4. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ Машина, подлежащая разработке, конструированию и изготовлению в лаборатории, представляет собой уникальное, в целом очень сложное электронное устройство. Она составлена из большого количества нескольких основных типов схем и элементов. Кроме чисто электронных и магнитных узлов имеются также электромеханические узлы. Машина отличается не только конструктивной и схемной сложностью, но и новизной принципов действия и схем, поэтому требуется выполнить большой объем как производственных, так и научно-исследовательских работ. Это обстоятельство, а также характер конструкций и схем машины определили основную структуру лаборатории.
Лаборатория проектируется в составе научно-исследовательского отделения, конструкторского бюро, производственных мастерских и административно-хозяйственных служб.
Научно-исследовательское отделение состоит из нескольких групп, разрабатывающих отдельные сходные между собой по принципу действия или назначения элементы машины.
В задачу этих групп входит разработка, изготовление и испытание макетов отдельных элементов и узлов. Для ускорения и облегчения экспериментов, по опыту других лабораторий в некоторых группах предусматривается станочное оборудование для механических работ по макетированию.
Как уже упоминалось выше, разрабатываемая машина составлена из нескольких основных типов блоков и узлов. Из этих же блоков и узлов в дальнейшем могут быть составлены цифровые вычислительные машины для других специальных назначений. Поэтому на разработку и исследование их должно быть обращено особое внимание. Для этих основных блоков должна быть определена зависимость всех технических и конструктивных показателей от разброса параметров деталей, нестабильности источников питания, влияния температуры, влажности и т. д.
Должны быть составлены таблицы и монограммы для выбора деталей в зависимости от различных условий: скорости работы, длительности импульса, входных и выходных напряжений, стабильности источников питания и т. д.
На основании результатов разработок и испытаний макетов конструкторское бюро конструирует и составляет рабочие чертежи для изготовления машины в производственных мастерских.
При конструировании должно быть обращено особое внимание на нормализацию и взаимозаменяемость деталей, блоков и узлов. Те из готовых деталей и изделий, которые подвержены износу, должны быт исключительно отечественного производства из числа освоенных или намечаемых к освоению.
При конструировании отдельных блоков, узлов и всей машины в целом должно быть обращено внимание на легкость доступа к деталям для осмотра и замены их. Габариты и вес машины не лимитируются. Производственные мастерские в целом носят характер индивидуального, опытного производства, но в то же время некоторые элементы могут изготовляться мелкими сериями. Значительную долю трудозатрат составляют сборочные и монтажные работы.
Изделия, в основном простой формы и невысокой точности, монтируются в отдельные блоки, собираемые на каркасном основании в сложные и деликатные устройства, требующие тщательной настройки и регулировки. Изготовление некоторых деталей небольшими сериями потребует специального инструмента и приспособлений. Работы по разработке, конструированию и изготовлению делятся на два этапа:
1. Разработка и составление эскизного проекта
2. Разработка и изготовление машины.
Эти два этапа делятся на следующие подэтапы:
1. Разработка и составление эскизного проекта: а) составление общей блок-схемы машины; б) составление блок-схемы отдельных узлов; в) заполнение блок-схемы старыми и вновь сочиненными схемами; г) теоретический анализ вновь сочиненных схем; д) экспериментальная проверка некоторых схем; е) составление эскизного проекта и детализация объема дальнейших работ.
2. Разработка и изготовление машины: а) экспериментальная проверка отдельных схем; б) экспериментальная проверка отдельных узлов; в) экспериментальная проверка совместной работы узлов; г) экспериментальное исследование с целью определения допустимого разброса деталей, стабильности в рабочих условиях, требуемой стабильности напряжения, требуемой мощности, рассеиваемой мощности и т. д.; д) корректировка схемы с целью устранения нерационально использованных ламп, деталей и т. д.; е) рациональная разбивка схемы на электрические подузлы; ж) составление заданий для конструирования и конструирование машины; з) изготовление машины; и) налаживание, регулировка и испытание машины; к) составление методики обнаружения и устранения неисправностей; л) составление отчета и инструкции к пользованию машиной; м) предварительные эксплуатационные испытания машины; о) внесение изменений и исправление недостатков; п) государственные испытания и сдача машины.
6. СОСТАВ ЛАБОРАТОРИИ
На основании анализа научно-исследовательских и конструкторских работ, а также видов обработки изделий в производственных мастерских и опыта других НИИ и лабораторий, проектом установлен состав Лаборатории, указанный в таблице № 3.
Таблица № 3
В эту таблицу не включено энергетическое и складское хозяйство (котельные, трансформаторная подстанция), так как проектом предусматривается не новое строительство, а только переоборудование готовых помещений и мастерских.
«Урал» — семейство цифровых вычислительных машин общего назначения, ориентированных на решение инженерно-технических и планово-экономических задач. Первые четыре модели семейства — «Урал-1», «Урал-2», «Урал-3» и «Урал-4.» — были ламповыми, «Урал-П», «Урал-14» и «Урал-16» — на полупроводниковых элементах.
Созданная в 1957 г. «Урал-1» по производительности относилась к малым машинам (в основном инженерного применения) и отличалась дешевизной. Машина имела развитую систему команд (несколько минимальных форматов) с безусловной и условной передачей управления, систему сигнализации и ручное управление, позволявшее следить за исполнением программы и вмешиваться в ход ее выполнения для внесения исправлений в процессе отладки. Основные технические характеристики машины: система счисления — двоичная, форма представления чисел — с фиксированной запятой, разрядность — 36, система команд — одноадресная, быстродействие — 100 операций в 1 сек. Оперативное ЗУ машины — на магнитном барабане, объемом 1024 слова (скорость вращения 6000 об/мин), дополнялось внешним ЗУ на магнитной ленте (40 тыс. слов) и перфоленте (10 тыс. слов). В качестве устройства ввода-вывода использовались клавишное печатающее устройство и устройство на перфоленте.
В дальнейших моделях — «Урал-2», «Урал-3», «Урал-4» было введено феррит-ное ЗУ, расширена емкость внешних ЗУ на барабане (8x8192 слов) и магнитной ленте (12x260 тыс. слов), а также значительно расширен набор устройств ввода-вывода. Характерно, что уже машины «Урал-2», «Урал-3», «Урал-4» образовывали ряд программно и аппаратно совместимых моделей с комплектуемым по потребностям применения составом устройств, позволяющим в некото-рьЬс пределах варьировать производительность машины.
Ц 1964-72 гг. создан ряд также программно и аппаратно совместимых моделей «Убал-П», «Урал-14» и «Урал-16», на единой конструктивной, технологической и схемной базе, обладающих следующими чертами. Машины образуют конст-рук-гивно, схемно и математически совместимый ряд ЭЦВМ с различной проивводительностью, гибкой блочной структурой, с широкой номенклатурой устройств со стандартизированным способом подключения, позволяющим составлять! комплект машины, наиболее подходящий для данного конкретного применения; предусмотренные конструктивные и схемные возможности позволяют комплектовать вычислительные системы, состоящие из нескольких машин; предусмотренные возможности резервирования отдельных устройств машин позволяют создавать системы повышенной надежности: система схемной защиты данных, независимость программ от их места в памяти, система относительных адресов, развитая система прерываний и соответствующая система команд позволяют организовать одновременное решение нескольких задач; возможность работы в режимах с плавающей и фиксированной запятой, в двоичной и десятичной системах счисления, выборка и выполнение операций со словами фиксированной и переменной длины позволяют эффективно решать как планово-экономические, так и научно-технические задачи; система аппаратного контроля обеспечивает контроль хранения, адресации, передачи, ввода, вывода и обработки данных; большая емкость оперативного ЗУ с непосредственной выборкой слов переменной длины, эффективные аппаратные средства контроля и защиты памяти, ступенчатая адресация, развитая система прерываний и приостановок, возможность подключения памяти большой емкости с произвольной выборкой на магнитных барабанах и дисках, наличие датчика времени, аппаратуры сопряжения с каналами связи и пультов операторов для связи с машиной дает возможность строить различные системы обработки данных коллективного пользования, работающие в режиме разделения времени; унификация элементов, блоков и устройств обеспечивает хорошую технологичность серийного производства машин. Последние три модели семейства построены на полупроводниковых элементах модульной конструкции, и по чисто формальным признакам (элементная база) их надо отнести к электронным вычислительным машинам второго поколения, хотя в архитектуре их имеется много черт, присущих машинам третьего поколения.
Основные технические характеристики последней модели семейства — машины «Урал-16» таковы: представление данных — слова переменной длины, числа с плавающей запятой, числа с фиксированной запятой переменной разрядности, символы; длина слова (в битах) — 1, 2…, 48; длина массива информации (в битах) — 24, 48…,98303; разрядность чисел с фиксированной запятой — 1, 2…, 48, с плавающей запятой — мантиса 39, порядок 7; система счисления — двоичная; система команд — 300 одноадресных команд; система адресации — относительная, ступенчатая (номер массива — начало подмассива — относительный адрес слова заданной длины); время выполнения операций сложения 48-разрядных слов — 10 икс, умножения — З0 мкс; количество каналов сигналов прерывания — 64 + 24; количество уровней прерывания — 64. Оперативное ЗУ — на ферритовых сердечниках, емкостью 131–524 тыс. слов, внешние ЗУ на магн. барабане — 98-784 тыс. слов, на магнитных дисках — 5 — 40 млн. слов, на магнитных лентах — 8 — 48 млн. слов (слова длиной 24-2 бита). В качестве устройства ввода используют устройство на перфокартах — 700 карт в 1 мин., на перфоленте — 1000 строк в 1 сек, ввод с каналов связи — до 2,2 млн. бит в 1 сек. В качестве устройств вывода используют печатающее устройство, производительностью 400 строк (по 128 знаков) в 1 мин., устройство на перфокартах — ПО карт в 1 мин., выходной перфоратор — 80 строк в 1 сек, вывод в каналы связи — до 2,2 млн. бит в 1 сек., алфавитно-цифровое печатающее устройство 800 строк в 1 мин. Имеется также экранный пульт — устройство индикации, предназначенное для реализации диалога режима — с максимальным объемом воспроизводимых данных — 2048 символов. Основу системы математического обеспечения последних моделей семейства «Уралов» составляет универсальная программа-диспетчер, выполняющая фуйк-ции операционной системы. В состав математического обеспечения входит также автокод АРМУ, обеспечивающий полную совместимость программ от меньшей модели к большей и запись на нем алгоритмов решения определенного круга задач. АРМУ обеспечивает запись программ для работы со словами и массивами переменной длины, выполнение операций над числами в двоичной и десятичной системах счисления с плавающей и фиксированной запятой. В системе математического обеспечения предусмотрен транслятор с АРМУ на машинный язык. Имеются программы отладки на уровне языков машин и автокода АРМУ, для обнаружения неисправностей набор тест-программ. Библиотека программ, содержащая стандартные программы и программы решения различных задач, комплектуется из программ, написанных на языках отдельных ЭЦВМ, АРМУ, АЛГОЛ-60, АЛГАМС и АЛГЭК. Предусмотрено расширение библиотеки за счет программ, написанных на других языках и автокодах, после разработки соответствующих трансляторов с этих языков на язык АРМУ.
Главный конструктор машин «Урал»
главный инженер НИИУВМ Б. РАМЕЕВ
27 апреля 1963 г.
Выдержки из Введения к 1 части Аван-проекта ВВЕДЕНИЕ
На основании изучения типовых применений, организационных форм использования, изучения технических заданий на ряд систем переработки и материалов по зарубежным машинам разработчики пришли к выводу, что для удовлетворения основных потребностей народного хозяйства достаточен небольшой набор вычислительных машин и машины могут быть в значительной степени унифицированы с точки зрения конструкции, технологии, схем, структуры, входных языков, систем автоматизации программирования и условий эксплуатации.
Как известно, вычислительная техника принадлежит к тем отраслям науки и техники, которые развиваются особенно быстро, поэтому вычислительные машины очень быстро морально стареют. Они становятся все более сложными, в связи с этим требуют значительного времени для разработки и освоения в серийном производстве.
Выход из этого положения, очевидно, нужно искать в унификации.
Унификация элементов, устройств и машин позволит сократить сроки разработки и освоения в производстве. Унификация входных языков, систем команд позволит сократить сроки внедрения и резко повысить эффективность использования вычислительных машин в народном хозяйстве.
Унификация даст возможность сократить номенклатуру и увеличить количество изделий вычислительной техники, окажется целесообразной организация специализированных производств для выпуска унифицированных элементов, узлов и устройств, что даст возможность повысить качество изготовления и снизить стоимость.
Ограниченный типаж машин облегчит условия технической и математической эксплуатации большого парка машин (обеспечение запасными частями, обучение кадров обслуживающего персонала и программистов, модернизация машин и т. д.).
Ограниченный набор вычислительных машин и устройств различной производительности и назначения, могущих обмениваться информацией, позволяет создавать крупные системы для переработки информации, состоящие из многих машин, соединенных линиями связи. Различные ступени такой системы могут быть оборудованы машинами соответствующей производительности и сложности.
Все, что представлено в аваппроекте, базируется на реальных ОКР, серийно выпускаемых или осваиваемых, узлах и механизмах и освоенных технологических процессах.
Универсальность устройств, из которых составлены машины, гибкая блочная структура, позволяющая в широких пределах менять комплектность машин как по количеству, так и по типам устройств, возможность замены одних устройств другими с лучшими параметрами, добавление новых устройств, наличие развитой системы прерывания и связанная с этим возможность одновременной работы многих устройств, гибкая система команд, приспособленная к требованиям автоматизации программирования и многопрограммной работы, возможность объединения машин в системы, применение полупроводниковых приборов делает машины, представленные в аван-проекте, достаточно морально устойчивыми и ставит их на уровень наиболее распространенных зарубежных машин.
Наряду с введением новых принципов, перечисленных выше, при разработке обращалось особое внимание на технологичность конструкций.
Разработанные модульные схемные элементы, из которых построены все устройства и машины, рассчитаны на специализированное производство с использованием механизированных процессов, имеют малую номенклатуру простых схем и типономиналов деталей. Полупроводниковые приборы используются без отбора и без дополнительных, к действующим ТУ, требований. В конструкции узлов, блоков и устройств также учтены требования технологичности, связанные с необходимостью их крупносерийного производства.
Для сравнительно сложных машин и систем, рассмотренных в аван-проекте, одним из важнейших вопросов является вопрос надежности, поэтому повышению надежности при разработке обращалось особое внимание и во всех случаях, когда это оказывалось возможным, параметры надежности определялись и регламентировались.
… Разработка и освоение в производстве машин, рассмотренных в аван-проекте, может явиться переходным этапом в разработке универсальных вычислительных машин на микроминиатюрных элементах и может существенно сократить сроки появления нового поколения машин.
Для всех элементов, узлов, устройств и машин, рассмотренных в аван-проекте, приводятся проекты технических заданий на разработку, содержание которых дополняет информацию, имеющуюся в кратких описаниях.
Вычислительная машина «Сетунь» Московского Государственного университета
Общая характеристика машины
Вычислительная машина «Сетунь» представляет собой автоматическую цифровую машину, предназначенную для решения научно-технических задач. Это одноадресная машина последовательного действия с фиксированным положением запятой.
Особенностью машины в математическом отношении является использование троичной системы счисления с коэффициентами 1, 0, -1.
В инженерном отношении машина примечательна тем, что в качестве основного элемента схем в ней применен магнитный усилитель с питанием импульсами тока. Такой усилитель состоит из нелинейного трансформатора с миниатюрным ферритовым сердечником и германиевого диода. Необходимые для реализации троичного счета три устойчивых состояния получаются с помощью пары усилителей. Общее число усилителей в машине — около четырех тысяч. Электронные лампы использованы в машине для генерирования импульсов тока, питающих магнитные усилители, и импульсов записи на магнитный барабан. Полупроводниковые триоды применены в схемах, обслуживающих матрицу запоминающего устройства на ферритовых сердечниках и в усилителях сигналов, считываемых с магнитного барабана.
Внутренние устройства машины работают на частоте 200 кГц, выполняя основные команды со следующими затратами времени: сложение — 180 мксек, умножение — 325 мксек, передача управления — 100 мксек.
Длина слова в арифметическом устройстве машины — 18 троичных разрядов. Команда кодируется полусловом, т. е. девятью разрядами. В запоминающем устройстве каждая пара полуслов, составляющая полное слово, и каждое полуслово в отдельности наделены независимыми адресами. Число, представленное полусловом, воспринимается арифметическим устройством как 18-разрядное с нулями в младших разрядах.