Быстродействующее ОЗУ на стандартных электронно-лучевых трубках

Александриди Т.М. Лавренюк Ю.А.

При создании первых ЭВМ в 40–50 г. 20-го столетия для построения ОЗУ были использованы статические триггеры на электронных лампах (в МЭСМ), что очень ограничивало возможный объем памяти. Кроме того, были задействованы магнитные барабаны и магнитные ленты, что позволяло реализовать только медленнодействующие ОЗУ. Очень остро стояла проблема построения быстродействующих ОЗУ. Весьма перспективным было признано ис- пользование эффекта хранения двоичной информации в виде электростатических зарядов, с их периодической регене- рацией. С этой целью в США и СССР были начаты соответствующие исследовательские и проектные работы по созда- нию специальных запоминающих электронно-лучевых трубок – потенциалоскопов.

В это время в СССР разработка первых ЭВМ проводилась по постановлению правительства в:

• СКБ-245 – «Стрела» – гл. конструктор Ю.Я. Базилевский,
• ИТМиВТ АН СССР – «БЭСМ» – гл. конструктор С.А. Лебедев.

В соответствии с этими постановлениями потенциалоскопы по мере изготовления передавались в первую очередь Базилевскому, затем – Лебедеву.

Поскольку в ЭНИН АН СССР проектирование ЭВМ М-1 выполнялось по личной инициативе чл.-корр. И.С. Брука и по решению только АН ССС , то он не мог рассчитывать на получение потенциалоскопов. В связи с этим по указанию И.С. Брука в сентябре 1950 г. силами молодого инженера В.В. Карибского и дипломницы радиофака МЭИ Т.М. Александриди были начаты на обычном осциллографе исследования возможностей использования стандартных электронно-лучевых трубок ( ЭЛТ) типа 13 ЛО-37 для построения на их основе быстродействующего ОЗУ.

Рис. 1. Блок-схема ЭП

Электростатическая память (ЭП) выполняет те же функции, что и магнитная память, с той разницей, что скорость выбора чисел в ней примерно в 100 раз выше, чем в МП, но не имеется возможности сохранить числа после выключения АЦВМ.

На рис. 1 изображена блок-схема электронной памяти ЭВМ М 1. Емкость ЭП в М-1 равнялась 256-ти 25-ти разрядным числам в двоичной системе и она построена по последовательно-параллельной структуре. Расположение 25-ти разрядного кода на экране трубки определяется за один временной такт, а сами числа (коды) вводятся и выводятся из блока памяти последовательно, разряд за разрядом. По техническим требованиям время на ввод или вывод одного числа не должно превышать 300 мк/сек, т. е. примерно 10 мк/сек на разряд. Кроме того, необходимо иметь возможность в нужный момент прочесть число или заменить старую запись новой по любому адресу.

Прежде чем перейти к описанию работы устройства следует кратко остановиться на физических процессах, лежащих в основе электростатической памяти. Собственно запоминающим элементом является электронно-лучевая трубка. В данном ОЗУ используются стандартные электростатические трубки типа 13 ЛО-37, которые разработаны для построения осциллографов. Числа хранятся в памяти в виде определенного распределения различных статических зарядов на экране электронно-лучевой трубки. Эффект запоминания (т. е. образования определенного потенциального рельефа) основан на явлении вторичной электронной эмиссии. При определенной величине ускоряющего напряжения коэффициент вторичной эмиссии экрана больше единицы, т. е. при бомбардировке экрана лучом число вторичных электронов, покидающих экран, больше числа первичных элек- тронов, попадающих на него. Вследствие этого облучаемый участок экрана приобретает положительный заряд. Если облучать экран лучом различного вида, например, сфокусированным и расфокусированным лучом, моду- лированным по отклонению или по яркости, то на экране будут образовываться различные потенциальные рельефы. Для того чтобы прочесть, что записано на экране, достаточно облучать этот элемент экрана лучом, модулированным каким-либо образом. При этом старый потенциальный рельеф в каждом отдельном элементе экрана заменяется новым. Таким образом, получается сигнал чтения – видеоимпульс, снимаемый с сигнальной пластины, которая имеет емкостную связь с экраном.

В нашем запоминающем устройстве принята система чтения-записи «фокус-дефокус». Так как в двоичной системе представления чисел существует лишь два символа: ноль и единица, то одному из них соответствует запись на экране сфокусированным лучом, другому расфокусированным. Чтение производится расфокусированным лучом, при этом в первом случае будет получаться положительный сигнал чтения, а во втором случае – лишь паразитные сигналы от включения и выключения луча. Рассмотрим сначала подробно, каким образом информация, помещенная в запоминающее устройство, хранится сколь угодно долго. Экран самой трубки обладает весьма небольшим временем запоминания - 0,2 сек. Далее заряд растекается по соседним участкам экрана благодаря имеющейся утечке. Следовательно, для того, чтобы сохранить то, что записано на экране, необходимо через время, меньшее 0,2 сек., снова возобновить запись, или, как говорят, регенерировать.

Допустим, что в принятой нами системе записи нуль записывается расфокусированным лучом, а единица – сфокусированным. Для расфокусировки на 1-й анод подается синусоидальное напряжение частоты 10 МГц и с амплитудой 80 вольт. Генератор высокой частоты модулируется триггером (назовем его триггер «фокус- дефокус») так, что в одном положении триггера, соответствующем чтению, генерируются в. ч. колебания, в другом же положении, соответствующем записи, генератор запирается. На одну из сеток триггера все время поступают тактирующие импульсы, так что он находится в положении «чтение». При чтении расфокусированный луч записывает на всех точках строки нули. При этом с сигнальной пластины снимаются видеоимпульсы чтения, которые усиливаются широкополосным усилителем с коэффициентом усиления 100 000. Выход усилителя подается на сетку клапана «чтение-регенерация-запись». Поэтому необходимо так выбрать постоянные времени в усилителе, чтобы сигнал успевал устанавливаться от точки к точке, но не появлялась бы постоянная составляющая, так как вследствие этого будет изменяться режим работы клапана.

Разберем работу схемы регенерации. При чтении с элемента экрана, на котором записана единица (фокус), получается положительный видеоимпульс, причем он нарастает очень быстро и достигает максимальной величины через 2 мсек. после начала ступеньки. Далее, он начинает спадать к среднему значению. Этот положительный сигнал поступает на управляющую сетку клапана чтения, а на пентодную сетку этого клапана подается строб, т. е. импульс длительностью порядка 1 мксек с амплитудой 80–90 в. Этот строб задержан относительно тактирующих импульсов таким образом, что он приходится примерно на максимум положительного сигнала. При совпадении этих двух сигналов на выходе клапана появляется отрицательный импульс, который подается на вторую сетку триггера «фокус-дефокус». Триггер сбрасывается в положение, соответствующее запиранию генератора, в.ч. луч фокусируется, и на этой точке экрана снова записывается единица. Затем луч переходит на следующую точку строки.

В описываемом запоминающем устройстве всего 9 трубок Ло-737, причем 8 из них используются в качестве запоминающих элементов, а 9-я служит для контроля. На экране каждой трубки расположены по вертикали 32 строки, каждая из которых содержит 25 точек. Соответствующий растр на экране трубки получается с помощью специальных ступенчатообразных отклоняющих напряжений. Эти напряжения одновременно подаются на вертикальные и горизонтальные отклоняющие пластины всех трубок с блоков строчной и кадровой развертки. Экраны всех восьми трубок представляют собой как бы один большой экран, на котором размещены 256 строк, причем луч при регенерации последовательно обегает весь этот воображаемый экран благодаря тому, что трубки «подсвечиваются» поочередно. Подсветка подается на сетку каждой из трубок отдельно с блока подсветки и представляет собой положительный прямоугольный импульс, длительность которого при регенерации равна периоду кадровой развертки.

У запоминающего устройства существует три различных режима работы: регенерация (т. е. собственно запоминание), чтение и запись. Выбор режима работы производится с помощью двух триггеров, управляющих клапанами, один из триггеров находится в блоке кадровой развертки и коммутирует клапан на 2 положения: регенерация – чтение (запись). При регенерации импульсы конца строк непрерывно поступают на схему кадровой развертки, и луч последовательно обегает строку за строкой, регенерируя то, что записано. При чтении (или записи) нам нужно попасть на какую-то определенную строку, иначе говоря, нужно знать «адрес» числа. Адрес числа состоит из номера трубки, на экране которой записано число, и номера строки на данном экране. Схемы разверток и засветки основаны на триггерных счетчиках. В каждой из схем разверток имеется 5-и разрядный триггерный счетчик, причем отклоняющее напряжение получается посредством суммирования в определенных «весовых отношениях» напряжений с триггеров.

Схема засветки содержит 3-х разрядный счетчик со сложным дешифратором, на входе которого получаются 8 смещенных по времени импульсов засветки. При чтении или записи на клапан «чтение–огозаписьрегенерация» приходит команда чтения или записи, синхронизированных с началом строки. При этом клапан запрещает поступление импульсов конца строк на схему кадровой развертки (и, следовательно, на схему развертки), т. е. счетчик перестает считать и как бы запоминает номер той строки, на которой остановилась регенерация. Одновременно счетчики отключаются от сумматора (в схеме развертки) и от дешифратора, и к ним подключаются триггеры селекционного регистра главного программного датчика (ГПД), где набран номер трубки и номер строки, на которой необходимо произвести запись или чтение.

Схема развертки выдает соответствующее отклоняющее напряжение, и луч попадает на нужную строку на выбранной нами трубке. Далее, следующий импульс конца строки устанавливает клапан в положение «регенерация», и луч снова непрерывно обегает экран, начиная с той строки, на которой мы остановились при поступлении команды чтения или записи. Блок трубки (рис. 2) собран на четырехугольном металлическом каркасе из уголков. На каркасе смонтирован трехслойный экран из пермаллоя. Внешний кожух блока трубки выполнен из 2х-миллиметровых листов «Армко».

Рис. 2. Схема включения трубки

Схема включения трубки представлена на рис. 2. Все трубки питаются от стабилизатора высоковольтного напряжения – 2200 в и добавочного стабилизатора – 1 1 5 в, используемого для подачи смещения на управляющую сетку трубки. Остальные напряжения для трубки получаются на внутренних делителях. Все напряжения, подаваемые на электроды трубки, должны быть высокостабильными. Для стабилизации накала трубки применена феррорезонансная схема. На переднюю панель блока трубки вынесены при помощи металлических тяг движки переменных сопротивлений, регулирующих яркость, фокусировку и напряжение на втором аноде трубки. ОЗУ на стандартных ЭЛТ использовалось также в ЭВМ М-2. Оно было построено по параллельной структуре на 512 чисел с временем обращения 25 мкс. Данное электростатическое ЗУ было наиболее быстродействующим из всех построенных в мире к 1952 г. запоминающих устройств. Быстродействующее ЗУ на потенциалоскопах в ИТМиВТ было введено в строй позднее.

На промышленной выставке ВДНХ в 1956 году был выставлен выносной пульт ЭВМ М-2, связанный телефонной линией с машиной, расположенной на Ленинском проспекте. Машина решала задачи, задаваемые с этого пульта, и выдавала распечатки результатов решения на рулонный телетайп, размещенный рядом с выносным пультом на ВДНХ. Когда начинался сеанс работы с машиной, посетители павильона ВДНХ, где демонстрировались достижения Академии наук СССР, собирались со всего зала и с интересом наблюдали за результатами распечатки. Это был первый опыт дистанционного управления работой ЭВМ.

Отзывы пользователей ЭВМ М-2

«… в институте построили отличную трехадресную машину М-2. Строил М-2 талантливый инженер М.А. Карцев. Он придумал очень удобную систему команд. Вероятно, система команд чем-то похожа на стихотворение - ее сочинение не терпит соавторства. Может быть, именно поэтому система команд М-2 получилась такой цельной – не сборная солянка, а поэма в кодах. По нынешним временам машина М-2 показалась бы очень убогой – всего 512 ячеек электронной и 512 барабанной памяти (со сквозной нумерацией). Но в 1954 году такая машина считалась отличной: у нее была плавающая запятая, а скорость доходила до 2000 действий в секунду».
А.С.Кронрод Беседы о программировании. М. Эдитронал УРСС, 2001.

«… Работая примерно с такой же скоростью, как и ЭВМ «Стрела», машина М-2 содержала в 4 раза меньше электронных ламп, потребляя в 7-8 раз меньше электроэнергии, занимала в 10 раз меньшую площадь (всего 22 кв. метра) и стоила примерно в 10 раз дешевле. Эти достижения были обусловлены применением обычных осциллографических ЭЛТ в качестве элементов ЗУ и полупроводниковых диодов в логических схемах…»
Е.Н.Филинов История информатики в России (бывшем СССР). Труды Международной конференции-выставки «Открытые системы – путь к новому миру». 17–20 апреля 1995 г. Москва.

Об авторах: Московский автомобильно-дорожный институт (Государственный технический университет) alexandridi@mail.ru
Институт проблем информатики РАН
Материалы международной конференции SORUCOM 2011 (12–16 сентября 2011 года)
Статья помещена в музей 11.10.2011 с разрешения авторов