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.