Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Чернівецький національний університет

імені Юрія Федьковича

Підлягає поверненню на кафедру

Основи конструювання

обчислювальної техніки

Навчальний посібник

Частина 1

Чернівці

Чернівецький національний університет

2011

ББК 32.973.2 – 02я73

О - 751

УДК 004.3’12 (075.8)

Друкується за ухвалою редакційно-видавничої ради Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича

О - 751 Основи конструювання обчислювальної техніки : навчальний

посібник : у 2 ч. / укл. : А.П. Федоренко, С.В. Баловсяк. – Ч.1. – [Вид. 2-ге, випр. і доповн]. – Чернівці : Чернівецький нац. ун-т, 2011. – 76 с.

ISBN - 966 – 568 – 812 - Х

У посібнику викладено теоретичні основи конструювання обчислювальної техніки, наведено узагальнені методи аналізу та синтезу. Розглянуто системний підхід до проектування обчислювальної техніки, при якому електричні, електромагнітні, теплові та механічні процеси, що впливають на функціональні показники приладів, розглядаються у взаємодії. Викладено принципи нової технології проектування, яка полягає в заміні реального об’єкта його математичною моделлю, що дозволяє не тільки зменшити час розробки приладів, але й підвищити їх надійність.

Для студентів, які навчаються за напрямами підготовки „Радіотехніка”, „Комп’ютерна інженерія”.

ББК 32.973.2 – 02я73

ISBN - 966 – 568 – 812 – Х

© ЧНУ, 2011

Вступ

Цей навчально-методичний посібник висвітлює питання курсу „Основи конструювання обчислювальної техніки”.

Конструювання є органічною складовою більш широкого процесу, який пов’язаний із розробкою технічного проекту, виробництвом і експлуатацією виробу. Процес конструювання не можна звести до окремих конструкторських рішень, прикладів та рекомендацій. Дуже важливо дати правильне й змістовне уявлення про загальні закономірності конструювання, його проблеми та перспективи. Тому конструювання обчислювальної техніки (ОТ) ми розглядаємо як прикладну наукову дисципліну, що узагальнює методи аналізу та синтезу конструювання. В той же час особливу увагу в цьому курсі приділено викладенню теоретичного фундаменту конструювання [1-8]. Ми лише торкнемося такого виду інженерної діяльності, як розробка технічної документації. Конкретніше з цим студент стикається при виконанні курсових робіт та дипломного проекту.

Теорія конструювання обчислювальної техніки формується на основі вивчення та врахування тих фізичних процесів, які реально впливають на її функціональні показники. В першу чергу, це електричні, електромагнітні, теплові та механічні процеси [9-11]. Ці різні за своєю фізичною природою процеси певним чином взаємопов’язані між собою. Сучасне проектування ОТ вимагає системного підходу, при якому всі фізичні процеси розглядаються у взаємодії. Такий підхід потребує розгляду складних фізичних та математичних моделей.

Математичне моделювання є принциповою ознакою сучасного конструювання. Успішний розвиток цього напряму теорії конструювання пов’язаний із застосуванням комп’ютерів як головного засобу розробки та створення високоякісної конструкції. Завдяки застосуванню комп’ютерів розроблена принципово нова технологія проектування. Її суть полягає в заміні реального об’єкта математичною моделлю та подальшому дослідженні цієї моделі з допомогою комп’ютера. Трудомісткий та довготривалий фізичний експеримент на макетах та дослідних зразках замінюється обчислювальними процедурами згідно з математичною моделлю.

Застосування ОТ дозволяє провести аналіз функціональних можливостей різних варіантів конструкції як складної системи.

Системний аналіз функціональної точності та надійності конструкції, що проектується, дозволяє правильно вибрати значення внутрішніх параметрів виробу ще на стадії розробки. При цьому можна врахувати зовнішні та внутрішні умови роботи й навіть умови виробництва, що суттєво скорочує випробування нового виробу та відповідні зміни в його конструкції.

У невеликому за обсягом курсі ми можемо викласти лише основні підходи до здійснення зазначених фундаментальних процедур автоматизованого проектування ОТ. Отже, мета цього посібника – викладення основних задач конструювання обчислювальної техніки, які розв’язуються на етапі науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт. Задачі конструювання складають основу теорії конструювання ОТ на базі системного підходу до її розробки з урахуванням технології виготовлення та умов експлуатації.

1. Принципи конструювання обчислювальної техніки

1.1. Основні задачі конструювання

Сучасна обчислювальна техніка відноситься до радіоелектронної техніки. Саме електронна обчислювальна машина – найпотужні­ший засіб ОТ. Її основні функціональні елементи містять у собі напівпровідникові прилади, інтегральні схеми тощо. Прийом, обробка, збереження та передача інформації з допомогою ОТ здійснюється засобами як електроніки, так і радіотехніки [12-17]. Використання в радіоелектроніці електромеханічного обладнання та систем живлення, тепловідведення, контролю, віброзахисту визначає обчислювальний засіб як радіоелектронний засіб (РЕЗ). Тому загальні положення відносно РЕЗ стосуються повною мірою й ОТ.

Головне завдання конструювання РЕЗ – створення мало­габаритного, високоефективного та надійного РЕЗ, виробницт­во й експлуатація якого можливі при обмежених витратах трудових, енергетичних і матеріальних ресурсів. Із цього випливають три основні задачі конструювання: якісне функціонування, мікромініатюризація та технологічність. Ці задачі хоча й різні, але взаємопов’язані. Розглянемо зміст кожного із них окремо.

Спроможність РЕЗ здійснювати функціональне призначення є головною його властивістю. Та функціонування повинне бути якісним. Задача якісного функціонування базується на забезпеченні потрібної точності та надійності, які є настільки загальними показниками якості РЕЗ, що є наслідками усього комплексу прийнятих конструкторських рішень, рівня виробництва та організації експлуатації. Проблеми точності та надійності будуть вивчатися в наступних розділах.

Задача мікромініатюризації полягає у мінімізації маси, об’єму та енергоспоживання. Це завдання породжує ряд суперечностей, тому теж успішно розв’язується лише при комплексному підході. Наприклад, точність та надійність найпростіше підвищити шляхом ускладнення електричної схеми, але це суперечить завданню мініатюризації. Ще не так давно задачу мініатюризації розглядали тільки у схемотехнічному напрямі. Але такий підхід себе швидко вичерпав. Сьогодні задача мініатюризації розв’язується як у схемотехнічному, так і в конструкторському напрямах. Комплексна задача мініатюризації спрямована на відповідний вибір елементної бази, матеріалів, оптимальної структури конструкції, систем живлення, охолодження, автоматики, віброзахисту тощо. Комплексна мініатюризація РЕЗ вимагає комплексного використання кращих досягнень промисловості в цілому.

Задача мікромініатюризації породила задачу охолодження РЕЗ. Зменшення маси та об’єму не вдається забезпечити відповідним зменшенням енергоспоживання. В результаті кількість теплової енергії в одиниці об’єму конструкції зростає. Як наслідок, підвищується температура елементів та зменшується надійність конструкції в цілому. Задача охолодження, що полягає в забезпеченні достатньо інтенсивного тепловідведення, є сьогодні актуальною.

Найбільш формалізованою є задача технологічності.

Технологічність конструкції виробу – це сукупність властивостей, що забезпечують оптимізацію витрат на проектування, виробництво та експлуатацію в межах заданих показників якості, об’єму випуску та рівня виробництва.

Технологічність РЕЗ зручно визначати як суму витрат B_ на проектування B_П, виробництво В_В, експлуатацію В_Е та ремонт В_Р. Типовий графік таких витрат, що забезпечують певний рівень якості К, показаний на рис. 1.1. Точка К₀ при мінімальних

Рис. 1.1. Визначення технологічності

витратах В₀ є базовою для визначення технологічності на даному етапі розвитку техніки. Ця точка з роками має тенденцію дрейфу в напрямі зростання К₀ і зменшення В₀. Такі зміни особливо характерні багатосерійному та масовому виробництву.

Фактично технологічність є відносним показником, що служить для порівняння ефективності застосування виробів.

Ідеальне порівняння та оцінку технологічності можна зробити стосовно варіантів конструкції одного й того ж виробу. Достатньо хорошу оцінку можна зробити стосовно однотипних виробів із близькими конструктивними ознаками, умовами виготовлення та експлуатації й показниками якості. Саме таке порівняння визначило підвищення технологічності шляхом уніфікації та стандартизації продукції та засобів виробництва. Уніфікація в техніці означає зведення різновидів продукції та засобів виробництва до раціонального кількісного мінімуму. Уніфікація та стандартизація сприяли розвитку багатосерійного та масового виробництва. Це у свою чергу сприяло росту передових технологій. Хоча уніфікація породжує надлишкову функціональність РЕЗ, зате супроводжується високим ростом точності, надійності та зниженням собівартості.