ЭВМ

Введение


Человеческое общество характеризуется как непрерывным ростом своих потребностей, так и использованием для их удовлетворения орудий производства – изделий, под которыми обычно понимаются машины, оборудование, устройства и т.п. Рост потребностей обусловливает производство всё новых изделий, определяющих связь человека с человеком и с окружающей средой, в том числе и таких изделий, как ЭВМ. В свою очередь изделия также прямо или косвенно влияют на жизнь человека. Модель удовлетворения общественной потребности в изделиях можно представить в виде спирали, где каждый виток развития включает определённую последовательность действий общества (рис. 1).

Формальное описание потребности составляет основу проектирования как устройства изделия, так и описания его функционирования. Под проектированием обычно понимается разработка основных показателей того конечного изделия, для которого оно проводится, и путей их практической реализации. В результате проектирования реализуется конструкция (от лат. constructio – построение) – искусственно создаваемая человеком совокупность физических тел и веществ, имеющая законченные формы, характеризующаяся определёнными параметрами и предназначенная для выполнения необходимых функций в заданных условиях.

Понятие «конструкция» всегда связывалось с активной деятельностью человека. Целесообразно говорить о конструкции, например, ЭВМ, но не говорят, скажем, о конструкции камня.

Конструкция изделия определяется его свойствами и параметрами. Основные свойства и параметры конструкции зависят от взаимосвязей составных частей изделия, а также от связей изделия с окружающей средой и человеком. Свойства и параметры конструкции постоянно изменяются и определяют существенные воздействия на конструкцию.

Запись конструкции (по сути конструкторская часть проектирования, или конструирование) с установлением размеров, видов, форм, обработок и некоторых других параметров осуществляется с помощью технических чертежей, фотографий, макетов или в машинной форме с использованием ЭВМ, т.е. в конструкторской документации. Независимо от вида записи конструкция, переданная для изготовления на производство, характеризует свойства, структуру и состав будущего изделия.

ГОСТ 2.101 – 68 определяет изделие как любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии. Он также устанавливает следующие виды изделий:

  1. деталь – изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций;

  2. сборочная единица – изделие, составные части, которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе сборочными операциями;

  3. комплекс – два и более изделия (состоящие в свою очередь из двух и более частей), не соединённых на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций;

  4. комплект - два и более изделия, не соединённые между собой на предприятии-изготовителе сборочными операциями и представляющих собой набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера.

Знание видов изделий необходимо для правильного оформления конструкторской документации на них и разработки технологии производства

Под технологией (от греч. technё – искусство, мастерство, умение и logos – учение, наука, т.е. наука о мастерстве) понимают совокупность производственных процессов и документов при изготовлении изделия, а также научные описания способов производства. Технология производства изделий базируется на способах изменения формы, размеров, физико-химических свойств, структуры и состава исходных материалов и полуфабрикатов. При выполнении определённого ряда технологических обработок из исходных материалов получают готовые изделия.

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

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

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

Таким образом, этапы «рождения», «жизни» и «смерти» изделия взаимосвязаны (см. рис. 1) и решение задач по их оптимальному проектированию и производству должно осуществляться комплексно на основе учёта этих этапов. Необходимо целостное всестороннее рассмотрение всех вопросов проектирования и производства изделий с учётом их развития на других этапах в процессе взаимодействия с окружающей средой и человеческим обществом. Такой подход к проектированию и производству называется системным.

1 Определение ЭВМ как объекта конструирования


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

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

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

Известно, что для выполнения автоматизированной обработки данных в состав ЭВМ включают ряд центральных и периферийных устройств, каждое из которых выполняет вполне законченные функции, т.е. является функционально законченной частью технического средства (рис. 2).

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

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

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

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

Указанные выше обстоятельства требуют введения новых дополнительных понятий.

Различие функций и специфичность подключения центральных и периферийных устройств в вычислительной системе позволяют выделить внутри неё функциональные подсистемы (части). Так, центральную вычислительной системы ГОСТ 15971 – 84 определяет как часть технических средств, в состав которых входят объединённые единым управлением центральные процессоры, основная память и каналы. Центральная часть должна содержать, по крайней мере, один центральный процессор, но может содержать более одного. В последнем случае она называется мультипроцессорной.

В зависимости от количества центральных частей по ГОСТ 15971 – 84 различают вычислительные машины и вычислительные комплексы. При этом ГОСТ электронно-вычислительную машину как часть цифровой вычислительной системы (представляющую её технические средства), включающую одну центральную часть и предназначенную для обработки данных под управлением программы, находящейся в памяти. Вычислительный комплекс – это совокупность технических средств вычислительной системы, имеющая не менее двух центральных частей. Иногда вычислительный комплекс рассматривают как объединение нескольких ЭВМ.

2 Структура конструкций и поколения ЭВМ


Конструкцию ЭВМ можно представить в общем случае как изделие, представляющее собой систему различных по природе деталей с разными физическими свойствами и формами, определёнными образом объединённых между собой механически и электрически, способную выполнять определённые функции с необходимой точностью и надёжностью в условиях внешних воздействий.

Детали, входящие в конструкцию ЭВМ либо в конструкции её основных частей, можно условно разделить на две основные группы. Различающиеся по функциональному назначению.

Первую группу деталей образуют электрорадиоизделия; набор последних можно считать элементной базой ЭВМ. Именно эти электрорадиоизделия в конструкции ЭВМ соединяются электрически в соответствии с принципиальной схемой и выполняют необходимые полезные функции преобразования сигналов.

Вторая группа деталей, входящих в конструкцию, имеет в некотором смысле второстепенное значение. Она предназначена в основном для обеспечения работоспособности электрорадиоизделий: механического закрепления, защиты от внешних дестабилизирующих воздействий, отвода теплоты и т.д. Эту группу деталей, соединённых между собой механически и выполняющих, как правило, вспомогательные функции, можно считать конструктивной базой.

Следует, однако, указать, что некоторые детали и состоящие из них изделия зачастую выполняют одновременно как основные, так и вспомогательные функции. К таким изделиям можно отнести, например, печатные платы, разъёмные соединители и т.д. Кроме того, в составе электрорадиоизделий обычно всегда имеются детали, выполняющие типичные функции конструктивных элементов, например: основания и крышки корпусов интегральных микросхем (ИМС), микроплаты для закрепления бескорпусных кристаллов ИМС и др.

Относительная условность деления изделий (сборочных единиц, деталей) по принадлежности к элементной либо к конструктивной базе приводит к отсутствию четкого критерия, по которому те либо иные первичные конструкции ЭВМ могут быть отнесены к конкретной группе. В ряде случаев в основу такого деления может быть положен организационно – производственный принцип сборки конструкции. По этому принципу комплектующие электрорадиоизделия, включаемые в перечень элементов электрической принципиальной схеме, могут быть отнесены к элементной базе.

Элементную базу подразделяют на группы изделий:

  • ИМС различной степени интеграции и микросборки;

  • полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды и др.);

  • электровакуумные изделия (электронно-лучевые трубки, электрические сигнальные лампы, табло и т.д.);

  • электрорадиоэлементы (ЭРЭ) (дискретные резисторы, конденсаторы), намоточные изделия (трансформаторы, дроссели, электромагнитные линии задержки и др.)и т.п.;

  • изделия электропривода и автоматики (датчики, реле и др.);

  • контрольно-измерительные приборы;

  • коммутационные изделия (соединители, переключатели и т.д.).

Оставшаяся совокупность механических деталей конструкции, обеспечивающих механическую прочность, защиту от дестабилизирующих внешних воздействий, внешнее оформление и внутреннюю компоновку, а также механическое управление ЭВМ, может быть отнесена к конструктивной базе.

Основу конструктивной базы составляют несущие конструкции и отдельные монтажные детали. Несущие конструкции предназначены для механического закрепления, защиты от внешних воздействий и обеспечения доступа к электрорадиоизделиям при изготовлении и эксплуатации ЭВМ. К их числу можно отнести платы, панели, рамы, стойки, каркасы и т.д. К конструктивной базе относят также различные исполнительные механизмы, предназначенные для механического перемещения носителей информации, нанесения информации на носители и др. Такие механизмы обычно используются в конструкциях периферийных устройств ЭВМ.

Широкое внедрение ЭВМ в различные области народного хозяйства и науки вызывает необходимость постоянного развития и совершенствования как их программных, так и технических средств.

В развитии вычислительной техники с момента её зарождения принято условно выделять несколько этапов, или поколений. К характерным признакам, находящимся в тесной взаимосвязи и определяющим то либо иное поколение ЭВМ, обычно относятся: элементную базу и особенности конструкций, архитектуру и логическую структуру; математическое обеспечение; методы общения пользователей ЭВМ; технико-экономические показатели и др. Наиболее важным является первый признак, поскольку элементная база и конструкция определяют не только технико-экономические показатели отдельных устройств, но и возможности вычислительного процесса, построения и развития ЭВМ в целом. Прогресс в области элементной базы и конструкции всегда вызывает ускорение в развитии ЭВМ. Особенно он сказывается на функциональных возможностях ЭВМ, производительности, памяти ЭВМ и, несомненно, на надёжности, габаритах, массе и потребляемой энергии.

Так, применяемая в ЭВМ первого поколения элементная база (лампы, дискретные ЭРЭ, электромагнитные реле, шаговые искатели, коммутаторы, ферритовые ячейки памяти и др.) и мелкоблочные конструкции ячеек позволяли создать достаточно простые по современным понятиям ЭВМ. Например, наиболее быстродействующая ЭВМ первого поколения ЭНИАК (США,1943), выполнявшая примерно 5000 операций сложения в секунду и запоминавшая лишь 20 десятиразрядных слов, содержала около 18 тыс. электронных ламп и нуждалась во вспомогательной холодильной установке. Эта ЭВМ весила порядка 30 т и занимала при установке более 200 м2.

Замена электронных ламп транзисторами, применение печатного монтажа в ЭВМ второго поколения привела к тому, что наряду с улучшением показателей надёжности, технологичности, массогабаритных характеристик ЭВМ значительно повысились их операционные возможности и производительность, возросло количество используемого периферийного оборудования.

С развитием микроэлектроники в начале 60-х годов ЭВМ получили новую, более совершенную элементную базу, основу которой составили ИМС. Их применение в сочетании с многослойным печатным монтажом позволило создать ЭВМ третьего поколения с характеристиками, превосходящими на несколько порядков соответствующие характеристики ЭВМ второго поколения. В частности, резко увеличились быстродействие ЭВМ и надёжность вследствие перераспределения электрических соединений и выполнения их определённой части в самих ИМС, упростилась наладка ЭВМ, повысилась точность обработки информации, уменьшились габариты и потребляемая мощность. Совершенствование ИМС позволило создать сложные вычислительные машины и системы, количество электронного оборудования в которых в десятки раз стало превышать количество оборудования, используемого в машинах второго поколения.

Дальнейшее развитие технологии ИМС, методов автоматизированного проектирования привело к созданию кристаллов больших (БИС), сверхбольших (СБИС) и сверхскоростных ИМС, в которых плотность упаковки достигла 106 компонентов в 1 см3 ,а уровень интеграции – около 105 ... 107 компонентов в кристалле. Ожидается, что в ближайшие годы степень интеграции логических БИС достигнет 107 ... 108 и более логических элементов в кристалле. Такие интегральные микросхемы стали выполнять функции целых блоков и устройств ЭВМ третьего поколения

Реализация функциональных схем ЭВМ на корпусных и бескорпусных ИМС и БИС, как матричных, так и микропроцессорных, привела в настоящее время к созданию конструкции четвёртого поколения. На этом этапе применения БИС позволяет значительно повышать быстродействие ЭВМ, увеличивать плотность компоновки и, что особенно важно, уменьшать трудовые и материальные затраты на их производство. Вместе с тем возникла необходимость в устранении диспропорций между возможностями и размерами БИС, с одной стороны, и остальной элементной и конструктивной базой ЭВМ, с другой. Поэтому основополагающим в развитии конструкций ЭВМ стал принцип комплексной микроминиатюризации, позволяющей преодолеть это противоречие. Важность создания и использования в ЭВМ современных и перспективных элементной базы, конструкций и технологии ещё более усилилась.

В 1979 году в Японии был создан Комитет научных исследований в области ЭВМ пятого поколения. Программы разработки ЭВМ пятого поколения были приняты и в других странах, в том числе и в нашей. Возможности разработки таких ЭВМ тесно связаны с созданием СБИС на принципиально новых компонентах (например, переходы Джозефсона, транзисторы с высокой мобильностью носителей и др.), с использованием перспективных полупроводниковых материалов (арсенида галлия и т.д.)

3 Классификация ЭВМ


Сферы применения ЭВМ непрерывно расширяются. Современные ЭВМ используются практически во всех отраслях народного хозяйства.

Многообразие сфер применения и видов ЭВМ порождает и большое количество признаков, по которым осуществляется классификация ЭВМ. К таким признакам можно отнести: принцип действия; назначение ЭВМ; технические характеристики; объект установки; условия эксплуатации и обслуживания; применяемую элементную и конструктивную базу; экономические факторы и др. Возможное влияние этих факторов должно учитываться при проектировании и производстве ЭВМ.

Наиболее целесообразны укрупнённая классификация по ограниченному числу признаков, поскольку только такая классификация позволяет выделять основные отличительные признаки ЭВМ различных классов, групп, видов и категорий.

По принципу действия различают цифровые, аналоговые, аналогово-цифровые ЭВМ. Цифровые ЭВМ оперируют с сигналами, представленными в цифровой форме, аналоговые используют аналоговые сигналы, аналогово-цифровые – комбинацию этих принципов. Естественно, что основным отличительным признаком данных ЭВМ является вид элементной базы.

По назначению подразделяют ЭВМ общего назначения, специализированные, персональные. Управляющие и контрольные.

ЭВМ общего назначения (универсальные) ориентированы на выполнение широкого круга задач (математических, инженерных и экономических), выполняемых по любому алгоритму. В связи с этим ЭВМ общего назначения имеют, как правило, архитектуру, позволяющую подключать разнообразные периферийные устройства. Изменяя их количество и технические параметры, можно обеспечить разнообразие видов систем обработки данных и режимов взаимодействия с пользователем. В силу указанных обстоятельств такие ЭВМ должны иметь высокую производительность вычислений при низкой стоимости. Обеспечение минимальных габаритных размеров, массы и энергопотребления при проектировании является особенно критичным.

Специализированные ЭВМ предназначены для решения узкого круга специальных задач наиболее эффективным способом. Как правило, такие ЭВМ имеют меньше электронного оборудования, содержат определённые ограничения на обработку информации, а значит, в большинстве случаев проще и дешевле универсальных.

Персональные ЭВМ предназначены для эксплуатации их пользователем самостоятельно, без помощи профессионального программиста. К ним в настоящее время относят ЭВМ, обладающие полным набором соответствующих признаков:

  • развитым человеко-машинным интерфейсом, обеспечивающим простое управление ЭВМ непрофессиональным пользователем;

  • большим числом готовых программных средств прикладного характера, избавляющих пользователя от необходимости разрабатывать программы самостоятельно;

  • наличием малогабаритных накопителей информации значительной ёмкости на сменных носителях, обеспечивающих взаимозаменяемость и эксплуатацию новых программных средств;

  • малыми габаритными размерами и массой, позволяющими устанавливать ЭВМ на любом рабочем месте, а также малым энергопотреблением;

  • низкой стоимостью и широкой доступностью;

  • эргономичностью конструкции, привлекательностью формы, цвета и т.д.

Управляющие ЭВМ используются для управления различными объектами и технологическими процессами. Характерная особенность этих ЭВМ состоит в получении информации о действительном состоянии управляемого объекта от датчиков, установленных непосредственно на объекте. При этом важное значение для управляющих ЭВМ имеют высокая надёжность функционирования.

Контрольные ЭВМ применяются при построении контрольно-измерительной аппаратуры.

По области применения различают общетехнические, профессиональные, бытовые и другие ЭВМ.

Если общетехнические ЭВМ применяются для решения общетехнических, научных, инженерных и экономических задач, то профессиональные ЭВМ ориентированны на применение специалистами в конкретных областях и научными сотрудниками. Профессиональные ЭВМ обычно отличаются большой вычислительной мощностью и оснащается комплектом производительного периферийного оборудования.

Бытовые ЭВМ используются в повседневной жизни людей, например для управления бытовой техникой, для игр и т.д.

По совокупности технических характеристик (производительности, объёму памяти, принципу реализации, характеру применения, стоимости, габаритным размерам, и др.) различают высокопроизводительные, сверхвысокопроизводительные, средние, малые (мини-) и микроЭВМ.

Высокопроизводительные ЭВМ предназначены для решения задач комплексного проектирования и использования в системах управления высшего звена. Они условно характеризуются производительностью свыше 1 млн. оп/с, имеют предельный объём оперативной памяти и расширенную конфигурацию подсистемы ввода-вывода. Взаимодействие пользователей с ЭВМ осуществляется, как правило, с помощью индивидуальных средств общения человека с машиной (терминалов). Высокопроизводительные ЭВМ имеют обычно значительные габаритные размеры составляющих их технических средств, в силу чего их иногда называют большими.

Сверхвысокопроизводительные модели ЭВМ получили за рубежом название суперЭВМ, что в первую очередь означает широкие возможности, предоставляемые пользователю, а также способность системы проводить по сложности обработку данных. Такие ЭВМ, имеющие высокие технические характеристики (производительность сотни миллионов и даже миллиардов операций в секунду), применяются при решении теоретических задач, требующих значительных вычислительных ресурсов (например, при трёхмерной обработке данных геофизической разведки нефти, моделировании процессов атомной и молекулярной физики и др.). При создании таких ЭВМ применяется особо быстродействующая элементная база (заказные и матричные БИС и СБИС), а также достаточно сложные в техническом отношении конструкции.

Средние ЭВМ имеют производительность ниже 1 млн. оп/с, развитую конфигурацию ввода-вывода и служат для применения в системах обработки информации коллективного пользования, отраслевых системах автоматизированного проектирования и системах управления.

К малым (мини-ЭВМ) относят ЭВМ с производительностью процессора порядка сотен тысяч операций в секунду, ограниченным объёмом оперативной памяти, упрощённой организацией ввода-вывода. Такие ЭВМ применяются для обслуживания небольшого числа абонентов, решения информационных и вычислительных задач в системах проектирования и управления нижнего звена, в частности для включения в состав управляющего либо контрольно-измерительного комплекса.

МикроЭВМ – это обычно ЭВМ с малой ёмкостью оперативной памяти, низкой разрядностью и познаковым вводом-выводом. Они используются в составе управляющего или измерительного комплекса (встроенные микроЭВМ). Данные ЭВМ имеют относительно простые конструкции (типичны многоплатные, однопалатные и реже однокристальные микроЭВМ) и низкую стоимость. На основе микроЭВМ иногда реализуются и персональные ЭВМ.

По объекту установки ЭВМ делятся на стационарные и подвижные (транспортируемые, переносимые, носимые). Стационарные ЭВМ предназначены для эксплуатации в стационарных помещениях или на открытом воздухе, а подвижные (главным образом транспортируемые) – на автомобильном, железнодорожном, гусеничном или другом транспорте. К группе переносных ЭВМ относятся ЭВМ, обычно устанавливаемые на поверхность стола (настольные ЭВМ) либо пол и имеющие малые габаритные размеры и массу. Переносные ЭВМ всегда работают в комнатных условиях и не предназначены для работы во время переноски с места на место. Носимые ЭВМ могут работать и при переноске.

По трём глобальным зонам эксплуатации на объектах установки различают следующие классы ЭВМ: наземные (использование на суше), морские (использование на воде), бортовые (использование в воздушном и космическом пространстве). Наземные ЭВМ могут эксплуатироваться как стационарно, так и на подвижных (транспортируемых) объектах. Морские (судовые) ЭВМ эксплуатируются на всех видах судов, а бортовые – на всех видах летательных аппаратов, совершающих полёты в пределах тропосферы (до 17 км над уровнем моря) и стратосферы (до 85 км над уровнем моря). Разновидностью бортовых являются и космические ЭВМ, эксплуатируемые в условиях ионосферы на искусственных спутниках Земли, космических кораблях и станциях.

По используемой элементной базе (вернее, её основной части) современные ЭВМ подразделяются на ЭВМ на ИМС и БИС широкого применения, на матричных БИС, на заказных специализированных БИС, на микропроцессорных БИС и т.п.

Приведённая классификация является достаточно условной, однако она позволяет сделать сообщение и уделить внимание тем классификационным признакам, которые оказывают существенное влияние на конструирование и технологии производства ЭВМ. Среди таких признаков прежде всего необходимо отметить условия эксплуатации, объект размещения, элементную и, как следствие, конструктивную базу.

4 Группы показателей качества конструкции ЭВМ


Важнейшим направлением при конструировании и производстве ЭВМ является обеспечение качества конструкции. Качество изделий ЭВМ – это не только результат производственного процесса, оно формируется также на всех этапах проектирования (в том числе и конструирования) и эксплуатации ЭВМ.

Показатели качества конструкции ЭВМ можно условно разделить на несколько групп, основными из которых являются следующие: назначения, надёжности, технологичности, стандартизации и унификации, эргономические, эстетические, патентно-правовые, экологические и показатели техники безопасности, транспортируемости и экономические.

Показатели назначения характеризуют полезный эффект от использования ЭВМ по назначению и область её применения. Они показывают функциональные возможности, техническое совершенство и назначение ЭВМ, её состав и структуру. Обычно такими показателями являются технические характеристики ЭВМ, например: количество одновременно выполняемых команд, принцип управления, система команд, система счисления, производительность, способ представления данных, разрядность, тип вводимой информации, вид памяти и её характеристики (ёмкость, цикл обращения, время выборки и др.), характеристики и количество периферийных устройств, виды и количество каналов ввода-вывода информации и её характеристики (скорость передачи данных и т.д.), потребляемая мощность, массогабаритные характеристики и т.д.

Показатели надёжности характеризуют возможность ЭВМ выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в необходимых пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Наиболее важным для ЭВМ являются показатели безотказности, долговечности, сохраняемости и ремонтопригодности, характеризующие противодействие конструкции внешним воздействиям и создание благоприятных условий для предупреждения и обнаружения причин повреждений и их устранения.

Безотказность означает требование к ЭВМ непрерывно сохранять работоспособность (соответствие всем требованиям в отношении основных параметров в данный момент времени) в течение некоторого времени. Долговечность – свойство ЭВМ сохранять работоспособность при выполнении технического обслуживания и ремонтов до наступления предельного состояния, связанного с дальнейшей невозможностью по различным причинам использования ЭВМ по назначению. Сохраняемость – это возможность ЭВМ непрерывно сохранять работоспособное (исправное) состояние в течение и после хранения и (или) транспортирования в определённых заданных условиях. Ремонтопригодность – приспособляемость ЭВМ к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путём проведения технического обслуживания и ремонтов. Наиболее часто применяемыми показателями надёжности ЭВМ являются вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, наработка на отказ, время восстановления и т.д.

Показатели технологичности характеризуют эффективность конструкторско-технологических решений для обеспечения высокой производительности труда при изготовлении, эксплуатации и ремонте изделий ЭВМ. Технологичность конструкции в принципе определяет экономическую целесообразность запуска изделий в производство. Её оценка является обязательным этапом, предшествующим разработке технологических процессов производства ЭВМ. В общем случае под технологичностью конструкции понимается совокупность её свойств, гарантирующая в заданных условиях производства и эксплуатации оптимальные затраты труда, средств, материалов и времени при технологической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций при обеспечении установленных показателей качества.

Обработка конструкции на технологичность ведётся конструкторами и технологами на всех стадиях проектирования и изготовления. В случае необходимости в разработанную ранее конструкторскую документацию вносят требуемые изменения. Критериями оценки технологичности конструкции изделия являются показатели уровня технологичности по всему комплексу базовых показателей, указанных в техническом задании.

Согласно стандартам Единой системы технологической подготовки производства (ЕСТПП), различают два вида технологичности продукции: производственную, которая обеспечивается сокращением затрат средств и времени на конструкторскую и технологическую подготовку производства и процессы изготовления изделия, и эксплуатационную, которая проявляется в сокращении затрат средств и времени на техническое обслуживание и ремонт изделия.

Главными факторами, определяющими требования к технологичности конструкции, являются: вид изделия (деталь, сборочная единица, комплекс, комплект), тип производства и уровень развития науки и техники. Оценка технологичности может быть количественной и качественной. Качественная оценка предшествует количественной, определяет её целесообразность и характеризует обобщённо достоинство конструкции на основе опыта исполнителя. Количественная оценка выражается системой показателей, которые используются для сравнения различных вариантов конструкции в процессе проектирования изделий, определения уровня технологичности необходимых для прогнозирования и расчёта базовых показателей технологичности.

Производственная технологичность оценивается показателями трудоёмкости, материалоёмкости и себестоимости конструкции, эксплуатационная технологичность – показателями контролепригодности, взаимозаменяемости, доступности, легкосъёмности с объекта и др. С показателями технологичности тесно связаны показатели стандартизации и унификации, характеризующие степень использования в конкретной разработке ЭВМ стандартизованных деталей, узлов, блоков и других компонентов, а также уровень унификации составных частей конструкции ЭВМ.

Необходимость замены в производстве конструкций ЭВМ на более современные, повышение их надёжности и качества требует унификации большинства технических и технологических решений по обеспечению совместимости и взаимозаменяемости конструкций как в процессе создания новых, так и при модернизации уже выпускаемых промышленностью.

Унификация (низшая ступень стандартизации) заключается в уменьшении многообразия конструкций, выполняющих в ЭВМ одинаковые или сходные функции. Унификации подвергаются как механические детали, сборочные единицы и несущие конструкции, так и элементная база.

Стандартизация как завершающая стадия унификации является необходимой предпосылкой для создания ЭВМ современного технического уровня. Высокие показатели разработок невозможны без опережающего характера стандартизации по отношению к производству разрабатываемых изделий, без базирования её на лучших достижениях отечественной и мировой техники.

Особый смысл при создании ЭВМ имеет широкая унификация и стандартизация систем базовых (типовых) конструкций (конструкционных систем). Важное значение при унификации и стандартизации конструкции ЭВМ имеют также показатели применяемости, характеризующие значимость, повторяемость и преемственность конструкции.

Эргономические показатели характеризуют систему «человек – ЭВМ – среда». Для многих электронно вычислительных изделий эти показатели могут быть одними из важнейших.

В свою очередь эргономические показатели подразделяются на гигиенические, антропометрические, физиологические и психологические.

Эстетические показатели характеризуют художественность, выразительность и оригинальность формы ЭВМ, гармоничность и целостность конструкции, соответствие формы и конструкции ЭВМ стилю, цветовое и декоративное решение ЭВМ и т.п.

Патентно-правовые показатели служат для оценки степени патентной чистоты и патентной защиты конструкции ЭВМ.

Экологические показатели и показатели техники безопасности характеризуют уровень вредных воздействий на окружающую среду, возникающих при изготовлении и эксплуатации изделия (экологические показатели), а также особенности конструкции, обусловливающие при её изготовлении и эксплуатации безопасность человека (показатели техники безопасности).

Показатели транспортируемости отражают приспособленность конструкции ЭВМ к транспортированию, а также подготовительным и заключительным технологическим операциям, связанным с транспортированием.

Экономические показатели характеризуют затраты на проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по разработке конструкции ЭВМ, на производство и эксплуатацию, а также экономическую эффективность при эксплуатации ЭВМ. Это особый вид показателей, позволяющих оценивать технологичность и ремонтопригодность конструкции, уровень стандартизации, патентную чистоту и т.д.

Отметим, что между показателями различных групп существуют взаимосвязи, которые необходимо учитывать при проектировании ЭВМ. Например эргономические и эстетические показатели влияют на производительность ЭВМ, создавая определённые удобства для операторов и позволяя им при том же психологическом напряжении вводить больше информации в единицу времени, снижают вероятность ошибочных действий оператора и т.д. Показатели стандартизации наряду с непосредственной связью со стоимостью изделий влияют на возможность их серийного производства, рыночный спрос, моральный износ и т.п. Аналогичное влияние оказывает и показатель использования новых конструктивных решений, например связанных с патентной чистотой.

5 Требования, предъявляемые к техническим средствам ЭВМ


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

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

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

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

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

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

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

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

Обычно по устойчивости к внешним воздействующим факторам технические средства ЭВМ делятся на группы или категории. Так, по устойчивости к воздействию климатических факторов в процессе эксплуатации технические средства стационарных ЭВМ общего назначения (например, изделия Единой системы ЭВМ) подразделяют на группы в соответствии с данными, указанными в табл. 1.

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

Нормальными климатическими условиями эксплуатации технических средств в ЭВМ считаются: температура окружающего воздуха (293±5)К, относительная влажность (60±15)%, атмосферное давление от 84 до 107 кПа (от 630 до 800 мм рт. ст.). Допустимый перегрев воздуха внутри изделий не