Классификация функциональной структуры средств ВТ. Уровни компоновки и конструкции

Любое устройство обработки и ЭВМ в целом содержат в себе некоторый набор функциональных структурных уровней, обеспечивающих удобство проектирования, разработки, контроля и выпуска конструкторской документации. Трудно себе представить разработку устройства, например, с интеграцией 100 тыс. ЛЭ, не имеющего промежуточных структурных объединений и состоящего только из объединенных связями элементарных логических элементов. Каждый последующий функциональный уровень базируется на предыдущем, количество которого может изменяться в широких пределах: от минимального, исчисляемого единицами, до максимального, исчисляемого десятками, сотнями и более единиц.

Самым минимальным функциональным уровнем, присутствующим всегда, является логический элемент, выполняющий элементарную логическую функцию типа И, И‑НЕ. Такой элемент обычно именуют термином “базовый ЛЭ” (БЛЭ).

Максимальным функциональным уровнем является либо сама ЭВМ, либо вычислительный комплекс (ВК), состоящий из нескольких процессоров или ЭВМ, либо вычислительная система (ВС), состоящая из нескольких ВК, что определяется задачей разработки.

Поэтому представляется целесообразным представить функциональный состав изделия в виде иерархии (структуры) функциональных уровней, а именно:

базовый ЛЭ (БЛЭ) – функциональный элемент (ФЭ) –
– функциональный узел (ФУ) – функциональный блок (ФБ) –
– устройство (У) – процессор – ЭВМ – ВК – ВС.

Каждый из перечисленных уровней предназначен для выполнения определенной функции и представляет собой совокупность элементов нижестоящего уровня, что можно рассматривать как некую иерархическую функциональную модульность устройства, ЭВМ, ВК или ВС. С конструктивной точки зрения эту функциональную модульность можно рассматривать как набор компоновочных уровней, находящихся в полном соответствии со структурой функциональных уровней.

В то же время, кроме компоновочных уровней, имеют место уровни конструкции, представляющие собой соответствующую чисто конструктивную иерархию. Уровни конструкции и уровни компоновки могут совпадать и не совпадать. Если для устройств и ЭВМ III‑го поколения эти уровни, как правило, совпадают, то для устройств и ЭВМ IV‑го и V‑го поколений это совпадение исключается.

Это связано прежде всего с тем, как понимать назначение нового поколения, пришедшего на смену старому. Каждое новое поколение СВТ несет в себе значительное улучшение всех технико-экономических характеристик изделия. Это и более высокая плотность компоновки, а значит и снижение габаритных размеров и массы, это и увеличение быстродействия и функциональных возможностей и т.д. Вместе с тем, эти высокие характеристики могут быть достигнуты только в результате соответствующего “подтягивания” к уровню развития элементной базы широкого спектра элементов конструктивно-технологической базы. В этом плане развитие элементной базы можно рассматривать как движущую силу совершенствования всей остальной части технической базы (корпусов микросхем, соединителей, печатных плат, проводов, кабелей и др.), которая должна находиться во вполне определенном соответствии с элементной базой. Трудно представить себе возможность создания современного функционального узла или блока, содержащего несколько десятков БИС или СБИС, если в распоряжении имеется, напр., только технология двусторонних печатных плат, или технология соединителей, обеспечивающая крайне низкую плотность и малое число контактов.

Суть заключается в том, что разные технические средства (кристаллы и корпуса БИС, печатный монтаж и др.), в том числе средства проектирования и контроля, не имеют единого временного интервала обновления. Полупроводниковая технология развивается значительно быстрее, чем другие технологии. Поэтому смена поколений сопровождается, как правило, значительным и широким обновлением всей технической базы СВТ. Существует расхожее мнение, что смена поколений СВТ происходит каждые 5 лет. Однако это не совсем так. Пример, приведенный на рис. 1.2, несмотря на приближенность оценки, свидетельствует о том, что смена поколений происходит примерно через 10 – 12 лет, причем каждое новое поколение не уменьшается по времени, а имеет тенденцию к увеличению.

Проведенный анализ может служить основанием определенного (с конструктивно-технологических позиций) понимания назначения нового поколения, суть которого заключается в том, что микросхема нового поколения заменяет структурную единицу, построенную на микросхемах предыдущего поколения. Например, БИС заменяет ФУ на ИС, а СБИС заменяет ФБ на БИС и т.д. Полная картина примерного соответствия поколений элементов (ИС, БИС, СБИС) иерархии функциональной модульности приведена в табл.1.3. Здесь же приведено обозначение (нумерация) уровней конструкции и уровней компоновки, где уровень БЛЭ принят за 0‑ю точку отсчета.

Как видно из табл. 1.3, нумерация конструктивных уровней смещается по мере перехода из одного поколения СВТ в другое, более высокое. При этом нумерация уровней компоновки не меняется, оставаясь в полном соответствии с нумерацией элементов функциональной структуры.

Учет структуры уровней компоновки элементов и устройств является крайне важным и принципиальным моментом при проектировании конструкций. При этом наиболее важное значение имеют низшие уровни компоновки, входящие в состав устройств ЭВМ. Количество таких уровней может быть разным и зависит, как правило, от функционального объема (суммарного числа ЛЭ, т.е. интеграции) устройства, функционального объема (интеграции) отдельных его частей, компонуемых на своих уровнях, методов компоновки и др. Приведем краткое описание пяти основных низших компоновочных уровней.

Эта страница оставлена для таблицы 1.3

0‑й уровень. Это исходный уровень (исходный нулевой базис), представляющий собой неделимый логический элемент (логический вентиль), выполняющий простейшие элементарные логические функции типа И, И‑НЕ. В качестве такого базиса используется эквивалентный (или условный) логический элемент (ЭЛЭ), содержащий 3…4 входа и 1 выход. Нулевой уровень является тем минимальным базовым элементом любого устройства ЭВМ, на основе которого строятся все последующие структурные уровни компоновки, превращаясь в элементы более высокого ранга.

1‑й уровень. Этот уровень, построенный на основе исходного 0‑го уровня, представляет собой совокупность (множество) ЭЛЭ, не имеющей внутренних структурных объединений. К 1‑му уровню компоновки можно отнести схемы элементов типа: ИС малой и средней степени интеграции и функциональных элементов (ФЭ) БИС, построенные на основе базовых или топологических ячеек (напр., ФЭ матричных БИС). Этот уровень можно именовать как уровень ФЭ.

2‑й уровень. Это уровень, построенный на основе схем элементов 1‑го уровня компоновки, в котором имеются внутренние структурные объединения в виде ИС или ФЭ БИС. Ко 2‑му уровню компоновки можно отнести функциональные узлы (ФУ) устройств типа: ТЭЗ на ИС, а также матричный БИС на ФЭ. Данный уровень можно именовать как уровень БИС, или уровень ФУ на ИС.

3‑й уровень. Это уровень, построенный на основе элементов 2‑го уровня компоновки, имеющий два вида структурных объединений: например, ФЭ и сам МаБИС. Сюда можно отнести множество функциональных блоков (ФБ) устройств, компоновка которых выполнена, например, в виде СБИС, содержащего ФУ и ФЭ; или в виде большого ТЭЗ, построенного на основе БИС, использующей ФЭ; или в виде панели, построенной на основе ТЭЗ, использующих в свою очередь ИС. Этот уровень можно именовать как уровень СБИС, или уровень ФБ на БИС.

4‑й уровень. Это один из наибольших низших уровней компоновки устройства в целом. На этом уровне осуществляется, главным образом, компоновка элементов 3‑го уровня, т.е. ФБ, входящих в данное устройство. Примером компоновки 4‑го уровня может быть компоновка обрабатывающего устройства процессора ЭВМ, выполненная в виде панели с ТЭЗами на БИС, или панели на многокристальных модулях (МКМ), построенных с использованием БИС. Этот уровень компоновки можно именовать как уровень устройства. Уровни устройств ЭВМ, объединяясь между собой в процессор, могут создавать 5‑й и др. уровни компоновки при необходимости.

Характеризуя уровни компоновки средств ВТ, необходимо иметь в виду, что наибольшим (т.е. конечным) низшим уровнем компоновки является тот, который содержит в своей основе объединительную печатную плату (или другой объединительный коммутационный элемент). Гипотетически любой из уровней компоновки (кроме 0‑го уровня) можно рассматривать в виде конечного. Например, уровень ФЭ или уровень БИС, в которых логическая схема устройства гипотетически могла бы быть реализована на кристаллах, имеющих очень большие размеры; или уровни ФУ и ФБ (напр., ТЭЗ на ИС или БИС), в которых для технической реализации заданной логической схемы устройства может рассматриваться многослойная печатная плата, условно имеющая неограниченные размеры и слойность. Поэтому самыми предельными (низшими) реальными уровнями компоновки устройств могут быть такие уровни как 4‑й или 5‑й, использующие в обязательном порядке объединительную печатную плату.

Вместе с тем, следует также отметить, что конструктивный уровень ЭВМ и уровень компоновки ЭВМ не являются тождественными понятиями и, как правило, они не совпадают по номеру уровня. Так, например, нулевой уровень не имеет соответствующего аналога в виде конструктивного уровня. Другой пример, касающийся БИС. Если БИС выполнена на основе только 0‑го уровня компоновки, т.е. на основе множества одних ЛЭ, то она относится к 1‑му уровню компоновки и соответственно к 1‑му конструктивному уровню, согласно известной (напр., в ЕС ЭВМ) классификации конструктивных уровней ЭВМ. В то же время матричная БИС (МаБИС) отличается от нематричной, т.к. в ней имеет место два уровня компоновки (1‑й – это уровень компоновки ЛЭ в ФЭ, а 2‑й – это уровень компоновки ФЭ в МаБИС). В результате получается, что МаБИС относится ко 2‑му уровню компоновки, а в конструктивном плане будет представлять собой 1‑й конструктивный уровень ЭВМ.

Аналогичная ситуация может иметь место и на других конструктивных уровнях ЭВМ более высокого ранга. Так, например, на панели, относящейся к 3‑му конструктивному уровню ЭВМ (по классификации ЕС ЭВМ), могут иметь место 4‑й и 5‑й уровни компоновки, или одновременно оба эти уровня вместе взятые.

Поиск по сайту: