонтопригодностью и технологичностью. Определение 16. Комплекс – два или более специфицированных изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями (например, датчики, преобразова­тели, измерительная аппаратура, средства управления), но предназначенных для выполне­ния взаимосвязанных эксплуатационных функций. Определение 17. Комплект - два или более изделия, не соединенные на предприятии-изготовителе сборочными операциями и представляющие набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера (комплект запчастей, комплект инструмента, комплект измерительной аппаратуры). Определение 18. Технология — это процесс изготовления изделия заданного качества в установленном производственной программой количестве при наименьшей себестоимости. УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КОНСТРУКЦИЮ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ Внешние факторы, влияющие на работоспособность ЭА Условия эксплуатации ЭА и систем характеризуются комплексом пара­метров, называемых внешними воздействующими факторами, которые имеют различную физико-химическую природу и изменяются в весьма ши­роких пределах. Эти факторы принято разделять на климатические, механи­ческие и радиационные. К климатическим факторам относят: изменение температуры и влажности окружающей среды; тепловой удар; изменение атмосферного давления; наличие движущихся потоков пыли или песка; присутствие ак­тивных веществ в окружающей атмосфере; наличие солнечного облучения, грибковых образований (плесень), микроорганизмов, насекомых, грызунов; взрывоопасной и легковоспламеняющейся атмосферы; дождя и брызг; при­сутствие в окружающей среде озона. К механическим факторам относят: воздействие вибраций, ударов, линейного ускорения, акустического удара. К радиационным факторам относят: космическую радиацию; ядерную радиацию от реакторов, атомных двигателей, радиационно- опасных ситуаций; облучение потоком гамма-фотонов, нейтронов, бета- частиц, альфа-частиц, протонов, дейтронов. Поскольку электронно-вычислительная аппаратура принадлежит, как правило, к классу так называемых человеко-машинных систем, то важное влияние на работоспособность ЭА оказывает человеческий (субъективный) фактор. Квалификация специалиста сказывается на качестве работы ЭА на всех этапах ее жизненного цикла. Несоблюдение правил проектирования, изготовления и эксплуатации ЭА приводит в конечном итоге к снижению их качества. Известно, что в ряде случаев число отказов аппаратуры увеличи­вается с ростом частоты осмотров и ремонта. Внедрение автоматизации на всех этапах создания ЭА уменьшает влияние человеческого фактора. Климатические факторы Нормальными климатическими условиями являются: температура (+25±10) °С, относительная влажность 45...80%, атмосферное давление (8,3... 10,6) • 104 Па (630...800 мм рт. ст.), отсутствие активных веществ в окружающей атмосфере. Совокупность воздействующих на конструкцию ЭА отдельных клима­тических факторов и их характеристики определяются той климатической зоной, в которой она эксплуатируется. Весь земной шар разделен на семь климатических зон, климат которых определяется как очень холодный, хо­лодный, умеренный, тропически влажный, тропически сухой, умеренно хо­лодный морской и тропический морской. Повышенные и пониженные температуры влияют на место установ­ки ЭА, расположение источников внешнего нагрева, выделение тепла ак­тивными элементами внутри ЭА и суточным изменением температуры ок­ружающей среды. Так как электрические параметры МС и ЭРЭ температурозависимы, необходимо, чтобы температура нагрева наиболее чувствительных к окружающей температуре элементов находилась в допус­тимых для этих элементов пределах. Кроме того, многие конструктивные материалы при высоких температурах претерпевают структурные измене­ния (тепловое старение материалов). Работоспособность ЭА определяется допустимым температурным диапазоном работы, в котором ЭА должна выполнять заданные функции в рабочем, т. е. во включенном состоянии. Для исключения выхода из строя ЭА в процессе хранения и транспортирования в нерабочем, невключенном состоянии необходимо, чтобы она выдерживала температуры, несколько большие допустимого диапазона. Эти температуры, называемые предель­ными, характеризуют тепло- и холодопрочность конструкции ЭА. Тепловой удар характеризуется резким изменением температуры ок­ружающей среды. При этом время изменения температуры исчисляется ми­нутами, а ее перепад — десятками градусов. Наиболее сильно тепловой удар проявляется в элементах конструкции, где имеются локальные механиче­ские напряжения, способствуя образованию микротрещин, их росту и объе­динению. Влажность — один из наиболее агрессивных воздействующих факто­ров, проявляющий себя при погружении аппаратуры в воду, воздействии капель дождя и брызг, водяных паров, образовании росы и инея с после­дующим его оттаиванием. Адсорбция на поверхности элементов ЭА кон­денсирующейся из окружающей атмосферы воды способствует коррозии металлических деталей, старению неметаллов, изменению электроизоляци­онных характеристик изоляторов. Кроме того, влага может выделяться из лакокрасочных и пропиточных материалов. Вода, содержащаяся в атмосфере, всегда загрязнена активными вещест­вами — углекислыми и сернистыми солями кальция, магния, железа, хлори­стым кальцием, газами — что еще больше способствует проявлению корро­зии. Пониженное и повышенное давление окружающей среды зависит прежде всего от высоты над уровнем моря места, где эксплуатируется ЭА. При снижении давления ухудшается отвод тепла конвективным тепло­обменом, уменьшается электрическая прочность воздуха, что приводит к ионизации воздуха и образованию химически активных ионов и радикалов. Повышенное атмосферное давление оказывает в первую очередь механиче­ское воздействие на элементы конструкции ЭА. Пыль и песок, содержащиеся в атмосфере, оседая на поверхности де­талей ЭА, могут стать причиной возникновения в ней неисправностей. Пыль содержит углекислые и сернокислые соли и хлориды, которые, взаимодей­ствуя с влагой, ускоряют процессы коррозии. Кроме того, находящаяся в воздухе пыль способствует утечке зарядов и может вызвать пробой проме­жутка, находящегося между контактами с высоким потенциалом. Стандар­тами определены три уровня концентрации пыли: 0,18; 1,0; 2,0 г/м3. Солнечное облучение также активно воздействует на работоспособ­ность ЭА. Спектр излучаемой солнцем энергии состоит из трех составляю­щих: ультрафиолетовая часть (длина волны менее 390-10~10м), видимая часть (длина волны 390 10~10...760 Ю~10м), инфракрасная часть (длина волны бо­лее 760-Ю~10м). На ультрафиолетовую часть спектра приходится около 9 % энергии излучения, на волны видимой части — около 41 %, на инфракрас­ную часть — около 50 %. Примерно 35 % солнечной энергии поглощается в космическом пространстве, 19 % поглощается атмосферой Земли, около 46 % достигает земной поверхности. Интегральная плотность потока солнечной энергии одинакова на поверх­ности Земли и на высоте 15 км и составляет 1125 Вт/м2, при этом 42 Вт/м2 приходится на ультрафиолетовую часть спектра. Механические факторы В процессе транспортирования и эксплуатации ЭА подвергается воз­действию вибраций, представляющих собой сложные колебания, которые возникают при контакте конструктивных элементов с источником колеба­ний. Особо опасны вибрации, частота которых близка к собственным часто­там колебаний узлов и элементов конструкции. Свойство аппаратуры про­тиводействовать их влиянию характеризуется вибропрочностью и вибро­устойчивостью. Виброустойчивость определяет способность ЭА выполнять заданные функции во включенном состоянии в условиях воздействия виб­раций. Вибропрочность характеризует качество конструкции ЭА, т. е. способность противостоять разрушающему воздействию вибрации в не­рабочем состоянии и продолжать нормально работать после включения и снятия вибрационных нагрузок. Воздействующие на конструкцию ЭА вибрации характеризуются диапазоном частот и величиной ускорения (в единицах g). Явление удара в конструкции ЭА возникает в случаях, когда объект, на котором установлена аппаратура, претерпевает быстрое изменение ускоре­ния. Удар характеризуется ускорением, длительностью и числом ударных импульсов. Различают удары одиночные и многократные. Линейное ускорение характеризуется ускорением (в единицах g) и длительностью воздействия. Акустический шум, проявляющийся в ЭА, устанавливаемых вблизи работающих двигателей ракет, самолетов, на кораблях, автомобильном и железнодорожном транспорте, характеризуется давлением звука, мощно­стью колебаний источника звука, силой звука, спектром звуковых частот. При воздействии вибрации и ударных нагрузок на элементы конструк­ции ЭА в них возникают статические и динамические деформации, так как любой элемент конструкции представляет собой колебательную систему, имеющую сосредоточенную и распределенную нагрузку и определенный вид закрепления концов. Следует отметить, что механизм влияния на конструкцию ЭА акустиче­ских шумов и ударно-вибрационных нагрузок различен. Акустический шум подвергает механическим нагрузкам практически в равной степени все элемен­ты конструкции. Ударно-вибрационные нагрузки воздействуют на элементы конструкции ЭА через их точки крепления. Поэтому эффективность такого воздействия определяется также положением элементов относительно его на­правленности. Детали крепления элементов в определенной мере являются сво­его рода демпферами, ослабляющими действие источника вибраций. Поэтому при прочих равных условиях следует признать действие акустического шума более разрушительным, чем действие ударно-вибрационных нагрузок. Радиационные факторы Радиационное воздействие вызывает как немедленную, так и накапли­вающуюся реакцию элементов, составляющих конструкцию ЭА. Среди су­ществующих видов излучений наибольшую опасность представляют элек­тромагнитные излучения и частицы высоких энергий. Полный спектр электромагнитных излучений охватывает диапазон длин волн от десятков тысяч метров до долей нанометра. Наиболее значимое воз­действие на ЭА оказывают рентгеновское излучение и гамма-лучи (длина волн менее 10 нм). Эти виды излучения обладают значительной проникаю­щей и ионизирующей способностью и характеризуются дозой и мощностью излучения. Облучение частицами может вызвать в веществах обратимые, полуоб­ратимые и необратимые явления. Обратимые явления возникают с началом облучения, сохраняются на протяжении его действия и исчезают с его пре­кращением. Полуобратимые явления возникают с началом облучения, уве­личиваются с его действием и постепенно исчезают после его прекращения. Необратимые явления возникают в процессе воздействия определенной до­зы облучения, не исчезают и не уменьшаются после его прекращения. При облучении резисторов возникают обратимые и необратимые изме­нения сопротивления, уровень шума увеличивается, параметр влагостойко­сти уменьшается. Керамические и проволочные резисторы наиболее устой­чивы к действию облучения. Интегральный поток величиной до 1020 час­тиц/см2 почти не вызывает изменений их параметров. Менее устойчивы к облучению металлопленочные и пленочные углеродистые резисторы. Их параметры заметно ухудшаются при интегральном потоке свыше 1014 час­тиц/см2. Так же чувствительны к облучению и композиционные резисторы. Облучение конденсаторов ухудшает их электрическую прочность, из­меняет емкость и тангенс угла диэлектрических потерь. Причиной этого яв­ яв­ляются необратимые явления в структуре диэлектрика, механические де­формации, ионизация диэлектрика и воздушных промежутков. Наиболее стойкими к облучению являются керамические, стеклоэмалевые и слюдяные конденсаторы. Конденсаторы с органическим диэлектриком (бумажные, по­листироловые, лавсановые, фторопластовые и др.) обладают пониженной радиационной стойкостью. Электролитические конденсаторы обладают наиболее низкой стойкостью, в них разгерметизация и разложение электро­лита наступают при низких дозах облучения. По сравнению с другими типами электрорадиоэлементов наименее стойкими к облучению являются полупроводниковые приборы и интеграль­ные микросхемы вследствие возникновения в них обратимых и необрати­мых явлений. Необратимые дефекты в полупроводниках приводят к потере выпрямительных свойств диодов из-за постепенного увеличения удельного электросопротивления исходного материала. Транзисторы всех типов при облучении теряют усилительные свойства, в них возрастают токи утечки, пробивное напряжение снижается. Их радиационная стойкость составляет 1012...1014 нейтронов/см2 при облучении нейтронами и 104... 107 рад при гамма-облучении. В интегральных микросхемах (МС) при облучении существенно изменя­ются характеристики вследствие изменения параметров входящих в них рези­сторов, конденсаторов, диодов, транзисторов. Так же изменяются изолирую­щие свойства разделительных р-n -переходов, возрастают токи утечки, появ­ляются многочисленные паразитные связи между элементами структуры микросхем, что в результате приводит к нарушению их функционирования. Объекты установки ЭА и их характеристики Характер и интенсивность воздействия климатических, механических и радиационных факторов зависят от тактики использования и объекта, на котором эксплуатируется ЭА. По виду объекта установки ЭА можно разде­лить на три большие группы: стационарные, транспортируемые и портатив­ные (рис. 2.2). Государственные стандарты классифицируют ЭА в зависи­мости от условий эксплуатации и вида объекта установки на стационарные, портативные и транспортируемые, а также на группы, разновидности и но­мера которых также приведены на рис. 2.2. Портативная ЭА (6- и 7-я группы) включает микрокалькуляторы, ЭВМ ти­па «ноут-бук», специализированные вычислители, находящиеся в распоряжении геолога, топографа, строителя, солдата и офицера армии и др. Сюда же можно отнести переносную радиприемную и радиопередающую аппаратуру, неболь­шую медицинскую технику и т. д. Небольшие габариты, малая мощность по­требления, высокая надежность и сравнительно небольшая стоимость делают этот класс аппаратуры незаменимым для проведения расчетов, не требующих слож­ного программирования, осуществления экспериментов и исследований и т. д. Условия работы портативной ЭА должны соответствовать зоне комфор­та человека, которая характеризуется температурой окружающей среды 18...24 °С, уровнем акустического шума 70...85 дБ, влажностью 20...90 % и высотой над уровнем моря до 3000 м. Если температура становится меньше -17 °С или выше +43,5 °С, уровень шума достигает 120 дБ, влажность со­ставляет меньше 1 %, а высота над уровнем моря больше 6000 м, то счита­ется, что такие условия превышают физиологические возможности челове­ка, и он может в них существовать единицы или десятки минут. При переносе аппаратуры максимально допустимой массы физические возможности человека ограничены. С этой точки зрения портативная аппара­тура делится на легкую (до 29 Н для мужчин и до 16 Н для женщин), сред­нюю (соответственно до 147 Н и 80 Н) и тяжелую (до 390 Н и до 216 Н). На портативную аппаратуру может воздействовать вибрация частотой до 20 Гц с ускорением до 2 g и удары до 10 g при длительности 5... 10 мс. Различают и другие виды ЭА, эксплуатируемые, например, в условиях химического производства, в составе системы управления артиллерийского снаряда и др. Для них характерны сверхбольшие значения одного-трех внешних факторов, на устойчивость к которым и проектируется конструк­ция такой ЭА. Так, для работы в условиях химического производства глав­ным является устойчивость к агрессивной среде, а для артиллерийского сна­ряда — удар, ускорение и температура окружающей среды. Требования, предъявляемые к конструкции ЭА Вновь разрабатываемая ЭА должна отвечать тактико-техническим, конструктивно-технологическим, эксплуатационным, надежностным и эконо­мическим требованиям. Все эти требования взаимосвязаны, и оптимальное их удовлетворение представляет собой сложную инженерную задачу. Кроме того, эти требования должны отвечать рекомендациям соответствующих государственных стандартов. Например, для средств вычислительной тех­ники действуют следующие стандарты. • Средства вычислительной техники. Общие технические требования, правила приемки, методы испытаний, маркировка, упаковка и хранение. • Машины вычислительные, электронные цифровые общего назначе­ния. Общие технические требования. • Средства технические малых электронных вычислительных машин. Общие технические требования. • Машины вычислительные электронные персональные. Типы, основ­ные параметры. Общие технические требования. И другие. Все эти требования содержатся в ТЗ на разрабатываемую ЭА. Тактико-технические требования включают в первую очередь требо­вания к параметрам ЭА, характеризующим ее потребительские качества (для ЭВМ — это быстродействие, объем оперативной, постоянной и внеш­ней памяти, разрядность команд и данных, языки программирования и др.). Эти требования в основном удовлетворяются на ранних стадиях разработки ЭА, когда определяется состав аппаратуры, ее структура, требования к от­дельным устройствам и т. д. Учитывая необходимость работы будущей ЭА в составе управляемой ею системы, необходимо предусмотреть их техническую, программную, информационную и эксплуатационную совместимость. В конструкции ЭА должны быть предусмотрены меры защиты от воз­действия климатических и механических факторов, состав и значения кото­рых приведены в табл. 2.2. Соляной туман: температура, °С 27 27 27 27 27 -/27 27 содержание воды, г/м3 2...3 2...3 2...3 2...3 2...3 -/2...3 2...3 время выдержки, ч 24 48 48 48 48 -/48 48 Механические Вибрация на одной частоте: частота, Гц 20 20 20 20 20 20 20 ускорение, g 2 2 2 2 2 2 2 время выдержки, ч 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Вибрация в диапазоне частот: частота, Гц — — 1...200 1...200 1...300 — До 2500 ускорение, g — — 10 5 2 — 1..13 время выдержки, ч — — 12 4 12 — 12 Одиночные удары: длительность, мс — — 15...75 До 500 15...40 — 15...150 число ударов в 1 мин — — 15 15 15 — 15 общее число ударов — — 60 60 60 — 60 Удары многократные: 2...10 длительность, мс — — 5...10 5...15 5...15 — число ударов в 1 мин — — 40...80 40...80 40...80 — 40...80 ускорение, g — — 15 15 25 — 5...15 общее число ударов — — 12000 12000 12000 — 6000 Линейная перегрузка, g 10...80 К конструктивно-технологическим требованиям относятся: обеспе­чение функционально-узлового принципа построения конструкции ЭА, тех­нологичность, минимальная номенклатура комплектующих изделий, ремон­топригодность, защита от несанкционированного доступа, удобный доступ к узлам и элементам, обеспечение безопасной работы оператора. Функционально-узловой принцип конструирования, применяющийся в ЭА третьего и последующего поколений, заключается в разбиении принци­пиальной схемы аппаратуры на такие функционально законченные узлы, которые могут быть выполнены в виде идентичных конструктивно- технологических единиц. Применение этого принципа конструирования по­зволяет автоматизировать процессы изготовления и контроля конструктив­ных единиц, упростить их сборку и наладку, организовать их производство на разных предприятиях. Понятие технологичность включает правила и положения, определяе­мые возможностями предприятия-изготовителя ЭА и влияющих на эффек­тивность ее производства и эксплуатации. Аппаратура, технологичная для одного предприятия, может оказаться нетехнологичной для другого. Причи­нами этого могут быть: неравномерный уровень развития предприятий, их различие в технической оснащенности, уровне и культуре производства. Понятие технологичности тесно связано с понятием экономичности конструкции ЭА. Наиболее технологичные конструкции, как правило, и наиболее экономичны в условиях производства. Технологичность конструк­ции ЭА в существенной степени определяется рациональным выбором ее структуры, которая должна разрабатываться с учетом автономного, раз­дельного изготовления и наладки ее основных элементов, узлов, блоков. Конструкция ЭА более технологична, чем меньше регулировочных и дово­дочных операций приходится выполнять после ее окончательной сборки. В этом плане идеальная технологичность у ЭА, которая, будучи собранной из отдельных узлов, выполняет заданные функции сразу же после включения электропитания. В технологичной конструкции должны максимально использоваться унифицированные, нормализованные и стандартные детали и материалы. Необходимость разработки новых материалов с улучшенными свойствами или новых технологических процессов должна быть технически и экономи­чески обоснована. В технологичной конструкции максимально используют взаимозаменяемость, регулируемость, контролепригодность, инструмен­тальная доступность узлов и элементов. К эксплуатационным требованиям относят простоту управления и об­служивания, предусмотрение различных мер сигнализации опасных режи­мов работы (выход из строя, обрыв заземления, открывание дверей шкафов и т. д.), наличие в комплекте ЭА аппаратуры и инструментов, обеспечи­вающих профилактический контроль и наладку конструктивных элементов. С эксплуатационными требованиями тесно связаны требования обеспе­чения нормальной работы оператора: организация его рабочего места, воз­можность подхода ко всем устройствам ЭА, безопасная работа при отладке и ремонте. Важна также такая организация пульта управления ЭА и распо­ложение клавиш на нем, клавиатуре и дисплея (для персональных машин), которая бы отвечала современным эргономическим требованиям и требова­ниям инженерной психологии. Внешний вид ЭА должен быть эстетичным, а органы управления должны быть удобными, доступными и не вызывать на­пряжения органов чувств у оператора. Требования по надежности включают конкретные количественные ха­рактеристики: вероятность безотказной работы за определенный отрезок времени, среднюю наработку на отказ, среднюю наработку на сбой, среднее время восстановления работоспособности, срок службы, коэффициент тех­нического использования, средний срок сохраняемости, коэффициент го­товности. К экономическим требованиям относят минимально возможные за­траты времени, труда и материальных средств на разработку, изготовление и эксплуатацию ЭА; минимальную стоимость ЭА после освоения ее в про­изводстве; минимальные затраты на эксплуатацию, обслуживание и плано­вые ремонты. СТАДИИ РАЗРАБОТКИ ВТ В разработке сложных объектов вычислительной техники принимают участие большие коллективы специалистов различного профиля и многие организации. Организация, заказывающее изделие, называется «Заказчик». «Исполнителем» является организация, которая реализует требования заказчика в виде конструкторско-технологической доку­ментации на серийное изготовление заказных изделий, а завод выпускает их в заданном объеме. Взаимоотношения между организациями регламентируются договорами - юридическими документами, определяющими взаимоотношения на различных стадиях разработки и изготовления ВТ. Заказчик формулирует технические требования (ТТ) к ВТ и осуществ­ляет приемку разработанного изделия. прием работ. Исполнитель на основании ТТ разрабатывает техническое задание (ТЗ), в котором содержатся экономические, производственные и другие требования, определяющие порядок разработки и приемки изделия. Субподрядчик решает для испол­нителя частные вопросы, такие, как разработка и поставка новых материалов, элементов, технологических процессов, отработка на соответствие требованиям эргономики и т. д. Технические требования, как правило, определяют показатели назначения ВТ, содержат требования к конструкции; наименование и назначение основных частей; габаритные, установочные и присоединительные размеры; требования по взаимозаменяе­мости, стандартизации и преемственности. В ТТ входят также требования по охране окружающей среды, помехозащищенности, безопасности работы, эргономике, эстетике и условиям эксплуатации. Этапы НИР и этапы ОКР. Основными этапами проведения НИР являются: - предпатентный поиск; - разработка и согласование с заказчиком технического задания (ТЗ); - теоретические и экспериментальные исследования новых принципов построения ВТ - обобщение результатов и оценка выполненной НИР (составление карты технического уровня) - приемка НИР; обсуждение и согласование задания на проведение ОКР. Основными этапами проведения ОКР (опытно-конструкторские работы): - техническое задание; - техническое предложение; - эскизный проект; - технический проект; - разработка рабочей документации. Техническое задание ТЗ составляется исполнителем на основании технических требований заказчика, в нем указываются: 1) назначение ВТ и область применения; 2) условия эксплуатации, хранения и транспортировки (для измерительных преобразователей указываются объекты, с которыми они должны сопрягаться, условия стыковки и т. д.); 3) основные технические характеристики (класс точности, пределы измерения, быстродействие, конструктивные параметры, надежность, стоимость), общетехнические требования (пределы температуры, влажность, тряска, вибрации, колебания напряжения сети, помехозащищенность и т. д.). Этап Техническое предложение Техническое предложение (ГОСТ 2.103 - 68, ГОСТ 2.118 - 73) (Литера документов П) - это этап разработки, на котором обосновывается принципиальная возможность создания ВТ с заданными по ТЗ характеристиками и намечаются основные технические и организационные решения по выполнению ТЗ. Согласно ГОСТ 2.103 - 68: Техническое предложение - совокупность конструкторских документов, которые должны содержать технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки документации изделия на основании анализа технического задания заказчика и различных вариантов возможных решений изделий, сравнительной оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих изделий, и патентные исследования. На этом этапе составляют частные ТЗ для различных предприятий. Большое внимание на стадии технического предложения уделяют анализу алгоритмов, определяющих структуру ЭВМ, последовательность выполнения логических и других операций. Основное на этом этапе — построение общей структурной схемы изделия, из которой должна быть ясна картина взаимодействия всех основных узлов и блоков ВТ. Этап Эскизное проектирование Эскизное проектирование (ГОСТ 2.119 - 73) (Литера документов Э) - это этап, когда принимаются принципиальные, схемные и конструктивные решения, которые отличны от технического предложения более детальной проработкой устройства в соответствии с ТЗ. Согласно ГОСТ : Эскизный проект - совокупность конструкторских документов, которые должны содержать принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление о назначении, об устройстве, принципе работы и габаритных размерах разрабатываемого, а также данные, определяющие назначение, основные параметры и габаритные размеры разрабатываемого изделия. На этом этапе проводится разработка схем, испытание, расчет и проверка рабочих режимов, выполняется предварительный расчет надежности отдельных блоков и всего изделия, проверяются варианты ВТ на патентную чистоту и конкурентоспособность, рассматривается соответствие требованиям техники безопасности и производственной санитарии. На основании эскизного проекта разрабатывается технический проект. Этапы Технического проекта На этапе технического проектирования (ГОСТ 2.120 - 73) (Литера документации технического проекта Т) детально отрабатываются схемные и конструкторские реше­ния, а также уточняются технические характеристики. В отработку конструкторских решений входят: 1) создание чертежей на все элементы, узлы и блоки; 2) решение вопросов надежности, ремонтопригодности и защиты изде¬лий от внешних воздействий; 3) согласование работы всех устройств; 4) определение органов управления и функций оператора; 5) разработка методики сборки, наладки и испытаний ВТ. При этом уточняется технология изготовления всех составляющих частей изделия и его стоимость. Правильность принятых решений по принципу действия, схеме и конструкции проверяется на макетных образцах ВТ. Рабочим конструкторским документам изделия единичного производства, предназначе­нным для разового изготовления, присваивают литеру "И". Единичному производству может предшествовать выполнение отдельных стадий разработки (техническое предложение, эскизный проект, технический проект) . Разработка технической документации и опытного образца Разработка конструкторской документации опытного образца (опытной партии) изделия, предназначенного для серийного (массового) или единичного производства (кроме разового изготовления) • Разработка конструкторской документации, предназначенной для изготовления и испытания опытного образца (опытной партии), без присвоения литеры. • Изготовление и предварительные испытания опытного образца (опытной партии). • Корректировка конструкторской документация по результатам изготовления и предварительных испытаний опытного образца (опытной партии) с присвоением документам литеры "О". • Приемочные испытания опытного образца (опытной партия). • Корректировка конструкторской документации по результатам приемочных испытаний опытного образца (опытной партии) с присвоением документам литеры "О1". • Для изделия, разрабатываемого по заказу Министерства обороны, при необходимости,— повторное изготовление и испытания опытного образца (опытной партии) по документации с литерой "О2" и корректировка конструкторских документов с присвоением им литеры "О2". Разработка конструкторской документации серийного (массового) производства • Изготовление и испытание установочной серии по документации с литерой "О1" (или "О2"). • Корректировка конструкторской документации по результатам изготовления и испытания установочной серии, а также оснащения технологического процесса изготовления изделия, с присвоением конструкторским документам литеры "А". • Для изделия, разрабатываемого по заказу Министерства обороны. При необходи­мости, — изготовления и испытания головной (контрольной) серии по документа­ции с литерой "А" и соответствующая корректировка документов с присвоением им литеры "Б". Техническая документация На всех этапах жизненного цикла (разработка — производство — экс­плуатация) ЭА сопровождает техническая документация (ТД). Состав этой документации и ее содержание регламентируется Государственными стан­дартами. В настоящее время в стране действует большое количество стан­дартов, которые сгруппированы по направлениям жизненного цикла изде­лий в следующие комплексы: • единая система конструкторской документации (ЕСКД); • единая система технологической документации (ЕСТД); • единая система программной документации (ЕСПД); • единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП); • единая система защиты изделий и материалов от коррозии, старения и биоповреждений (ЕСЗКС) и др. Основная задача стандартизации — обеспечить единую нормативно- техническую, информационную, методическую и организационную основу проектирования, производства и эксплуатации изделий. При этом обеспечи­вается использование единого технического языка и терминологии, взаимо­обмен документацией между предприятиями без ее переоформления, со­вершенствование организации проектных работ, возможность автоматиза­ции разработки ТД с унификацией машинно-ориентированных форм документов, совершенствование способов учета, хранения и изменения до­кументации и др. Единая система конструкторской документации Государственные стандарты, входящие в ЕСКД, устанавливают взаимо­связанные единые правила и положения по порядку разработки, оформления и обращения конструкторской документации на изделия, разрабатываемые и выпускаемые предприятиями всех отраслей промышленности. Конструкторские документы (КД) — графические и текстовые доку­менты, в отдельности или в совокупности определяющие состав и устройст­во изделия и содержащие необходимые данные для его разработки и изго­товления, контроля, приемки, эксплуатации, ремонта, утилизации. Стандартам ЕСКД присваивают обозначения по классификационному принципу. Номер стандарта составляется из • цифры, присвоенной классу стандартов ЕСКД, • одной цифры после точки, обозначающей классификаци­онную группу стандартов в соответствии с табл. 1.1, • числа, определяющего порядковый номер стандарта в данной группе, и • двузначной цифры (после тире), указывающей год регистрации стандарта. Например, обозначение стандарта ЕСКД «ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выпол­нению» имеет вид: ГОСТ 2.701—84, т. е. ГОСТ — категория нормативно- технического документа (государственный стандарт), 2 — класс (стандарты ЕСКД), 7 — классификационная группа стандартов, 01 — порядковый но­мер стандарта в группе, 8 4 — год регистрации стандарта. Таблица 1.1. Классификационные группы стандартов в ЕСКД Шифр Содержание стандартов в группе группы Общие положения 1 Основные положения 2 Классификация и обозначение изделий в КД 3 Общие правила выполнения чертежей 4 Правила выполнения чертежей изделий машиностроения и приборо­- строения 5 Правила обращения КД (учет, хранение, дублирование, внесение из­- менений) 6 Правила выполнения эксплуатационной и ремонтной документации 7 Правила выполнения схем 8 Правила выполнения документов строительных, судостроительных и горных дел 9 Прочие стандарты К графическим конструкторским документам относятся: чертеж детали (литера ЧД)— изображение детали и другие данные, необходимые для ее изготовления и контроля; сборочный чертеж (СБ) — изображение сборочных единиц и другие детали, необходимые для сборки и контроля; чертеж общего вида (ВО) — определяет конструкцию изделия, взаи­модействие его основных частей и поясняет принцип работы изделия; теоретический чертеж (ТЧ) — геометрическая форма (обводы) изде­лия и координаты расположения основных частей; габаритный чертеж (ГЧ) — контурное изображение изделия с габа­ритными, установочными и присоединительными размерами; электромонтажный чертеж (ЭМ) — данные для электрического мон­тажа изделия; монтажный чертеж (МЧ) — контурное изображение изделия и дан­ные для его установки на месте эксплуатации; установочный чертеж (УЧ) — данные для установки изделия; схема (формирование литеры – смотри далее)— составные части изделия в виде условных изображений или обозначений и связи между ними; К текстовым конструкторским документам относятся: Спецификация (СП) — определяет состав сборочной единицы, комплекса, комплекта; ведомость спецификаций (ВС) — перечень всех спецификаций состав­ных частей изделия с указанием их количества и входимости; ведомость ссылочных документов (ВД) — перечень документов, на ко­торые имеются ссылки в КД на изделие; ведомость покупных изделий (ВП) — перечень покупных изделий, при­мененных в разрабатываемом изделии; ведомость разрешений применения покупных изделий (ВИ) — перечень покупных изделий, разрешенных к применению по ГОСТу; ведомость держателей подлинников (ДП) — перечень организаций — хранителей подлинников, примененных в изделии документов; ведомость технического предложения (ВТ) — перечень документов, вошедших в техническое предложение; ведомость эскизного проекта (ЭП) — перечень документов, вошедших в эскизный проект; ведомость технического проекта (ТП) — перечень документов, во­шедших в технический проект; пояснительная записка (ПЗ) — описание устройства и принципа дейст­вия разработанного изделия, а также обоснование разработки; !!!НИЧЕГО ЛИШНЕГО БЫТЬ НЕ ДОЛЖНО !!! технические условия (ТУ) — требования к изделию, его изготовлению, контролю качества, приемке и поставке; программа и методика испытаний (ПМ) — технические данные, под­лежащие проверке при испытании изделия, порядок и методы их контроля; таблица (ТБ) — данные, сведенные в таблицу; расчет (РР) — расчеты параметров и величин, например, расчет раз­мерных цепей, расчет на прочность, расчет теплового режима и др.; эксплуатационные документы — документы для использования при эксплуатации, обслуживании и ремонте изделия в процессе эксплуатации; ремонтные документы — данные для проведения ремонтных работ на специализированных предприятиях; инструкция (И) — указания и правила, используемые при изготовлении изделия (сборке, регулировке, контроле и т. п.); патентный формуляр (ПФ) — документ, содержащий результаты па­тентного поиска, осуществленного при разработке изделия. В нем содер­жится оценка патентоспособности, патентная чистота и технический уро­вень разработанного изделия, материала, процесса, метода. Схемная документация В общем объеме КД, выпускаемой в процессе разработки изделий, в том числе ЭА, существенное место занимает схемная документация. Схема — графическая конструкторская документация, на которой в ви­де условных графических изображений или обозначений показаны состав­ные части изделия и связи между ними. Схемы применяют при изучении принципа действия механизма, прибо­ра, аппарата при их изготовлении, наладке и ремонте, для понимания связи между составными частями изделия без уточнения особенностей их конст­рукции. При проектировании ЭА используются следующие виды схем: структурные схемы (Э1), определяющие основной состав ЭА и ее функ­циональные части, их назначение и взаимосвязи. Их разрабатывают на началь­ных стадиях проектирования ЭА, их используют как для разработки схем других типов, так и для общего ознакомления с ЭА; функциональные схемы (Э2), поясняющие процессы, происходящие в от­дельных функциональных частях и узлах ЭА. Они являются основой для разработки принципиальных схем и применяются при наладке, ремонте и эксплуатации ЭА; принципиальные схемы (ЭЗ), определяющие полный состав элементов и связей между ними и дающие полное представление о принципе работы от­дельных узлов и устройств ЭА. Эти схемы являются основой для разработки полного комплекта конструкторской документации на ЭА; схемы соединений (Э4), показывающие соединения составных частей ЭА и определяющие провода, жгуты, кабели и другие соединительные изде­лия, а также места их присоединения и ввода. Их используют как при вы­пуске КД на ЭА, так и при ее ремонте и эксплуатации; схемы подключений (Э5), показывающие внешние подключения ЭА. Эти схемы используют при монтаже ЭА на месте эксплуатации и при ее ремонте; общие схемы (Э6), определяющие составные части ЭА и соединения их между собой на месте эксплуатации; схемы расположения (Э7), устанавливающие взаимное расположение отдельных устройств ЭА, а также соединяющих их жгутов, кабелей и т. д. При проектировании схем любых видов необходимо придерживаться правил, изложенных в соответствующих стандартах. Так, для схем цифро­вой техники схемы электрические выполняются по правилам, установлен­ным Государственными стандартами с использованием условных графических обозначений (УГО). Конструкторские документы, держателями подлинников которых являются другие предприятия, могут применяться только при наличии учтенных копий или дубликатов. Единая система технологической документации В соответствии с ГОСТ 3.1001-81 "Единой системой технологической документации называется комплекс государственных стандартов и рекомендаций Госстандарта и ВНИИЭС, устанавливающих взаимосвязанные правила и положения по порядку разработки, комплектации, оформления и обращения технологической документации, применяемой при изготовлении и ремонте изделий машиностроения и приборостроения". Шифр Содержание стандартов в группе группы Общие положения 1 Основополагающие стандарты 2 Классификация и обозначение технологических документов 3 Учет применяемости деталей и сборочных единиц в изделиях и средствах технологического оснащения 4 Основное производство. Формы технологических документов и правила их оформления на процессы, специализированные по видам работ 5 Основное производство. Формы документов и правила их оформления на испытания и контроль 6 Вспомогательное производство. Формы технологических документов и правила их оформления 7 Правила заполнения технологических документов 8 Резервная 9 Информационная база В стандарте ГОСТ 3.1102- 81 «ЕСТД. Стадии разработки и виды документов» установлены следующие виды документов. Маршрутная карта (МК) — технологический документ, содержащий описание технологического процесса изготовления или ремонта изделия (включая контроль или перемещения) по всем операциям в технологической последовательности с указанием данных об оборудовании, оснастке, материальных и трудовых нормативов. Карта технологического процесса (КТП) — технологический документ, содержащий описание техпроцесса изготовления или ремонта изделия (включая контроль или перемещения) по всем операциям одного вида работ, выполняемых в одном цехе в технологической последовательности с указанием данных об оборудовании, оснастке, материальных и трудовых нормативах. Если техпроцесс полностью охватывает весь маршрут изготовления изделий, то КТП полностью заменяет МК, которая (в этом случае) не разрабатывается. Карта эскизов (КЭ) — технологический документ, содержащий эскизы, схемы и таблицы, необходимые для выполнения технологического процесса, операции или перехода изготовления или ремонта изделия (включая контроль и перемещения). Технологическая инструкция (ТИ) — технологический документ, содержащий описание предметов работ или технологических процессов изготовления или ремонтов изделия (включая контроль и перемещения), правил эксплуатации средств технологического оснащения, описание физических и химических явлений, возникающих при отдельных операциях. Комплектовочная карта (КК) — технологический документ, содержащий данные о деталях, сборочных единицах и материалах, входящих в комплект собираемого изделия. Ведомость оснастки (ВО) — технологический документ, содержащий перечень технологической оснастки, необходимой для выполнения данного технологического процесса (операции). Ведомость технологических документов (ВТД) — технологический документ, определяющий состав и комплектность технологических документов, необходимых для изготовления или ремонта изделия. Карта типового технологического процесса (КТТП) — технологический документ, содержащий описание типового технологического процесса изготовления или ремонта группы деталей и (или) сборочных единиц в технологической последовательности с указанием операций и переходов и соответствующих данных о средствах технологического оснащения и материальных нормативов. Операционная карта (ОК) — технологический документ, содержащий описание технологической операции с указанием переходов, режимов обработки и данных о средствах технологического оснащения. Карта типовой операции (КТО) — технологический документ, содержащий описание типовой технологической операции с указанием переходов, данных о технологическом оборудовании и, при необходимости, о технологической оснастке и режимах обработки, технологических документов, а также некоторые другие документы. Показатели конструкции ЭА Большое разнообразие имеющейся в эксплуатации и на рынке ЭА требует от разработчиков этого вида техники знания наборов показате­лей, по которым возможно сравнивать существующие модели ЭА с раз­рабатываемой. Безусловно, важнейшую роль при этом будут играть экс­плуатационные и экономические показатели. С ними непосредственно связаны параметры, характеризующие ЭА как объект конструкторско- технологической разработки. К таким показателям следует в первую оче­редь отнести следующие: Сложность конструкции ЭА где N3 — число составляющих ЭА элементов; Мс — число соединений; К1 К2иК3 — масштабный и весовые коэффициенты соответственно. Выражение (1.1) связывает число составляющих ЭА интегральных мик­росхем, полупроводниковых приборов, электро-радиоэлементов, элементов коммутации с числом разъемных и неразъемных соединений между ними, что определяет габариты, массу, надежность и другие общие параметры ЭА Число элементов, образующих ЭА, где Ny — число устройств в ЭА; Кп — число типов применяемых элементов; Пр — число элементов /-го типа, входящих ву-е устройство. Объем ЭА где VN — общий объем интегральных микросхем и электрорадиоэлементов, образующих ЭА; Vc — объем, занимаемый всеми видами соединений; VK — объем несущей конструкции, обеспечивающей прочность и защиту ЭА при транспортировании и эксплуатации; VyT — объем теплоотводящего устройства. Коэффициент интеграции, или коэффициент использования физиче­ского объема характеризует степень использования физического объема ЭА элементами, выполняющими полезную функциональную нагрузку, т. е. непосредственно определяющими электрическую схему ЭА (qи всегда меньше 1 и приближа­ется к ней с использованием больших интегральных схем). Общая масса ЭА, определяемая как сумма масс, входящих в состав ЭА устройств: Общая мощность потребления ЭА где pj — мощность потребления у-го устройства. Для цифровых устройств потребляемая ими мощность зависит от средней мощности потребления электронных компонентов. Известно, что 80...90 % мощности потребления рассеивается в виде теплоты и определяет тепловой режим ЭА и соответст­вующие перегревы элементов конструкции. Общая площадь, занимаемая ЭА, где Sj — площадь, требуемая для эксплуатации у-го устройства ЭА. Собственная частота колебаний конструкции (элемента, устройства или всей ЭА) где А'— коэффициент жесткости конструкции; т — масса конструкции ЭА. Степень герметичности конструкции ЭА, определяемая количеством газа, истекшего из определенного объема конструкции за известный отрезок времени: где V0 — объем герметизированной части ЭА; тсл — срок службы ЭА; ΔР — избыточное давление газа в конструкции ЭА. Вероятность безотказной работы ЭА p(t) и средняя наработка на от­каз Тср — показатели надежности ЭА. Степень унификации ЭА где NyH — количество унифицированных элементов, a N3 — общее количе­ство примененных в ЭА элементов. Конструкторская иерархия элементов, узлов и устройств ЭА Декомпозиция — метод системного анализа, позволяющий заменить решение одной большой задачи решением серии меньших задач, пусть и взаимосвязанных, но более простых. Результатом декомпозиции по отношению к конструкции ЭВМ является конструкторская иерархия элементов. Основным критерием декомпозиции является принцип конструкторской законченности, что не всегда соответствует функциональному членению системы. Глубина декомпозиции (т.е. количество уровней) зависит от сложности разрабатываемой ЭВМ, и, может состоять из одного уровня для одноплатных ЭВМ, до 6-7 уровней в наиболее сложных Центрах Обработки Данных (ЦОД). Иерархический принцип построения системы позволяет вести проектирование и конструирование каждого уровня независимо, при минимальной информации об особенностях вышележащих и нижележащих уровнях. Уровень N Уровень 2 Уровень 1 Так при конструировании радиоэлектронной аппаратуры (не цифровой), принято выделять уровни: 6. Система 5. Устройства 4. Блоки 3. Каскады 2. Звенья 1. Элементная база.1 При конструировании ЭВМ принято выделять следующие уровни: 7. ЭВМ (Центр обработки данных, Вычислительный кластер, СуперЭВМ и т.п). 6. Группа серверных стоек (Ряд стоек, Контейнер и т.п.) 5. Стойка (шкаф, стеллаж) 4. Рама (некоторые стойки содержат более одной рамы, например, с двух сторон шкафа) 3. Блок ( панель, шасси, юнит и т.п.) 2. Кассета (Типовой элемент замены из более чем одной печатной платы, например, плата RAID контролера с установленным на ней модулем памяти.) 1. Ячейка (как правило соответствует одной печатной плате, если конструкция осно­ва­на на печатных платах) К 0-му уровню конструкторской иерархии относят элементную базу (микросхемы, резисторы и т.д.). После проведения декомпозиции, проектирование и конструирование ЭВМ выполняют как последовательность итераций синтез-анализ-синтез до достижения требуемых в ТЗ параметров. Анализ и синтез, также как и декомпозиция являются методами системного анализа. Синтез - определение структуры (геометрии в пространстве, конструкции) систе­мы на основе функ­циональ­ного описания. Выполняется от нижних уровней к верхним. Это определение схемного состава конструкционных узлов и геометрических размеров. Выбор формы и компоновочной схемы типовых конструкций, размещение их в метрическом пространстве и реализация связей между ними. При синтезе всегда решают следующие задачи: 1. Отвод тепла 2. Защита от внешних воздействий 3. Обеспечение надежности и помехоустойчивости 4. Минимизация потерь производительности на линиях связи. При анализе выполняют поиск тех элементов конструкции, изменение которых может существенно улучшить показатели конструкции ЭВМ. Как правило поиск выполняется по принципу наиболее "слабых мест". Такой узел обладает, например, минимальным коэффициентом прочности по сравнению с другими и, возможно, следует "ослабить" другие узлы для использования высвобожденных ресурсов по усилению слабого. В результате многочисленных итераций синтез-анализ-синтез, например, коэффициент прочности будет одинаковым (равномерным) по всей ЭВМ. При эксплуатации это будет выражаться в равновероятном отказе для разных узлов. Если конструкция соответствует требования, на этом процесс проектирования является законченным. Если нет - то следует пересматривать конструкторские решения в целом. Элементная база ЭВМ (0-й уровень проектирования) Основной модуль нулевого уровня - это микросхемы, сюда относят дискретные резисторы конденсаторы и т.п.. Микросхема- это полупроводниковый кристалл, помещенный в корпус или покрытый защитным материалом с целью защиты от внешних воздействий, электрически соединен с другой частью схемы. 1. Безкорпусные DCA-Direct Chip Attach – кристалл устанавливается непосредственно на печатную плату и покрывается защитным покрытием (пластмассой). Слева - микросхема без покрытия, Справа - нанесенным покрытием Такие МС используются в детских игрушках, пультах ДУ, измерительных приборах, клавиатурах и т.д. Преимущество- минимальная цена. Недостаток- невозможность замены МС. Также, безкорпусные микросхемы достаточно часто применяют в составе микросборок Корпуса МС бывают: 1. Металло-стеклянные (дорого) 2. Металло-керамические (современные процессоры Core) 3. Метало-пластмассовые (интегральные усилители, мощные контролеры приводов) 4. Стеклянные (редко) 5. Керамические (химически стойкие) 6. Пластмассовые (наиболее часто) В настоящий момент следует говорить о четырех поколениях изготовления радио- электронных устройств. Первое поколение: Без применения печатных плат. Среди активных элементов - радиолампы. Полупроводниковых устройств мало. Основной способ соединений - навесной монтаж. В первых советских телевизорах КВН пайка производилась высокотемпературным медным припоем. Преимущества навесного монтажа - возможность непосредственного соблюдения конструктивных размеров, например, в СВЧ технике. Минимальные паразитные межэлементные емкости и индуктивности. Способность переносить высокие температуры. Недостаток - низкая плотность монтажа, только ручная сборка. Первые ЭВМ: Второе поколение Основной элемент: Дискретные элементы и МС со штыревыми выводами: Недостатки. • отверстия "в ряд" снижают прочность печатной платы. • из соображений прочности штырек имеет диаметр более 0.3 мм, диаметр отверстия - 0,5 мм, что приводит к низкой плотности выводов микросхем. • в процессе старения печатной платы достаточно часто образуется дефект пайки типа "кольцо". Из-за разницы диаметров штырька и отверстия в ПП, основная механическая нагрузка (вибрация и т.п.) ложится на припой. Возникает усталостное разрушение мягкого металла припоя, работающего на срез. Преимущества Возможность применения сравнительно низкотехнологичного вида пайки - волновая пайка. Примерно в этот же период стали появляться МС с планарными выводами Для их пайки плохо подходит волновой метод, так как они "смываются" волной припоя с печатной платы. В крайнем случае, эту проблему можно обойти, приклеив корпус МС к ПП перед пайкой. Однако МС испытывает значительный перегрев при пайке при погружении в припой. Третье поколение Дискретные радиоэлементы (резисторы, транзисторы и т.п.) постепенно замещаются на SMD (Surface Mounted Device) компоненты. Преобладают МС с планарными выводами. ОСОБЕННОСТЬ: SMD компонент охлаждается преимущественно за счет соприкосновения с печатной платой. ПП является радиатором для SMD компонент. Без непосредственного теплового контакта SMD компонент выйдет из строя за счет перегрева. Преимущества. Сравнительно высокая плотность монтажа. Установка компонентов повышает прочность печатной платы, так как не требуется сверление "в ряд". Недостатки. Требуется более технологичное оборудование, почти всегда ПП является многослойной. Четвертое поколение Слева направо: печатная плата, смонтированная МС, вид на МС с обратной стороны до монтажа В разрезе: Особенности: На заводе изготовителе к каждому контакту на нижней плоскости МС припаивается шарик припоя строго определенного размера. Для монтажа МС устанавливают строго на свое положение на ПП и нагревают в специальных печах. Преимущества: Максимально высокая плотность выводов. Недостатки: Очень высокая плотность соединений в месте установки МС, требуется ПП с большим количеством слоев. Модули первого уровня Типовой элемент замены (ТЭЗ) — конструктивно законченный элемент машины, служащий для электрического объединения ИС и радиокомпонентов, самостоятельный по технологии изготовления и взаимозаменяемый без подгонки и дополнительной настройки с однотипными ТЭЗ машины. Конструктивная законченность и идентичность технологии изготовления вне зависимости от функционального состава и назначения того или иного типа ТЭЗ одной машины предопределяют общие для этих ТЭЗ конструктивные особенности и общие правила их конструирования. Основным элементом первого уровня является ТЭЗ - печатная плата с установленными радиоэлементами. От качества изготовления печатной платы во многом зависит надежность ЭА в целом. Печатная плата – это способ создания на диэлектрической пластине электрических соединений с помощью электропроводящей (медной) фольги (печатного монтажа). Различают: 1. Односторонние печатные платы (ОПП) 2. Двусторонние печатные платы (ДПП) 3. Многосторонние печатные платы (МПП) 4. Гибкие печатные платы (ГПП) 5. Гибкие печатные кабели (ГПК) -кабели лазерных головок, кабели печатных головок в принтерах и т.д. Металлизация отверстий ДПП и МПП ГОСТ 23751-86 классов плотности печатной платы. Мин. Расстояние: 1 класс– 0,75 мм 2 класс- 0.45 мм 3 класс- 0,25 мм 4 класс- 0,15 мм 5 класс- 0,10 мм ГОСТ Р 53429- 2009 добавлен 6 и 7 классы (в миллиметрах) 6 класс - 0,05 мм 7 класс - 0,03 мм Вид печатной платы Позиционный допуск расположения печатного проводника для класса точности 1 2 3 4 5 6 7 ОПП,ДПП, МПП (наружный слой) 0,20 0,10 0,05 0,03 0,02 0,01 0,005 МПП (внутренний слой) 0,30 0,15 0,10 0,08 0,05 0,02 0,01 Способы изготовления печатной платы: 1. Субтрактивный – удаление фольги химическим или механическим способом. 2. Аддитивный - выращивание медной фольги по рисунку катализатора. 3. Полуаддитивный – совмещение 1 и 2. Субтрактивный способ Исходный материал: Пластика диэлектрика (гетинакс или стеклотекстолит) на нее с одной стороны (для ОПП) или с двух сторон (ДПП) приклеена на медную фольгу термостойким клеем. На фольгу наносится позитивный рисунок из диэлектрического материала ЛАЗЕРНО-УТЮЖНЫЙ МЕТОД В домашних условиях рисунок ПП распечатывается на глянцевую бумагу лазерным принтером. Бумага прикладывается к ПП и с помощью горячего утюга рисунок переносится на ПП. ФОТОЛИТИЧЕСКИЙ СПОСОБ. Специальная пленка из фотолитического материала (фоторезиста) засвечивается яркой фотопроекцией. Засвеченная часть материала смывается специальным раствором. После нанесения, ПП травится в растворе железного купороса или медного купороса (с аэрацией). Для ускорения травления может использоваться электрохимический способ травления. Основной недостаток субтрактивного метода- боковое «подтравливание» проводников, что не позволяет достичь высокой плотности. Аддитивный способ На диэлектрик наносится рисунок из катализатора, на который осаждается медь. ГПП получают нанесением проводников, например на лавсан. Материалы для производства ТЭЗ Диэлектрическое основание платы представляет собой обычно бумажную (гетинаксы) или текстильную (текстолиты) основу, пропитанную фенольной либо эпоксидной смолой. Преимущество гетинаксов заключается в том, что они легко поддаются механической обработке, поэтому возможна организация серийного и массового производства. К недостаткам материалов этого типа относятся повышенная чувствительность к влажности и нестабильность размеров. В настоящее время намечается тенденция к использованию эпоксидной невоспламеняющейся бумаги, которая обладает лучшей стабильностью параметров и более приспособлена к автоматизации. В стеклотекстолитах в качестве основы используют стеклоткань, пропитанную эпоксидной смолой. Они применяются, в основном, для производства ДПП и МПП. Смеси «эпоксидная смола-стеклоткань» придаются определенные характеристики, зависящие от соотношения используемого кол-ва смолы и скорости проведения процесса отвердения. Заданная толщина диэлектрика достигается путем набора определенного кол-ва листов, а с наружных сторон добавляют листы фольгированной меди, которая предварительно подвергаются оксидированию со стороны, входящей в контакт с материалом. Весь комплект помещается между идеально чистыми полированными плитами гидравлического пресса многоярусного типа, оснащенного системой подогрева. Табл. Марки и номенклатура некоторых материалов для изготовления печатной платы Марка Диэлектрик и назначение Толщина материала фольги СФ-1Н-35Г Стеклотекстолит 0,5-3,0 0,035 СФ-2Н-35Г 0,035 СФ-1Н-50Г 0,05 СФ-2Н-50Г 0,05 СФ-1-35Г Стеклотекстолит 0,5-3,0 0,035 СФ-2-35Г 0,035 СФ-1-50Г 0,05 СФ-2-50Г 0,05 ФС-1, ФС2 Стеклотекстолит 0,5-3,0 0,018 0,035 0,05 СТНФ-1-18 Стеклотекстолит для ДПП и МПП (теплостойкий) 0,1-1,0 0,018 СТНФ-2-18 1,5 0,018 СТНФ-1-35 2 0,035 СТНФ-2-35 2,5 0,035 СТФ-1-18 3 0,018 СТФ-2-18 0,018 СТФ-1-35 0,035 СТФ-2-35 0,035 СТПА-5-1 Стеклотекстолит для полуаддитивной технологии 0,15-2,0 0,005 СТПА-5-2 ФТС-2-35А СТАП-1-5 Стеклотекстолит для ДПП и МПП 0,08-2,0 0,005 СТАП-2-5 0,005 СТАП-2-18 0,018 СТАП-2-35 0,035 Зоны размеров ПП Основные размеры (ПП — высота Н и ширина В — выбираются из печатных плат зоны размеров, приведенной на следующих рисунках. Количество возможных значений размеров Н и В и сочетаний их очень велико. До 100 мм можно применять любые размеры, кратные 2,5 мм, до 350 мм — кратные 5 мм и свыше 350 мм — кратные 10 мм. Рекомендуется соблюдать следующие комбинации размеров Из соображений прочности большая сторона ПП (более 50 мм)должна иметь соотношение сторон не более 4:1. Обычное соотношение сторон – 1:1, 1:2, 2:3, 2:5. Толщина ПП бывает 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0. Чертеж ПП делают с увеличением 2:1, 4:1, 5:1, 10:1. ls1, ls2, ls3,ls4 – ширина нефункциональной технологической зоны ПП. lp – зона разъема типа «ламель». Эти зоны необходимы для: 1. Механической прочности ПП вблизи отверстий, в т.ч. межслойных. 2. Электрической изоляции проводников ПП от металлических поверхностей на торце ПП 3. Установки в пазы направляющих элементов конструкции вышележащего уровня. 4. Возможна установка металлических элементов увеличения прочности ПП. Общая площадь исходной пластины ПП Sисх=Ly*Lx Количество ячеек сетки функциональной части ПП Понятие о поперечном изгибе Балка – это стержень, работающий на изгиб. Чтобы наглядно представить деформацию прямого изгиба, проведем опыт с резиновым брусом, на котором нанесена сетка продольных и поперечных линий. Подвергнув такой брус прямому изгибу, можно заметить, что : • поперечные линии останутся при деформации прямыми, но повернутся под углом друг другу; • сечения бруса расширятся в поперечном направлении на вогнутой стороне и сузятся на выпуклой стороне; • продольные прямые линии искривятся. Из этого опыта можно сделать вывод, что: • волокна, лежащие на выпуклой стороне растягиваются, • на вогнутой стороне – сжимаются, • на границе между ними лежит нейтральный слой волокон, которые только искривляются, не изменяя своей длины. Вывод: При равных материалах и внутренней структуре балки, чем больше высота балки по отношению к приложенной силе, тем выше прочность балки. Замечания: • Детали кузова автомобиля делают изогнутыми • Делают впрессованные полоски. Дополнительный изгиб повышает прочность. При конструировании применяют различные профили: уголки, швеллеры, тавры: Двутавр Швеллер Уголок Расчет динамических механических нагрузок в конструкции Различают следующие виды динамических нагрузок: 1. Вибрации. Характеризуются: частотой, амплитудой, максимальным ускорением (при форме колебаний отличной от синусоиды) 2. Ударные нагрузки (например, удары при падении). Характеризуются: Числом одиночных ударов, длительностью ударного импульса, перемещением соударяющихся сил. 3. Линейные ускорения. Характеризуются: величиной ускорения, длительностью, знаком воздействия (разгон/торможение). Линейные ускорения рассчитываются как статические нагрузки – защиты почти нет. Для защиты от вибраций и ударных нагрузок использую амортизирующие системы. В общем случае конструкция РЭА представляет собой сложную колебательную систему, состоящую из конечного числа простых механических узлов Рассмотрим каждый элемент в отдельности: Блок массой m, закреплен пружиной жесткостью k, и демпфер (амортизатор) с коэффициентом демпфирования . На блок воздействует вибрация P0 sin t. Динамичесие нагрузки – это механическая энергия, привнесенная в конструкцию. Циркуляция этой энергии в конструкции может разрушить элементы конструкции, участвующие в передаче энергии. В общем случае, механическая энергия пытается высвободится из конструкции и превратиться в тепло. Демпфер – устройство, превращающее механическую энергию колебаний в тепло. Если в конструкции отсутствуют явно приведенные на рисунке элементы, то схему следует рассматривать как с приведенными параметрами, где пружина – жесткость (прочность) несущих элементов, демпфер – трение между элементами конструкции, и, в первую очередь, трение волокон печатной платы между собой, что способствует ее выходу из строя. Согласно принципу Даламбера, сумма всех сил в системе равна нулю. Разделим правую и левую часть на m где - круговая частота собственных колебаний системы; xст = P0/k - удлинение/сжатие пружины, которую бы она получила при статической силе P0; - параметр демпфирования. Решение уравнения, для случая, когда внешнее воздействие было снято и система продолжит колебаться в свободном режиме: где v – скорость в момент снятия внешнего воздействия. Скорость затухания колебаний задается как Для несвободных колебаний где  - соотношение фаз колебаний и внешних воздействий в момент приложения вибраций.  имеет максимум при  = 0 Вывод: Рассчитывать конструкцию таким образом, что-бы частота вибраций не совпадала с собственной частотой конструкции. Если достичь этого принципиально невозможно – частота меняется во всем диапазоне, то собственную частоту конструкции нужно выбирать такой, в которой время воздействия вибраций минимально. Виброустойчивость печатных плат Экспериментальным путем была выведена формула расчета печатных плат на виброустойчивость, с достаточным запасом на усталость материала: где fmin – частота свободных колебаний ПП; g - ускорение свободного падения 9,8; b – размер короткой стороны печатной платы в мм; jmax – кратность g вибрационных перегрузок; в интервале j = [3..10], значение y берут из таблицы Постоянный ток в печатных проводниках Постоянный ток в печатных проводниках распределяется равномерно по его сечению при условии, что материал проводника однороден и не имеет локальных посторонних включений других веществ. Сопротивление проводника шириной b(мм) и толщиной tn (мкн) определятся выражением , где - удельное сопротивление проводника, мкОм/м; ln - длина проводника, мм. In=U/R Исходя из требования допустимого перегрева печатных проводников(800С) экспериментально для них установлена допустимая плотность тока ДОП (около 20 А/мм2 - для проводников, полученных электрохимическим методом и около 30 А/мм2 - для проводников, полученных методом химического травления). Исходя из этого допустимый ток в печатных проводниках IMAX=10-3 доп*b*tn Из формулы следует, что для стабильной работы печатных проводников должно соблюдаться неравенство : b103*I/(доп*tn), где I - ток, протекающий в печатном проводнике Падение напряжения в печатных проводниках U=ln/b*tn*I=10-3 **доп*ln Переменный ток в печатных проводниках В противоположность постоянному току распределение переменного тока в печатных проводниках происходит неравномерно. Это обусловлено наличием поверхностного зффекта, возникающего при протекании по проводнику высокочастотного переменного тока. При этом внутри проводника образуется магнитное поле, приводящее к возникновению индукционного тока, взаимодействующего с основным током. Вследствие этого происходит перераспределение тока по сечению проводника и в результате его плотность в периферийных областях сечения проводника возрастает, а ближе к центру- уменьшается. На очень больших частотах ток во внутренних слоях проводника практически равен нулю. Явление поверхностного эффекта может быть количественно охарактеризовано эффективной глубиной проникновения тока. Которая для немагнитных проводников определятся по формуле ; ,где f - частота, мГц, - коэффициент, зависящий от свойств токопроводящего материала и покрытия. При определении сопротивления печатного проводника переменному току, часто пользуются понятием удельного поверхностного сопротивления (сопротивления квадратной площадки проводника со стороной 1 см): , где Q - коэффициент, зависящий от типа проводника (медь, золото, серебро, алюминий и т.д.) На основании вышеизложенного сопротивление печатного проводника на высоких частотах Rf =103*S*ln/(b*tn) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ В ЭА По выполняемым функциям различают сигнальные ЛП, объединяющие входы и выходы элементов и модулей и предназначенные для передачи сиг­налов, и электропитания, осуществляющие подвод электрической энергии к элементам. В том и другом случае ЛП имеют обратный провод, называемый землей (линией нулевого потенциала, общим проводом), по которому проте­кают возвратные токи сигнальных линий и линий электропитания. В зависимости от конструктивных особенностей обратного провода ЛП подразделяют на: • симметричные, состоящие из двух одинаковых изолированных проводов; • несимметричные с одним общим проводом для многих ЛП; • коаксиальные, представляющие собой два разных по конструкции ци­линдрических проводника с совмещенными осями (обратный провод есть оплетка коаксиального кабеля). Выделяют неэкранированные и экранированные ЛП. Экраны последних обеспечивают защиту линий от воздействия электрических, магнитных и электромагнитных полей. Электрический сигнал передается по проводнику тока, которым является металлическая проволока (провод), пленочные и печатные проводники. В по­перечном сечении провода бывают круглыми или прямоугольными, пленочные и печатные проводники — только прямоугольными. Провода защищаются изолирующими диэлектрическими оболочками, либо оболочками и экранами. По волноводам и волоконно-оптическим ЛП передается электромагнитная энергия радиочастотного (волновод) и светового (световод) диапазонов. Все сигнальные линии связи разделяют на электрически длинные и электрически короткие, характер искажения сигналов в которых различен. Электрически короткой называют линию связи, время распространения в которой много меньше значения длительности переднего фронта импульса передаваемого сигнала. Для электрически короткой линии длина lк для гармонического сигнала определяется по выражению где λ, f — длина волны и частота сигнала; с — скорость света; ɛ — относитель­ная диэлектрическая проницаемость среды, окружающей линию передачи. При разложении импульсного сигнала в спектр в нем следует выделить гармонику наибольшей частоты и для нее определить длину короткой линии (верхний предел частоты ориентировочно можно найти по формуле f = 0,4/tф, где tф — минимальное значение фронта импульсного сигнала на уровне 0,1 и 0,9 амплитудного значения сигнала). Длинную или короткую ЛП можно установить из соотношения фронта передаваемого импульса tф и времени задержки прохождения сигнала по линии tз. Если имеет место неравенство tф / tз ≥ 2, то ЛП электрически ко­роткая, если же сохраняется соотношение tф / tз < 2, то — электрически длинная. Электрически длинные линии передачи Хотя параметры линии являются распределенными вдоль ее длины, на эквивалентной электрической схеме ЛП их аппроксимируют сосредоточен­ными, но на малом элементе (фрагменте) линии, где Rп, Lп, Cп —погонные (на единицу длины) сопротивление, индуктивность, емкость. Со­противление и индуктивность линии вводятся только в прямой провод, но с учетом сопротивления и индуктивности обратного провода. Важнейшей характеристикой электрически длинной ЛП является ее волновое сопротивление Z0, которое показывает, что электромагнитная вол­на, распространяющаяся вдоль линии, имеет отношение напряжение/ток, равное Z0. Приближенно волновое сопротивление можно определить по вы­ражению При передаче сигналов по длинным линиям важно согласовать сопротив­ление нагрузки с волновым сопротивлением линии. Отражение сигналов в длинных линиях. При передаче гармонических сигналов в несогласованной линии одновременно присутствует прямая волна, распространяющаяся от начала линии к ее концу, и обратная, передающаяся от конца линии к ее началу. Обратную волну рассматривают как результат отражения прямой и называют отраженной, а прямую — падающей. Отношение амплитуды напряжения отраженной волны U0 к амплитуде волны падающей Un определяется выражением где ρ0 — коэффициент отражения; R — сопротивление в начале или конце ЛП. Вывод: Электрически длинные линии должны быть согласованы для минимизации отраженного сигнала. Перекрестные помехи. Они обусловлены электрическим, магнитным и электромагнитным взаимодействием расположенных по соседству ЛП Требования микроминиатюризации и, следовательно, увеличения плотности упаковки проводников ставят перед конструктором важную зада­чу уменьшения помех до уровней, не влияющих на точную и надежную ра­боту аппаратуры. Помехи на входе U3 и выходе U4 пассивной линии передачи ЛП2 от па­раллельно расположенной активной ЛП1: где R1 , R3 и R2, R4 — соответственно выходные и входные сопротивления модулей; С, М — емкость и взаимная индуктивность между ЛП. При выводе этих уравнений принято условие слабой взаимосвязи между линиями, что предполагает одностороннее влияние активной линии на пас­сивную и исключает обратное влияние. Распределенные параметры взаимной индуктивности и емкости линий заменены сосредоточенными, сопротивления утечки между линиями и сопротивления проводов не учитываются. Свойство переключательных схем не реагировать на помехи и функцио­нировать при воздействии помех обеспечивается их помехоустойчивостью, которая определяется из передаточной характеристики. Статическая помехоустойчивость — максимальная амплитуда помехи для напряжения высокого U1пом и низкого U0пом уровней, определяется из урав­нений: где U1пор, U0пор — пороговые входные напряжения для логических уровней 1 и 0, при которых происходит переход в область неопределенного состояния логической схемы; U1, U0 — выходные напряжения логических уровней 1 и 0. Если вычисленное значение помехи превысит допустимую величину, то принимаются меры по уменьшению паразитных значений М и С. Снизить зна­чение паразитной емкости между ЛП можно уменьшением длины совместного параллельного расположения проводов на минимально возможном расстоянии друг от друга, увеличением зазора между ними, укладыванием проводов, пере­дающих различные по уровням сигналы, в отдельные жгуты, приближением ЛП к земле (земля выполняет функцию экрана), введением экранированных проводов, использованием коаксиальных кабелей. Например, заземление оп­летки коаксиального кабеля позволит целиком избавиться от емкостной помехи. Ослабить взаимную индуктивность можно за счет разнесения ЛП воз­можно дальше друг от друга, уменьшением площадей контуров, образуемых проводами, по которым протекают прямые и обратные токи ЛП, использо­ванием экранированных проводов, свитых пар, коаксиальных кабелей. Ошибки на шинах связанные с разной длиной проводников Высокоскоростные шины компьютера характеризуются высокими частотами сигналов. Пусть частота шины 133 МГц, для передачи неискаженной формы прямоугольного сигнала, при разложении в ряд Фурье нам требуются как минимум вторая и третья гармоники (для формы сигнала типа меандр), т.е. фактический передаваемый спектр сигнала будет 399 МГц, округлим – 400 МГц. Следует обратить внимание, что именно гармоники передают фронт/спад прямоугольного импульса. Если гармоники каким-либо образом фильтровать, то мы получим синусоидальный сигнал, вместо прямоугольного, что цифровыми схемами не будет корректно воспринято. Длина волны (без учета снижения скорости в диэлектрической среде): На концах проводника длиной  меняется сигнал на 360 градусов, /2 будет меняться значение сигнала гармоники на противоположный (180 градусов), в пределах /8 8 см форма прямоугольного сигнала будет изменена еще не существенно – (45 градусов для гармоники – это небольшое запаздывание фронта). Вывод: С повышением скорости передачи сигналов на шине, все более важным становится соотношение длины проводников. Например, для шины 2ГГц критичной разницей длины проводников будет 0,5см. Если длина проводников в одной шине будет разная, то для более длинных проводников фронт сигнала будет запаздывать относительно коротких проводников, т.е. задержка распространения будет несогласованной. Современные программы трассировки позволяют согласовывать длины проводников в ответственных шинах. Современные тенденции построения шин Параллельные шины передачи данных достаточно чувствительны к перекрестным помехам и рассогласованию задержки распространения сигнала по линиям. Сужение шины и вызывает уменьшение электромагнитной интерференции и позволяет увеличить скорость передачи. Рассмотрим на примерах. Пример 1 В шлейфах IDE 40pin задействованы почти все проводники Хотя проводники расположены «в ряд», перекрестные помехи не позволяли повысить скорость передачи данных. Были разработаны IDE 80pin кабели, в которых сигнальные и заземляющий провод чередовались, что позволило увеличить скорость передачи данных в два раза. Пример 2 Память RamBus : Direct RDRAM - система с длинным каналом В данной памяти разработчики перешли от одной широкой шины к четырем узким каналам. Канал Rambus — узкая шина, в ней предусмотрены шестнадцать линий для передачи данных (плюс еще две линии для ECC) всего с шиной адреса - тридцать линий. С обратной стороны канал Rambus терминируется серией сопротивлений. Данные считываются из банков по широкой внутренней шине, а передаются по узкой внешней, необходимы высокочастотные мультиплексоры и демультиплексоры в чипах памяти и контроллере (чипе мат. платы), на лету «упаковывающие» данные в высокочастотный канал и выполняющие обратные операции. То же самое с адресами — они преобразуются в пакеты, которые демультиплексируются и декодируются специальными схемами внутри чипов DRDRAM. Канал синхронизируется с частотой от 267 до 533 МГц; за один такт происходит передача двух бит данных. Высокочастотная интерфейсная логика в микросхемах памяти и чипсете рассеивает большую мощность, поэтому каждый RIMM с самого начала снабжался металлическим радиатором. Необходимость установки терминаторов указывает на то, что линии связи являются электрически длинными. Пример 3 Память DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) – синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной частотой передачи данных В этом типе оперативной памяти обмен данными по внешней шине идет не только по фронту тактового импульса, но и по спаду. В результате, без увеличения тактовой частоты внешней шины удваивается объем передаваемой информации. Стандарт Частота внутренней шины, МГц Частота внешней шины, МГц Количество транзакций в секунду, МТр Теоретическая пропускная способность, Мб/с DDR400 200 200 400 3200 DDR2-800 200 400 800 7100 DDR3-1600 200 800 1600 12800 Пример 4 Последовательные шины SATA, PCI-E, USB Для подключения устройства PCI Express используется двунаправленное последовательное соединение типа точка-точка, называемое линией (англ. lane — полоса, ряд). Соединение между двумя устройствами PCI Express состоит из одной (x1) или нескольких (x2, x4, x8, x12, x16 и x32) двунаправленных последовательных линий. Каждое устройство должно поддерживать соединение по крайней мере с одной линией (x1). На электрическом уровне каждое соединение использует низковольтную дифференциальную передачу сигнала (LVDS), приём и передача информации производится каждым устройством PCI Express по отдельным двум проводникам, таким образом, в простейшем случае, устройство подключается к коммутатору PCI Express всего лишь четырьмя проводниками. PCI Express пересылает всю управляющую информацию, включая прерывания, через те же линии, что используются для передачи данных. Битрейт в PCIe 1.0 составляет 2,5 Гбит/с. Для расчёта пропускной способности шины необходимо учесть дуплексность и избыточность 8b/10b (8 бит в десяти). Например, дуплексная пропускная способность соединения x1 составляет: 2,5 Гбит/с. · 2 · 0,8 = 4 Гбит/с 0,8 — учёт избыточности 8b/10b для 1.0 и 2.0; 0,985 — 128b/130b для 3.0; Связей x1 x2 x4 x8 x12 x16 x32 PCIe 1.0 2/4 4/8 8/16 16/32 24/48 32/64 64/128 PCIe 2.0 4/8 8/16 16/32 32/64 48/96 64/128 128/256 PCIe 3.0 8/16 16/32 32/64 64/128 96/192 128/256 256/512 PCIe 4.0 (предварительно) 16/32 32/64 64/128 128/256 192/384 256/512 512/1024 Интерфейс SATA имеет два канала передачи данных, от контроллера к устройству и от устройства к контроллеру. Для передачи сигнала используется технология дифференциальную передачу сигнала LVDS, провода каждой пары являются экранированными витыми парами. Контакт # Назначение 1 GND 2 A+ (Передача данных) 3 A− (Передача данных) 4 GND 5 B− (Прием данных) 6 B+ (Прием данных) 7 GND Интерфейс USB. Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводной кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Вывод: Дифференциальная передача сигналов обладает рядом преимуществ: 1. Так как регистрируется разница напряжений на двух проводниках и проводники скручены, наводки в линии связи примерно одинаковы для двух проводов и разница двух одинаковых сигналов равна нулю (х-х = 0). 2. Хотя провода 2, но канал связи один. Для одного канала не может быть перекрестных помех (так как ни с кем не перекрещиваемся – любая помеха является внешней) или разности в прохождении сигнала (электрический ток движется только по двум приводам – по одному проводу ток течь не может, а, значит, не может сигнал прийти по одному проводу раньше другого). Помехи по цепям питания Электрический ток может течь только по замкнутому контуру – требуется 2 провода. Хотя цифровые схемы соединяются одним проводом, вторым проводом является общий провод – «земля». На общем проводе суммируется ток, протекающий во всех сигнальных проводниках. То так как любой проводник обладает конечным сопротивлением, на нем возникает падение напряжения – фактически электрическая помеха. Полностью устранить помеху по общему проводу можно, если во всей схеме использовать дифференциальные сигналы. Такие линии связи не нуждаются в общем проводе. Хотя шины PCI-E являются таковыми, но в большинстве схем используются не дифференциальные сигналы в которых на общем проводе присутствует помеха. Особенно выражена эта проблема, если совмещать общие провода разных типов: цифровые сигнальные, аналоговые, цепи питания. Высокочастотные помехи в цепях питания обуславливаются главным обpазом: • кpатковpеменными возpастаниями ("бpосками") токов потpебления ИС пpи пеpеключении последних из одного логического состояния в дpугое; • динамическими токами пеpезаpяда паpазитных емкостей сигнальных линий связи (собственных емкостей сигнальных пpоводников относительно шины "земля"). Эти относительно большие по значению и коpоткие по длительности токи (иногда сотни миллиампеp за единицы наносекунд), пpотекая по шине "земля" цепи питания, вызывают на общих шинах "земля" импульсные падения напpяжения. Последние, пpиложенные ко входу ИМС, действуют как импульсные помехи. В советской технике бытовала идея пpименения конденсатоpов pазвязки для уменьшения импульсных помех в цепях питания. Для каждого корпуса микросхемы устанавливался конденсатоp с малой собственной индуктивностью (как пpавило, кеpамические С). Эти конденсатоpы в пpомежутках между пеpеключениями МС заpяжаются до номинального уpовня напpяжения источника питания, а во вpемя пеpеключения ИС pазpяжаются на небольшое значение напpяжения, отдавая ток пеpезаpяда пеpеключаемой МС. Аналогичной эффект наблюдается в «заливке» проводниками цепей питания на разных слоях платы – фактический конденсатор с диэлектриком в виде материала печатной платы. В книге «Искусство схемотехники» Том2, Авторы Хоровиц, Хилл, настоятельно не рекомендуют использовать конденсаторы развязки. Дело в том, что МС, особенно КМОП (не ТТЛ логики), потребляют ток исключительно в момент переключения, между переключениями потребляемый ток почти нулевой и шины питания ничем не нагружены. Высокодобротные конденсаторы развязки (а именно такие стараются применять для лучшей фильтрации) вместе с проводниками цепей питания образуют высококачественный высокочастотный LC колебательный контур с медленно затухающими колебаниями. Такие колебания не определяются приборами (осциллограф), так как измерительный прибор вносит нагрузку в контур и дополнительную емкость. Рекомендации: Питание каждому элементу подводить индивидуальной парой проводников. При таком соединении помехи от разных потребителей не накапливаются. В схеме в проводниках между Потребитель1 и Потребитель2 будет накапливаться помеха вызванная потребляемым током Потребителей3 и 4. При данной схеме подключения питания, помеха от потребителя присутствует во всех проводниках до источника питания. Поэтому рекомендуется наиболее мощные потребители располагать как можно ближе по цепочке к источнику питания. Тепловой режим РЭА Настоящее и будущее микроэлектронной аппаратуры связано с использованием больших мощностей при сравнительно малых объемах. Это приводит к резкому увеличению плотности мощности рассеивания, а, следовательно, и плотности рассеиваемой теплоты. Если для ламповой и полупроводниковой аппаратуры значение плотности мощности рассеяния составляет 0,03-0,5 Вт/см2 то для современной аппаратуры оно равно 0,6 –6,0 Вт/см2 . Поэтому при конструировании микроэлектронной аппаратуры особое значение приобретает разработка методов отвода теплоты регулирования и контроля температуры. Рис. 4.55 Температурное поле блока аппаратуры Тепловой режим блока электронной вычислительной аппаратуры характеризуется совокупностью температур отдельных его точек - температурным полем (рис. 4.55). Если температура в любой из точек блока не выходит за допускаемые пределы, то такой тепловой режим называется нормальным. Для описания всех трех видов теплообмена можно использовать следующее соотношение: Ф=St где Ф- тепловой поток, Вт; - коэффициент теплоотдачи Вт/(м2*К); S- площадь поверхности теплообмена , м2; t-перепад температур между двумя изотермическими поверхностями в теле или между двумя телами ,К. Перенос теплоты от нагретого тела к холодному (или к окружающей среде) происходит за счет теплопроводности конвекции и теплового излучения. • Теплопроводность – процесс обмена тепловой энергией между находящи­мися в соприкосновении телами или частями тел обусловленный взаимо­дейст­вием молекул и атомов этих тел. • Конвекция- перенос энергии микрочастицами газа или жидкости. • Перенос теплоты излучением происходит за счет превращения тепловой энергии в энергию излучения (лучистая энергия). В реальных условиях теплообмен осуществляется одновременно двумя или тремя видами, что делает практически невозможным точный расчет температурного поля. Поэтому на практике расчет производиться, как правило , для одного наиболее эффективного вида теплообмена, не принимая во внимание все другие. Техническая реализация системы охлаждения микроэлектронной вычислительной аппаратуры может быть осуществлена по одному из способов приведенных на рис. 4.56. Способы охлаждения могут быть охарактеризованы коэффициентом теплоотдачи Вт/(м2*град), значения которого для различных систем охлаждения приведены в табл. 4.4. Рис. 4.56. Способы охлаждения микроэлектронной аппаратуры: а — охлаждение теплопроводностью; б — естественное воздушное в герметизи­рованном корпусе; в—естественное в негерметизированном корпусе; г, д — принудительное воздушное в герметизированном и негерметизированном кор­пусе; е — естественное жидкостное; ж — принудительное жидкостное; з — испа­рительное; и— излучением; к— основанное на эффекте Пельтье; /—стенка прибора; 2 — интегральная схема; 3 — теплоотвод; 4— печатная плата Передача теплоты теплопроводностью. Процесс передачи теплоты теплопроводностью объясняется обменом кинетиче­ской энергией между молекулами вещества и диффузией электронов. Оба эти явления имеют место в тех случаях, когда температура вещества в различных точках различна Таблица 4.4 Система охлаждения Коэффициент теплоотдачи К, Вт/(м2*°С) Естественная, воздушная, излучением 2-10 Принудительная воздушная 10-150 Естественная жидкостная 200-600 Принудительная жидкостная 300-3000 Испарительная 500-120000 или когда контактируют два тела с различной степенью нагрева. Основной закон теплопроводности (закон Фурье), утверждает, что количество теплоты, проходящей через гомогенное поверхность в единицу времени, прямо пропорционально площади поперечного сечения, нормальной к потоку теплоты и температурному градиенту вдоль потока, аналитически выглядит следующим образом: Ф=dQ/d=- S(dt/dx), (4.6) де Ф —тепловой поток, Вт; Q— количество теплоты, Дж;  - время , с; S— площадь, м2; t— температура. К;  - константа, характеризующая теплопроводность материала, Вт/(м*К); х— линейная координата, м. Для случая передачи теплоты через плоскую стенку тол­щиной b количество теплоты, передаваемой за единицу времени через участок стенки площадью S, на основании равно Q=(/b)S(tст1-tст2)=SФ (4.7) где tст1, tст2 -постоянные во времени температуры поверх­ностей стенки, К или °С. Если сравнить уравнение (4.7) с уравнением закона Ома для электрических цепей, то нетрудно убедиться в их полной аналогии. Так, количество теплоты в единицу времени Q соответствует значению тока /, температурный градиент—разности потенциалов U. Отношение b/(S) называют термическим или тепловым сопротивлением и обозначают через Rсw. Рис.(4.57, б): Rс= b/(S) Значение Rс соответствует сопротивлению R в уравнении кона Ома, а величина, обратная коэффициенту теплопроводности, т. е. удельное термическое сопротивление Е, — удельному сопротивлению в электротехнике: 1/= Rс (S/b). Рассмотренная аналогия между протеканием теплового потока электрического тока не только позволяет отметить общность физических процессов, происходящих в телах, но и облегчает проведение расчета теплопроводности в сложных конструк­циях. Это достигается моделированием тепловых цепей электрическими. Естественное и воздушное принудительное охлаждение. Принцип охлаждения естественной конвекцией основан на том, что слои воздуха (или другой среды), нагреваясь от выделяющего теплоту корпуса и обладая вследствие этого меньшей плотностью и большей кинетической энергией, пере­мещаются вверх и замещаются более холодными слоями. Чем больше объем замещаемого воздуха, тем лучше тепло­обмен. Эффективность теплообмена естественной конвекцией зависит от места расположения элементов в объеме машин. Так, при вертикальном расположении ячеек с микросхемами воздушному потоку ничего не препятствует, и теплые слои воздуха быстро заменяются холодными. При горизонтальном расположении плат ячеек смена слоев воздуха затруднена, вследствие чего нагрев элементов происходит в большей сте­пени. В худшем положении будут элементы, находящиеся в верхней части корпуса машины, так как здесь замещения теплых слоев холодными практически не происходит и их охлаждение осуществляется только за счет теплоотдачи через холодную крышку. В общем, виде для случая естественной конвекции тепловой поток может быть рассчитан по выражению Ф = f (Nu, Cr, Рг, Re, Pe, Fo, Bi)St где S— площадь поверхности аппарата, м2; t - разность темпе­ратур, К; Nu, Gr, Рг, Re, Ре, Fo, Bi — соответственно критерии Нуссельта, Грасгофа, Прандтля, Рейнольдса, Пекле, Фурье и Био, определяемые по выражениям Nu=ak l/c ; Gr= gl3t/2; Pг =G/c; Re = vl / ; Pe = vl /a; Fo = at /l2;Bi=akl/T При этом ак —коэффициент теплообмена при конвекции газа (жидкости), Вт/(м2-К); L—длина, м; c —коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м • К); g—ускорение центра масс, м/с2; Р —коэффициент объемного расширения среды, 1/К;  —коэффициент кинематической вязкости, м2/с; G— поток газа (жидкости) массовый, кг/с; объемный, м3/с; —плотность газа (жидкости), кг/м3; v—скорость движения газа (жидкости), участвующего в конвекционном обмене, м/с; а- коэффициент температуропроводности газа (жидкости), м2/с; t— время, с; T —коэффициент теплопроводности тела, Вт/(м•К). Примечание. Физический смысл перечисленных выше критериев следующий: Nu характеризует соотношение интенсивности конвективного теплообмена и теплопроводности в простеночном слое газообразной или жидкой среды; Gr — соотношение подъемной и вязкой сил при свободной конвекции в потоке газа (жидкости); Рг — физические свойства среды; Re — соотношение сил инерции и трения в потоке теплоносителя; Ре — отношение конвективного и молекулярного переноса теплоты в потоке среды; Fo - cкорость изменения температурного поля тел во времени; Bi—связь между icm температур твердого тела и условиями теплообмена на его поверхности. Связь между критериями выражается степенным критериальным уравнением. Nu=cCrmPrnRelPepF0qBiskдоп где с, т, п, I, р, q, s - числовые безразмерные величины, соответствующие Определенному виду и режиму движения среды и некоторому диапазону изменения определяющих параметров; kдon - коэффициент, учитывающий влияние дополнительных факторов. Термин критериальные уравнения означает, что на первом этапе рассчитывают значения критерияев. На основе критериев определяют методику расчетов (набор формул). Таких методик достаточно много и в этом направлении продолжаются исследования. Радиаторы Радиаторы в РЭА – это устройства, применяемые для охлаждения точечных источников тепла путем рассеивания в окружающую газовую (воздух) или жидкостную среду. Различают игольчатые и пластинчатые радиаторы: Возможен принудительный обдув вентилятора. Преимущества и недостатки типов радиаторов: Пластинчатые радиаторы направлены по воздушному потоку. Перпендикулярно потоку радиатор будет работать неэффективно. Игольчатые радиаторы не нуждаются в ориентации потока, и, при равной массе, имеют немного большую площадь рассеивания, чем пластинчатые (разница не значительная). Главное преимущество пластинчатого радиатора – технологичность изготовления. Например: Можно очень плотно запрессовать пластины на тепловую трубку и достичь огромной площади рассеивания. Однако такие радиаторы чувствительны к загрязнению пылью. Параметры радиаторов: 1. Тепловое сопротивление радиатора  градус/Ватт. Тепловое сопротивление зависит от многих факторов (материала радиатора, ориентации радиатора, наличия вентилятора и т.д.), но основной фактор – площадь рассеивания радиатора Эффективная площадь рассеивания – это пересчитанная эффективность радиатора к некоторой условной площади радиатора. Для небольших рассеиваемых мощностей (до 10 Ватт) в нормальных условия (например, бытовая техника) используют приближенную формулу: где  – C0/Вт, S – см2 2. Вес и габариты радиатора 3. Создаваемый вентилятором радиатора шум. Компоновка ТЭЗ (размещение элементов на печатной плате) Процесс перехода от электрической схемы к конструктивному распределению (разбиению) всех элементов на группы, соответствующие конструктивам различных уровней, т. е. процесс преобразования функционального описания аппаратуры в конструктивное, называется компоновкой. В зависимости от целей и условий компоновки можно выделить три постановки задачи: • типизация — разбиение схемы на конструктивные элементы (или топологические компоненты в ИМС) различных типов и определение минимальной номенклатуры их; • покрытие — преобразование исходной схемы в схему соединений элементов (модулей), номенклатура которых задана (возможно одновременное решение задачи введения поэлементного резервирования на заданную глубину); • разрезание — разбиение исходной схемы на части (микросборки, ТЭЗы, узлы и т. п.), типы которых либо заданы, либо должны быть определены в процессе решения), с минимизацией числа связей между ними. Задача компоновки заключается в нахождении оптимального по одному или нескольким критериям размещения элементов и связей между ними в монтажном пространстве типовой конструкции с учетом заданных конструктивно-технологических ограничений. Исходными данными являются: принципиальная схема, метрические параметры и топологические особенности печатной платы. Критерии компоновки: • суммарная длина линий связей между элементами; • число используемых элементов во всех модулях скомпонованной схемы; • суммарная площадь, занимаемая элементами и соединениями; • электромагнитная совместимость элементов в модуле; • прочность печатной платы; • параметры теплообмена между элементами в узле. В литературе можно найти множество разных подходов к решению задачи, но следует отметить: 1. Комбинаторный перебор всех вариантов размещения элементов на печатной плате не реализуем, так как имеет факториальную сложность. Используются эвристические алгоритмы. 2. При небольшом количестве элементов (до нескольких десятков) можно и лучше компоновать без средств автоматизации – получится быстрее и качественнее. 3. При большом количестве элементов используют различные эвристические методы. Рассмотрим один из них. Последовательные алгоритмы компоновки Модули делятся на группы: 1. Элементы, установка которых возможна только в определенных местах на печатной плате (разъемы, индикаторы, ограничения на габариты и т.п.) 2. По функционально-конструктивному признаку (подсистема памяти, ввода-вывода и т.п.) Сначала размещают элементы с фиксированным положением. Затем ранжируют группы по зонам на печатной плате. Та группа, которая набирает наибольший вес устанавливается первой. Внутри каждой группы рассчитывают свой ранг элементов по отношению к метам на печатной плате. Размещают первым элемент, набравший наибольший вес. Затем в итерации: • Рассчитывают вес (например, количество связей) между неустановленными и установленными элементами. • Тот элемент, который имеет наибольшее отношение веса с установленными по отношению к установленным размещают • Итерацию повторяют для всех элементов группы Итерацию повторяют для всех групп. ТРАССИРОВКА ТЭЗ При трассировке строят множество соединений на плоскостях печатной платы, соединяющие элементы согласно принципиальной схемы. Различают: 1. Волновые алгоритмы (автор Ли). 2. Лучевые алгоритмы (они же Ортогональные, Channel router). 3. Трассировка по магистралям 4. Прочие. Волновые алгоритмы Множество всех ячеек ПП разбивается на подмножества: • «проходимые» (свободные), т. е при поиске пути их можно проходить, • «непроходимые» (препятствия), путь через эту ячейку запрещён, • стартовая ячейка (источник) и • финишная (приемник). Работа алгоритма включает в себя три этапа: инициализацию, распространение волны и восстановление пути. Во время инициализации строится образ множества ячеек обрабатываемого поля, каждой ячейке приписываютя атрибуты проходимости/непроходимости, запоминаются стартовая и финишная ячейки. Соседние ячейки принято классифицировать двояко: в смысле окрестности Мура и окрестности фон Неймана, отличающийся тем, что в окрестности фон Неймана соседними ячейками считаются только 4 ячейки по вертикали и горизонтали, в окрестности Мура - все 8 ячеек, включая диагональные. Распространение волны. Далее, от стартовой ячейки порождается шаг (волна) в соседнюю ячейку, при этом проверяется, проходима ли она, и не занятая ли она. При выполнении условий проходимости и непринадлежности её к ранее помеченным в пути ячейкам, в атрибут ячейки записывается число, равное количеству шагов от стартовой ячейки (номер волны), от стартовой ячейки на первом шаге это будет 1. Каждая ячейка, меченая числом шагов от стартовой ячейки становится стартовой и из неё порождаются очередные шаги в соседние ячейки (следующая волна). Восстановление кратчайшего пути происходит в обратном направлении: при выборе ячейки от финишной ячейки к стартовой на каждом шаге выбирается ячейка, имеющая атрибут расстояния от стартовой на единицу меньше текущей ячейки (номером меньше). Лучевые алгоритмы (Метод поиска по отрезкам прямых и метод ограниченного поиска) использую принцип пересечение лучей (перпендикулярно, т.е. ортогонально): Будем считать, что области, отведенные под межсоединения (допустимые места прокладки маршрутов), определяются отрезками горизонтальных и вертикальных прямых, являющихся одновременно границами запретных областей. Выберем точки А и В в качестве исходных. Через точку А проведем горизонтали и вертикали, до их пересечения с границами ПП или запретных областей. Эти линии называются отрезками уровня 0. Одновременно два отрезка уровня 0 проведем через точку В. Затем из прямых, ортогональных указанным отрезкам, отбираем те, которые, минуя запретные зоны, проходят через более широкую область, чем определяемая первоначальными границами. Эту новую группу отрезков прямых назовем отрезками уровня 1. Данную операцию многократно повторяем и со стороны А, и со стороны В, и определяем маршрут по точкам пересечения двух групп отрезков. В примере, показанном на рисунке выше, вертикальный отрезок уровня 1, порождающей исходной точкой для которого является А, и горизонтальный отрезок уровня 1, исходной точкой для которого является точка В, пересекаются в точке Q, т. е. в итоге получается маршрут APQRB. Поскольку, отрезки, формируемые на уровне 1, минуют запретные области, в границы которых ранее упирались отрезки с уровнем 0, их можно использовать как элементы маршрута. Если найти таким образом все возможные отрезки, которые могут претендовать на эту роль, и тщательно проверить все возможности, продолжая поиск до тех пор, пока не будет получена уверенность в том, что других таких отрезков быть не может, это будет означать, что в принципе маршрут существует и, следовательно, его можно выявить. Модули второго уровня (блоки) Блоки могут быть элементом верхнего уровня (стойки) или законченным изделием. Различают блоки с рамной и безрамной конструкцией. В безрамной конструкции геометрия корпуса (смотри ранее) обеспечивают необходимую прочность. В рамной конструкции имеется несущий каркас. Пакет плат книжной конструкции. Внутри блочные соединения могут быть выполнены объемным монтажом или гибким печатным кабелем. Используется в разных конструкциях, например, сотовый телефон. Книжная конструкция «Створчатая» конструкция блока схематически представленная на рис.2.5. обладает всеми достоинствами «книжной». В ней ячейки 1 устанавливают на 3-х коммутационных платах 2, соединенных шарниром между собой. После настройки каждой из «створок» они «закрываются», образуя блок с высокой плотностью компоновки элементов. При необходимости, блок может принимать любую форму: Модули третьего уровня (шкаф, стойка) Шкаф может содержать одну или две стойки, доступ которым с противополжных сторон шкафа. Модули 3 уровня обеспечивают: 1. Пожарную безопасность 2. Защиту от пыли 3. Защиту от электромагнитных помех как снаружи, так и изнутри 4. Конструктивную прочность 5. Электробезопасность, так как шкаф заземлен. 6. Упорядочение коммутаций в виде панелей (патч-панелей) 7. Снижение шума 8. Элементы систем охлаждения Основные параметры и характеристики надежности ЭВМ и систем Надежность ЭВМ - свойство выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в допустимых пределах в течение требуемого промежутка времени, и возможность возобновления функционирования, утраченного по тем или иным причинам. В любой момент времени ЭВМ может находиться в исправном или неисправном состоянии . Однако не каждая неисправность приводит к невыполнению ЭВМ заданных функций в отношении основных параметров. Например, образование вмятин на корпусе, выход из строя лампочек подсветок не могут препятствовать эксплуатации ЭВМ. Поэтому для оценки надежности системы введены понятия работоспособность и отказ. Работоспособность - состояние ЭВМ, при котором она в данный момент времени соответствует всем требованиям в отношении основных параметров, характеризующих нормальное протекание вычислительных процессов. Отказ - событие, состоящее в полной или частичной утрате работоспособности системы. Т.к. не всякая неисправность приводит к отказу, то на практике различают неисправности основные и второстепенные . Основные неисправности приводят к отказу. Второстепенные неисправности не приводят к отказу, однако создают неудобства при эксплуатации. Возникновение отказа во времени - случайное событие, что позволяет для оценки надежности ЭВМ использовать методы теории вероятности и мат. статистики. Чтобы определить влияние на характеристики ЭВМ отказов различного типа, целесообразно произвести их классификацию: 1. По характеру изменения параметров до момента возникновения отказы делят на внезапные и постепенные. Внезапные отказы возникают в результате мгновенного изменения одного или нескольких параметров элементов, из которых построена ЭВМ. Устранение внезапного отказа производят путем замены отказавшего элемента. Постепенные отказы возникают в результате постепенного изменения параметров элемента до тех пор, пока значение одного из параметров не выйдет за некоторые пределы, определяющие нормальную работу элементов. Устранение постепенного отказа связано либо с заменой, ремонтом, регулировкой параметров отказавшего элемента, либо с компенсацией за счет изменения параметров других элементов. 2. По характеру устранения отказы делят на устойчивые и самоустраняющиеся. Для устранения устойчивых отказов необходимо отрегулировать или заменить отказавший элемент. Самоустраняющиеся отказы исчезают без вмешательства техника и проявляются в форме сбоя или перемежающегося отказа. Сбой - однократно возникающий, самоустраняющийся отказ. Если несколько сбоев следуют друг за другом то имеет место перемежающийся отказ. Появление сбоев обуславливается внешними и внутренними факторами. К внешним факторам относятся колебания напряжения питания, вибрации, температурные колебания. Специальными мерами (стабилизация, амортизация и термостатирование) влияние этих факторов может быть значительно ослаблено. К внутренним факторам относятся флуктуационные колебания параметров элементов, не синхронность работы отдельных устройств, внутренние шумы и наводки. Если в ЭВМ возникают сразу несколько отказов то по их взаимосвязи различают независимые отказы (возникновение их не связано с предшествующими отказами) и зависимые (появление их вызвано отказом в предыдущий момент времени). 3. По внешним проявлениям отказы делят на явные и неявные. Явные отказы обнаруживаются при внешнем осмотре, а неявные отказы - специальными методами контроля. Введенное понятие «отказ» позволяет рассмотреть основные эксплуатационные свойства ЭВМ: безотказность, ремонтоспособность, долговечность, сохраняемость. Безотказность - свойство ЭВМ непрерывно сохранять работоспособность в заданных режимах и условиях эксплуатации без вынужденных простоев. Это свойство характеризует функционирование системы до первого отказа и используется при оценке надежности ЭВМ одноразового применения. Ремонтоспособность - свойство ЭВМ, заключающееся в приспособлении к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического осмотра и ремонтов. Долговечность - свойство ЭВМ сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Сохраняемость - свойство изделия сохранять эксплуатационные показатели в течении заданного срока хранения и после него. Это свойство характеризует надежность ЭВМ в режиме хранения. Надежность как сочетание свойств безотказности, ремонтоспособности, долговечности и сохраняемости и сами эти свойства количественно характеризуются различными функциями и числовыми параметрами. Правильный выбор количественных показателей надежности ЭВМ позволяет объективно сравнивать технические характеристики различных вычислительных систем как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации.