Общие технические требования, предъявляемые к конструкции ЭВМ. Типовые конструкции ЭВМ. Анализ методов конструирования

Тактико-технические требования: вид измеряемой физической величины, диапазон измерений, точность измерений, быстродействие, объем памяти для регистрации данных, точность выполнения вычислительных операций и т. д.

Конструктивно-технологические требования: обеспечение функционально узлового принципа построения конструкции РЭА, технологичность, минимальную номенклатуру комплектующих изделий, минимальные габариты и массу, меры защиты от воздействия климатических и механических факторов, ремонтоспособность.

Функционально-узловой принцип конструирования заключается в разбиении принципиальной схемы изделия 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, наладку и ремонт.

К числу важных характеристик конструкции РЭА следует также отнести ремонтоспособность - качество конструкции к восстановлению работоспособности и поддержанию заданной долговечности.

Для повышения ремонтоспособности в конструкции предусматривают:

а) доступность ко всем конструктивным элементам для осмотра и замены без предварительного удаления других элементов;

б) наличие контрольных точек для подсоединения измерительной аппаратуры при настройке и контроле за работой аппаратуры;

в) применение быстросъемных фиксаторов и т. д.

Эксплуатационные требования. К эксплуатационным требованиям относят: простоту управления и обслуживания, различные меры сигнализации опасных режимов работы, наличие аппаратуры, обеспечивающей профилактический контроль и наладку конструктивных элементов.

Требования по надежности: вероятности безотказной работы, наработки на отказ, среднего времени восстановления работоспособности, долговечности, сохраняемости.

Экономические требования: минимально возможные затраты времени, труда и материальных средств на разработку, изготовление и эксплуатацию изделия; минимальную стоимость аппаратуры после освоения в производстве.

Соотношение между различными требованиями может быть установлено исходя из типа, назначения и характера эксплуатации проектируемых изделий.

1.9 Основные принципы конструирования типовых элементов.

Конструктивная иерархия элементов, узлов, устройств ЭВА и систем. Конструкции ЭВА следует рассматривать как некоторое структурное образование, составные части которого находятся в иерархической соподчиненности. Исходный конструктивный элемент этой иерархии – интегральная схема.

В конструкции ЭВА можно выделить пять уровней:

Уровень 0 – конструктивно неделимый элемент – микросхема.

Уровень Ι – неделимые элементы объединяются в схемные сочетания, имеющие более сложный функциональный признак, образуя ячейки, модули, типовые элементы замены. (содержат от нескольких и до сотен микросхем(гибридные большие интегральные схемы)).

Уровень ΙΙ – этот уровень включает в себя конструктивные единицы, предназначенные для механического и электрического объединения уровня Ι ( панель, субблок, блок). Часто конструктивные единицы уровня ΙΙ содержат лицевую панель, не имеющую самостоятельного применения.

Уровень ΙΙΙ - уровень стойки или шкафа.

Уровень ΙV – система включающая в себя несколько стоек соединенными кабелями.

Такое разделение конструкции ЭВА на уровни позволяет:

а) организовать производство по независимым циклам для каждого структурного уровня;

б) автоматизировать процесс сборки и монтажа;

в) сократить период настройки;

г) автоматизировать решение задач размещения элементов и трассировки межсоединений;

д) унифицировать стендовую аппаратуру для испытания конструктивных единиц;

е) повысить надежность конструктивных единиц.

Моносхемный принцип конструирования - полная принципиальная схема электронного аппарата располагается на одной печатной плате и поэтому выход из строя одного элемента приводит к сбою всего аппарата.

Схемно-узловой принцип конструирования – на каждой печатной плате располагают часть полной принципиальной схемы, имеющую четко выраженные входные и выходные характеристики. (по этому принципу сконструирована бортовая аппаратура)

Каскадно-узловой принцип конструирования – принципиальную схему аппарата делят на отдельные каскады, которые не могут выполнять самостоятельные функций.

Функционально-узловой принцип – используется при разработки больших ЭВМ, базовым элементом которых являлся ТЭЗ (типичный элемент замены). Имея определенный набор ТЭЗ, можно поострить целый ряд вычислительных машин с различными техническими характеристиками.

Модульный принцип - этот принцип позволяет строить аппаратуру практически неограниченной производительности, легко моделировать аппаратуру, получая необходимые параметры. Основные функциональные узлы взаимосвязаны с помощью одного канала. Чтобы установить связь с модулем-приемником, модуль передатчик посылает нужный сигнал вмести с адресом на входы всех подключенных к каналу модулей, но отвечает только запрашиваемый.

Основные понятия теории надежности. Количественные характеристики для оценки надежности узлов и блоков.

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Надежность – сложный показатель, который может включать в себя такие свойства, как:

· безотказность (свойство непрерывно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния в течение некоторой наработки);

· долговечность (свойство сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта);

· ремонтопригодность (свойство в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособности путем проведения ремонтов и технического обслуживания);

· сохраняемость (свойство объекта непрерывно сохранять показатели безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортировки).

Проблемы, охватываемые теорией надежности, условно можно разделить на два взаимосвязанных направления:

· физические основы надежности (связаны с изучением физико-химических свойств и параметров элементов изделий, происходящих в них физико-химических процессах, приводящих к отказам);

· математическая теория надежности (основана на изучении статистических, вероятностных закономерностей отказов).

Для решения практических вопросов необходимы показатели, характеризующие степень надежности оборудования с количественной стороны. Эти количественные характеристики и называются показателями надежности.

Показатели надежности рассматриваются при государственной аттестации качества продукции. Наличие их позволяет производить инженерные расчеты надежности, устанавливать обоснованные технические требования к надежности проектируемых изделий, делать сравнительную оценку изделий по их надежности и принимать основные решения при организации технического обслуживания и ремонта в системе ППР.

Все показатели надежности делят на два вида:

Единичные – количественно характеризуют только одно из свойств надежности: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и т.д.

Комплексные показатели одновременно характеризуют несколько свойств надежности, например, безотказность и ремонтопригодность объекта и т.д.

Основные показатели надежности:

Вероятность безотказной работы P(t) – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает.

Средняя наработка до отказа Т₁ – математическое ожидание наработки объекта до первого отказа.

Интенсивность отказов l(t) – условная плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник.

Параметр потока отказов w(t) – отношение среднего числа отказов восстанавливаемого объекта за произвольно малую его наработку к значению этой наработки.

Наработка на отказ Т₀ – отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.

Установленная наработка до отказа t_{о.у .} – наработка до установленных в технической документации видов отказов, которую должен иметь каждый объект при заданных условиях эксплуатации.

Вероятность восстановления Р(t_в) – вероятность того, что время восстановления работоспособности объекта не превысит заданного.

Среднее время восстановления – математическое ожидание времени восстановления работоспособности (собственно ремонта).

Внезапные отказы в период нормальной эксплуатации определяются случайными неблагоприятными сочетаниями большого количества факторов. Случайность связана с тем, что причины события для нас являются скрытыми. Поэтому надежность необходимо рассматривать в вероятностном аспекте.

Основные исторические сведения и направления в развитии микропроцессорной техники. Классификация микропроцессоров. Архитектура системы команд, RISC и CISC процессор. Методы адресации, типы данных и команд современных микропроцессоров. Методы и способы оценки производительности процессоров.

Первый универсальный микропроцессор 4004 фирмы Intel появился в 1971 г. Система команд состояла из 45 программ. Длина слова этого микропроцессора составляла всего 4 бита, а адресное пространство ограничивалось 4,5 Кбит. Микропроцессор содержал около 1000 транзисторов и выполнял 8000 операций в секунду.

В последующие 10 лет число транзисторов в микропроцессоре увеличилось в 70 раз, размер слова составил 16 бит, а быстродействие возросло в 100 раз.

В 1995 г. был разработан процессор Pentium Pro (150 МГц, 512 Кб кэш), позиционирующийся как серверный. Он отличался от аналогов большим кэшем и архитектурой, частично заимствованной у процессоров с архитектурой RISC.

В 1998 г. был выпущен процессор Pentium II Xeon. Системы, основанные на этом процессоре, могли быть сконфигурированы из 4, 8 и более процессоров.

В конце февраля 1999 г. были анонсированы Pentium III. Изготовлены по технологическому процессу 0,25 мкм, ядро Katmai, добавлен набор инструкций SSE, размер L1 кэш – 32 Кб (16 + 16), L2 кэш – 512 Кб.

В конце ноября 2000 г. Intel представляет процессор Pentium 4, архитектура NetBurst которого коренным образом отличается от своей предшественницы Р6. Тактовая частота первых экземпляров составила 1.4 и 1.5 ГГц.

Дальнейшее развитие процессоров Intel было связано с переходом на 64-битную архитектуру – IA-64 (Intel Architecture-64 bit). Основной идеологией новых процессоров стала технология EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing).

В настоящее время увеличение производительности процессоров, в основном, ведется за счет применения многоядерной архитектуры Multi-core Intel Processors. Одним из представителей такой архитектуры является линейка процессоров Intel Xeon Processor 5400, произведенных по 45-нанометровой технологии.

Наиболее распространенные классификации МП:

По назначению: универсальные, специализированные;

По виду обрабатываемой информации: цифровые (тип цифрового сигнала: ТТЛ, ЭСЛ или КМОП-уровень), аналоговые (предельные значения напряжения и тока);

По разрядности данных: фиксированные, переменной разрядности;

По тактовой частоте: статические (нижний предел тактовой частоты равный нулю, т.е. при отсутствии тактовой частоты МП перейдет в состояние «Ожидание»); динамические, имеют нижний предел тактовой частоты не равный 0, т.е. при снижении частоты синхронизации ниже предельного уровня МП перестает нормально функционировать;

По виду синхронизации: синхронные; асинхронные;

По компоновке: однокристальные, многокристальные, многокристальные секционные;

По числу управляющих магистралей: совмещенные;раздельные.

По системе команд: фиксированная,переменная.

CISC и RISC процессоры:

Универсальные микропроцессоры с CISC-архитектурой (Complicated Instruction Set Computer – компьютер со сложным набором команд) применяются главным образом в персональных компьютерах и серверах. Лидером в этой области является фирма Intel, которой комплектуется более 80 % выпускаемых персональных компьютеров.

Универсальные микропроцессоры с RISC-архитектурой (Reduced Instruction Set Computer – компьютер с сокращенным набором команд) применяются в основном в рабочих станциях и мощных серверах. Ведущими производителями считаются фирмы Sun Microsystems и MIPS Computer Systems.

Команда - задание на выполнение микропроцессором определенного действия. Система команд МП – это набор функций, определенных для микропроцессора. Наиболее существенными для ознакомления с особенностями системы команд являются три признака: длина команды, функциональный признак и способ адресации.

По длине команды подразделяют на однобайтовые, двухбайтовые, трехбайтовые и т. д.

По функциональным признакам, т. е. по виду выполняемых действий, команды подразделяют на команды пересылки, арифметические команды, логические команды, команды переходов, команды управления и работы со стеком, команды ввода/вывода, команды управления процессором, специализированные команды.

По способу адресации различают следующие виды команд: регистровая адресация (команды обращения к внутренним регистрам МП), команды непосредственного обращения к памяти, команды косвенного обращения (команды, в которых адрес ячейки памяти указан не явно, а через указатель, хранящийся во внутреннем регистре процессора или в ячейке памяти). Существуют также всевозможные комбинации адресации в различных МП.

Основной характеристикой любой МПС является ее производительность, под которой в общем случае понимают количество выполняемых в единицу времени элементарных операций и время доступа к памяти и внешним устройствам. Критериями максимальной производительности МПС следует считать в первую очередь минимальное время доступа к памяти и максимально возможную тактовую частоту процессора.

1.12 Микропроцессоры. Понятие о разрядности и системе команд. Обобщенная схема микропроцессора, состав и назначение основных функциональных блоков. Алгоритм выполнения команды микропроцессором, граф–схема функционирования управляющего автомата простейшего микропроцессора.

Микропроцессор — устройство, выполняющее алгоритмическую обработку информации, и управление другими узлами компьютера или иной электронной системы. Представляет собой цифровую интегральную схему выполняющую последовательность инструкций — программу.

Разрядность МП – это максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.

Разрядность микропроцессора обозначается m/n/k/ и включает:
m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или
иному классу процессоров;
n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;
k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства.
(Например, микропроцессор i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20)

Основным элементом для хранения информации внутри процессора являются регистры, которые выполняют функцию сверхоперативного ОЗУ с минимальным временем записи и считывания.

Устройство управления (УУ) предназначено для реализации выборки команд, их дешифрации, и на основе этого – для управления обменом и обработкой информации путем генерации последовательности управляющих сигналов.

Операционное устройство (ОУ) служит для обработки цифровой информации (арифметические и логические операции, сдвиги, анализ чисел и т.п.).

Регистр команд РгК (англ. IR - insructionregister) используется для фиксации кода команды после считывания ее из памяти. Как правило, в этом регистре фиксируется лишь

Код операции (КОП) - часть кода команды, определяющая выполняемое действие и способ адресации операндов (см. ниже).

Регистры операндов служат для хранения данных в процессе их обработки, позволяют избегать постоянных обращений к памяти. В некоторых типах процессоров один из регистров операндов всегда является и приемником результата операции в АЛУ – такой регистр принято называть регистром-аккумулятором.

Счетчик команд (англ. PC -programmingcounter) - регистр, в котором при выборке или выполнении текущей команды формируется адрес следующей команды.

Указатель стека (англ. SP - stackpointer) - регистр, в котором при выполнении программы хранится адрес границы той области памяти, для которой программист использует принцип последовательного доступа к данным.

Регистр адреса - регистр, в котором формируется адрес любого устройства, внешнего по отношению к процессору (ячейки памяти или порта ввода-вывода), перед обращением к этому устройству. Данный регистр необходим т.к. источником адресной информации могут являться различные регистры процессора. Так же он играет роль накапливающего буфера, из которого адресная информация выдается на внешнюю шину адреса.

Регистр признаков (англ. F -flags) - это элемент внутренней памяти, в котором в виде отдельных битов фиксируются признаки, характеризующие результат операции, выполненной в АЛУ (нулевой результат, переполнение разрядной сетки и т.п.).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - функциональный блок процессора, предназначенный для реализации действий по обработке данных. Результат операции, выполненной в АЛУ, заносится в один из регистров или пересылается в память (в зависимости от команды). В регистре признаков автоматически формируются признаки, характеризующие этот результат.

В общем случае система команд процессора включает 4 основные группы команд:

1) Команды пересылки данных – операнды копируются из источника в приемник. Источником и приемником могут быть внутренние регистры процессора, ячейки памяти или устройства ввода/вывода. АЛУ в данном случае не используется.

2) Арифметические команды – (+, -, *, /, +1, -1 и т.д.) формируют 1 выходной операнд.

3) Логические команды – логические операции над операндами (И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ), инверсия, разнообразные сдвиги (вправо, влево, арифметический/циклический сдвиг.

4) Команды переходов - предназначены для изменения обычного порядка последовательного выполнения команд (переходы на подпрограммы и возвраты из них, всевозможные циклы, ветвления программ, пропуски фрагментов программ и т.д.) Команды переходов всегда меняют содержимое счетчика команд. Переходы могут быть условными и безусловными.

Процессор выполняет каждую команду (инструкцию) за несколько шагов (тактов):

1. Считывание очередной команды (ЦП вызывает команду из ОП и переносит ее в регистр команд);

2. Формирование адреса следующей команды (меняется значение счетчика команд);

3. Дешифрация команды (определяется тип вызванной, текущей команды);

4. Выборка операндов (если команда использует «слово» из памяти, определяет где находится это слово и вызывает его; переносит слово из ОП в один из регистров (регистр данных));

5. Выполнение операции (выполняет команду (АЛУ));

6. Запись результата (заносит результат в промежуточный буфер, регистр – аккумулятор);

7. Переходит к шагу 1 или заканчивает выполнение программы «ОСТАНОВ».

Такая последовательность шагов: выборка – декодирование – исполнение является основой работы всех компьютеров.

Граф автомата - ориентированный граф, вершины которого соответствуют состояниям, а дуги - переходам между ними. Дугам автомата Мили приписывается входной сигнал, обеспечивающий данный переход и выходной сигнал, который при этом выдаётся. При описании автомата Мура в виде графа выходной сигнал, соответствующий данному состоянию, записывается внутри вершины или рядом с ней.

В графе автомата не должно существовать двух дуг с одинаковыми входными сигналами, выходящих из одной и той же вершины (условие однозначности).

Состояние автомата называется тупиковым, если соответствующая вершина графа не содержит исходящих дуг, но имеет хотя бы одну входящую дугу.

Изолированным состоянием называется такое состояние, которому соответствует вершина графа, не имеющая как входящих, так и исходящих дуг.

Однокристальные микроконтроллеры. Обзор основных архитектур. 8-ми, 16-ти и 32-х разрядные микроконтроллеры ведущих мировых производителей. Критерии, методы и способы выбора микроконтроллера.

Понятия процессор, микропроцессор и микроконтроллер не идентичны. Процессор может представлять собой многосекционную ВС, представляющую собой набор блоков, плат и т.д., в то время как микропроцессор – подобная система, реализованная на одном кристалле одной микросхемой. Также и контроллер может представлять собой конструктивный модуль, а может быть микро, то есть реализован в виде одной микросхемы.

Типичным примером МК служит следующая система:

Внутреннее управление ПО МК должно быть человеконезависимым – то есть проблемы старта, останова и перезагрузки МК ложатся на сам МК. Все тремя вышеперечисленными положениями управляют отдельно выделенные на рисунке блоки управления питанием, сбросом и синхронизации.

Ядро МК – его процессор, подключенный подсистемой памяти и набором периферийных и системных контроллеров. Как правило, память МК представляет собой энергонезависимое ПЗУ, предназначенное для хранения программ, ОЗУ, предназначенное для хранения данных, а также может иметь места для дополнительных энергонезависимых ПЗУ для хранения данных, в которых могут храниться системные переменные, const итд.

Многие МК имеют возможность расширения памяти, а некоторые МК вообще не имеют встроенной памяти. Такие МК работают только с внешней памятью. Как правило, это мощные 16-, 32- или 64-разрядные системы.

По принципу разрядности внутренних шин разделяют 8, 16 и 32 разрядные МК. Существует также отдельный класс – цифровой сигнальный процессор (DSP).

С точки зрения распределения памяти различают как гарвардскую так и пристонскую архитектуру. Например МК Intel в большинстве – Гарвардская, разделяемая память программ и данных, адресуемых собственными шинами, банки памяти адресуются еще и страницами. Большинство МК Motorola, например 8-разрядный НС05,08 – имеют единое адресное пространство программ и данных(пристон). Хотя физически ПЗУ программ и данных – различные модули на кристалле, они имеют общую шину. Исключение составляют МК Atmel AVR. Разработчкам этой компании удалось совместить на логическом уровне гарвардскую и пристонскую архитектуру. AVR с одной стороны имеют независимые модули флеш-ПЗУ программ, флеш-ПЗУ данных и ОЗУ данных, адресуемых собственными шинами. С другой стороны, в адресном пространстве ПЗУ отобраны все системы и периферийные регистры.

1.14 Основные функциональные узлы микроконтроллера. Режимы и алгоритмы функционирования основных узлов. Оцифровка аналоговых сигналов микроконтроллером. ONChip-интерфейсы последовательной передачи данных. Тактирование и синхронизация микроконтроллеров, таймер–счетчик и сторожевой таймер. Методы и способы защиты памяти микроконтроллера. Специализированные однокристальные микроконтроллеры.