Описание лабораторных работ по КТО (Лабы КТО)

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЫБОРА КОНСТРУКТИВОВ НА НА ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТРОЙСТВ ЭВМ

Описание лабораторного программного комплекса

Цикл лабораторных работ по изучению влияния выбора

конструктивов ЭВМ на ее характеристики проводится с использованием программного комплекса (ПК),включающего основную исполняемую программу ac (или ac1, ac2) и набор файлов баз данных, где указаны характеристики элементной базы и конструктивов устройства (процессора) ЭВМ. Исполняемая программа может размещаться на дискете или жестком диске (диск D,каталог REL). Вызов на выполнение программы ac (ac1) приводит к запуску всего ПК.

ПК выполнен в виде диалоговой системы, выводящей пользователю информационные экраны на каждом шаге работы. Первый экран "ВЫБОР РЕЖИМА РАБОТЫ". Вначале в нем надо выбрать режим "Расчет характеристик процессора". Второй экран "ВЫБОР РАСЧЕТА" предлагает следующие режимы работы:

- расчет кристалла;

- выбор корпуса БИС и числа БИС на плате;

- выбор печатной платы;

- выбор печатного монтажа;

- расчет температурного режима блока;

- расчет характеристик процессора;

- выход.

Данные режимы работы выбираются и выполняются последовательно, что обеспечивает расчет основных характеристик процессора.

При выборе первого режима (расчет кристалла) пользователю предлагается выбрать тип логики (ЭСЛ,ТТЛ, ...) и задать минимальный литографический размер элементов структуры микросхемы, что позволяет путем масштабирования параметров рассчитать характеристики кристалла БИС, являющегося элементной базой процессора. Для минимального литографического размера (МЛР) указан рекомендуемый диапазон его изменения:от 1 до 5 мкм. При задании требуемых характеристик выводится экран "Расчет параметров БИС", на котором отражаются заданные параметры и результаты расчета характеристик кристалла.Для перехода к следующему режиму работы в нижней строке выводится подсказка "Выход в головное меню - любая клавиша".

Следующим выбирается второй режим работы и выводится на экран "РАСЧЕТ БИС НА ПЛАТЕ". На нем присутствуют заданные пользователем параметры и таблица с характеристиками корпусов БИС типа 61 и 42. Выбор разновидности корпуса для кристалла проводится таким образом, чтобы число выводов корпуса было равно или превышало число требуемых выводов кристалла

(указано в первой табличке). На следующем экране пользователю необходимо задать зазор между корпусами на плате (выбрав его из рекомендуемого ряда) и число корпусов БИС на плате. В ответ выводится экран с заданными параметрами и результатами расчетов, где приводятся как параметры корпусированной БИС

так и параметры, описывающие размещение БИС на плате.

Далее следует третий режим работы (выбор печатной платы), при котором выводится экран "УСТАНОВКА БИС НА ПЛАТУ".На нем отражены заданные ранее параметры и таблица с характеристиками печатных плат (ПП) стандартных размеров. Выбор печатной платы проводится по условию, чтобы площадь ПП превышала площадь, занимаемую всеми БИС на ПП (приведено в первой таблице). Это позволит разместить на плате БИС и необходимый печатный монтаж. После выбора платы пользователь должен также задать число внешних связей, обеспечиваемое на ПП (разводка внешних входных и выходных сигналов для платы). Это число должно несколько превышать указанное выше требуемое число внешних связей ПП, поскольку в программе подсчитываются только внешние для платы логические связи и не учтено питание. Значение числа связей, приводимое на экране, можно подтвердить нажатием клавиши "Ввод", после чего перейти к выполнению следующего режима.

При выполнении четверного режима выводится экран "ВЫБОР ПМ", где представлены выбранные ранее параметры и таблица с типами плотности ПМ (печатного монтажа). Рекомендуется выбирать вариант из первых трех типов плотности, легко реализуемых на стандартных подложках. После этого пользователю предлагается задать число сигнальных слоев ПП (число слоев платы,на которых будут разводиться сигнальные проводники).

Вначале число слоев можно задать произвольно. В ответ пользователю выводятся результаты расчетов: размеры рабочей площади платы (площади, где трассируется ПМ) и площади печатного монтажа на один слой платы. Если последняя превышает первую, то это значит, что печатный монтаж не умещается на плате при выбранном типе плотности и заданном числе слоев. Выводится подсказка "Площадь печатного монтажа больше рабочей.Повторите расчет". В ответ пользователь может войдя в четвертый режим выбрать более высокий тип плотности, увеличить число сигнальных слоев или сделать то и другое одновременно.Если рабочая площадь платы заметно больше площади печатного монтажа на один слой, то плата оказалась слабо заполнена ПМ и пользователю в последней строке экрана выводится сообщение "Площадь печатного монтажа много меньше рабочей". В этом случае надо наоборот выбирать более низкий тип плотности ПМ и (или) меньшее число сигнальных слоев. Удачное выполнение четвертого режима отражается сообщением в последней строке:"Выход в головное меню - любая клавиша". Далее выбирается пятый режим - расчет теплового режима блока. Возникает экран "РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА", где отражены выбранные ранее параметры и дана таблица, содержащая типы и производительность вентиляторов. Выбор первой строки таблицы соответствует отсутствию вентилятора в блоке процессора. После выбора вентилятора пользователь должен задать характеристики блока: число ячеек (плат с установленными на них микросхемами) в блоке, шаг установки ячеек, зазоры, коэффициент перфорации блока (характеризует воздухообмен блока и внешней среды). Число ячеек в блоке (а также число корпусов БИС на плате) выбирается исходя из того, чтобы обеспечить требуемую степень интеграции процессора в логических элементах (ЛЭ). Например, если требуется процессор на 100 тыс. ЛЭ, а в качестве элементой базы выбраны микросхемы степенью интеграции 1000 ЛЭ, то всего в процессоре должно быть 100 БИС; если на плату ставить по 5 БИС, то требуется 20 ячеек в блоке, если на плату ставить по 10 БИС, то требуется 10 ячеек в блоке. Значения шага установки ячеек, зазоров, коэффициента перфорации выбирать из ряда значений, рекомендуемых на экране. Если расчет температурного режима указывает на значения перегревов в блоке более 50 градусов, то пользователю выводится соответствующее сообщение и расчеты необходимо повторить, скорректировав исходные данные.Можно выбрать более производительный вентилятор, увеличить шаг установки ячеек, зазоры в блоке, коэффициент перфорации.

По окончании расчетов температурного режима остается выполнить последний шестой режим - расчет характеристик процессора. На соответствующем экране указаны полученные ранее параметры и пользователю предлагается ввести интенсивности отказов монтажа выводов БИС и внешних выводов ПП. Типовые значения этих величин представлены на экране и их можно подтвердить нажатием клавиши "Ввод". На последующем экране приводятся результирующие характеристики процессора: длительность цикла процессора, стоимость, плотность компоновки аппаратуры и время наработки процессора на отказ. Значение первых двух во многом определяется выбором элементной базы, а последних - компоновкой плат, блока и тепловым режимом работы блока. Характеристики процессора, приводимые здесь, используются затем в игре в рынок.

Из первого основного меню "ВЫБОР РЕЖИМА РАБОТЫ" можно выйти также в подсистему "Игра в рынок". Войдя в игру пользователь должен последовательно выполнить разделы предлагаемого меню "Ввод параметров процессора" и "Конкурентная борьба на рынке". К последнему разделу можно обращаться многократно, отслеживая поведение конкурентов.

Пользователь в данной работе играет за свою фирму, которая стремится выйти на рынок процессоров и "завоевать" его своим процессором, вытестив конкурентов (три конкурирующие фирмы). На каждом шаге игры он определяет и вводит в ЭВМ объем выпуска своих процессоров (не более 1000 штук) и процент прибыли, закладываемый в цену процессора, по которой он предлагается на рынке. В результате расчетов пользователю выдаются данные по стоимости процессоров ,объему выпуска, объему реализации и суммарной прибыли. Поскольку объем рынка ограничен, продаются не все выпущенные процессоры и фирмы, у которых объем выпуска меньше объема реализации, терпят убытки. Продаются в первую очередь процессоры той фирмы, комплекс технико-экономических характеристик которых лучше.Целью игры является получение фирмой максимальной прибыли и полный захват рынка. При анализе конкурентоспособности процессоров учитывается их стоимость, характеристики надежности и быстродействия. В качестве характеристик процессора в начале можно ввести любые значения, но поиграв и исследовав рынок необходимо синтезировать конкурентоспособный вариант процессора, ввести его характеристики и подтвердить его преимущества по сравнению с процессорами фирм-конкурентов.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАДАНИЯ

Задание 1.

1. Исследовать зависимости характеристик элементной базы процессора - БИС от изменений минимального литографического размера (МЛР) и выбора типа схемотехники (типа логики). Исследовать изменение следующих характеристик: степени интеграции БИС, рассеиваемой БИС мощности, задержки переключения на

логический элемент, выхода годных БИС, стоимости БИС, стоимости одного ЛЭ в БИС, интенсивности отказов БИС.

При проведении исследований зависимости параметров от МЛР зафиксировать один из типов схемотехники и составить таблицу со значениями перечисленных выше параметров при изменении МЛР от 1 до 5 мкм с шагом 1мкм.

При проведении исследований зависимости параметров от типа схемотехники зафиксировать одно из значений МЛР и составить таблицу со значениями перечисленных выше параметров для всех типов схемотехники.

2. Осуществить компоновку нескольких ячеек на двух произвольно выбранных печатных платах. Печатную плату каждого типоразмера компоновать в трех вариантах, используя разные БИС и различный класс плотности ПМ. По результатам каждого варианта компоновки указать в отчете габариты платы, число БИС на плате, степень интеграции БИС, число сигнальных слоев в плате, тип плотности ПМ, значения рабочей площади и площади

печатного монтажа на один слой платы.

3. Исследовать эффективность использования принудительного воздушного охлаждения и влияние теплового режима на надежность блока, для чего осуществить расчет теплового режима и надежности для процессора объемом 100 тыс. ЛЭ, выполненного на ТТЛ БИС в трех вариантах - на БИС с МЛР 4, 3 и 2мкм.

Результаты расчетов свести в таблицу, отражающую следующие характеристики:

- тип схемотехники БИС,

- степень интеграции БИС,

- число корпусов БИС на плате,

- тип плотности ПМ,

- число сигнальных слоев платы,

- число ячеек в блоке,

- температура перегрева нагретой зоны конструкции,

- длительность цикла процессора,

- стоимость процессора в условных единицах,

- плотность компоновки аппаратуры,

- время наработки процессора на отказ.

Задание 2.

1.Выполнить разработку процессора, объем которого в ЭЛЭ и ограничения на основные характеристики приведены в табл.1 в соответствии с номером бригады. Результаты представить в соответствии с п.3 задания 1.

Таблица 1

2.Выполнить разработку процессоров, выбрав как критерий качества следующие характеристики (по указанию преподавателя):

1) минимальную длительность цикла процессора Тц;