Универсальная цифровая вычислительная машина “МИФИ”

Я. А. Хетагуров

Вычислительная машина “МИФИ” была создана на факультете вычислительных математических устройств на кафедре “Математические счетно-решающие приборы и устройства” Московского инженерно-физического института (МИФИ). Разработка вычислительной машины началась в 1957 г. В 1958 г. она была изготовлена в экспериментальных производственных мастерских МИФИ, а в 1959 г. отлажена и сдана Государственной комиссии. В этом же году началась ее эксплуатация. На ней выполнялись расчетные лабораторные работы, велось обучение программированию и проводились расчеты по заданиям кафедр института. В 1964 г. машину разобрали в связи с невозможностью ее перевозки в новое здание института на Каширском шоссе.

Вычислительная машина “МИФИ” была одной из первых машин в Советском Союзе, созданных в учебном заведении. Ее появление в МИФИ обусловлено двумя обстоятельствами: невозможностью получения первых цифровых машин (“Урал”, БЭСМ-2) институтом и необходимостью подготовки высококвалифицированных кадров для обучения студентов.

Быстродействие на первом этапе эксплуатации машины “МИФИ” с использованием магнитного барабана оценивалось в 300 трехадресных команд в секунду. Этот показатель был значительно выше скорости выполнения команд серийными советскими вычислительными машинами с магнитным барабаном. В то время вычислительная машина “Урал” выполняла 100 одноадресных команд в секунду, а машина М-3 — 30 трехадресных команд в секунду.

Высокая скорость выполнения команд была обусловлена использованием ряда оригинальных структурных решений. На втором этапе, в 1961 г., было установлено ЗУ на ферритах объемом 4К слов.

Вычислительная машина “МИФИ” была построена с применением в основном двух типов электронных ламп: 6Н8С и 6П9, которые имели серии с повышенным сроком службы.

Основные параметры ЦВМ “МИФИ”:

Состав ЦВМ

Вычислительная машина состояла из следующих устройств:

• устройства управления;
• арифметического устройства порядков и мантисс;
• запоминающего устройства на магнитном барабане с ускоренной выборкой;
• устройства питания;
• входных устройств на перфоленте и перфокартах;
• пульта для отладки и управления.

Кодирование информации и система команд

В ЦВМ принята двоичная система счисления. Все числа представлены с плавающей запятой и хранятся в нормализованном виде. Положительные мантиссы и порядки записываются в прямом коде, а отрицательные порядки — в дополнительном. Дополнительный код мантисс используется лишь при суммировании мантисс разных знаков. Отрицательным числам в разряде знака соответствует код “1”, положительным “нуль”.

Разрядная сетка числа имеет 41 разряд, которые распределяются следующим образом: 3 разряда — порядки и один разряд — знак порядков; один разряд — знак мантиссы и 36 разрядов — мантисса (рис. 1).

Рис. 1. Разрядная сетка числа

Особенностью разрядной сетки является представление порядков, где каждой единице порядка соответствуют четыре разряда мантиссы. Нормализованным числом считается то, у которого в первой четверке разрядов мантиссы имеется хотя бы одна единица. Такое представление числа существенно сокращает количество нормализации результатов любой арифметической операции влево. По статистическим данным, полученным на БЭСМ АН СССР, число операций нормализации составляет порядка 30%, а время их выполнения — около 9% от общего времени счета, причем 3% занимает операция выравнивания результата влево.

Сокращение времени выполнения нормализации происходит за счет исключения сдвигов на один, два и три разряда.

Диапазон чисел, с которыми ведутся операции, будет

2^-32<X<2²⁸

или в десятичной системе счисления

10^-9<X<10⁸

Система команд машины “МИФИ” состоит из 31 команды, соответствующих большинству команд, применяемых в универсальных вычислительных машинах того времени.

В машине были использованы две адресные системы: классическая трехадресная система и одноадресная система. Применение двухадресных систем было связано с необходимостью уменьшить число команд, требуемых для решения задач. У одноадресной системы в одной ячейке памяти хранилось две команды.

Структура трехадресной и одноадресной команд приведены на рис. 2.

Рис. 2. Структура трехадресной и одноадресной команд

Для кодирования операций использовалось 5 разрядов в трехадресной и одноадресной системе команд, т. е. кодировалась 31 операция. Каждый адрес имеет 11 разрядов, что соответствует емкости оперативного запоминающего устройства 2047 41-разрядных слов. Три младших разряда в команде отведены под признаки. Значение этих признаков следующее. Наличие единицы в первом разряде показывает, что первый и третьи адреса используются для признаков, а наличие единицы во втором разряде — что работа ведется в одноадресной системе.

Наличие единицы в третьем разряде определяет контрольный останов. При единице в первом разряде и следующей команде “групповая операция”: в разрядах 25-36 указывается, сколько раз повторяется групповая операция. Наличие единиц в 15-17 разрядах указывает на модификацию соответственно первого, второго и третьего адресов в каждой групповой операции.

Структура одноадресной системы команд приведена на рис. 3. Разряды 19-25 используются под признаки, расширяющие возможности системы команд, и разрядную адресную сетку до 12 разрядов при работе с ферритовым кубом объемом 4096 слов.

Рис. 3. труктура одноадресной системы команд

Устройство управления.

В машине принята смешанная структура с плавающим циклом центрального управления и местным управлением.

Синхронизирующее кольцо (СК) вырабатывает тактирующие импульсы, используя пятиразрядный счетчик и двухступенчатый дешифратор.

Счетчик команд содержит номер следующей команды. После выполнения каждой команды код счетчиков увеличивается на единицу. При выполнении одноадресных команд счетчик команд увеличивает свой код через команду. В случае групповых операций счетчик блокируется. При выполнении операции “условный переход” содержание адресных регистров может передаваться в счетчик команд.

Блок запоминания команд (БЗК) представляет собой регистр из 41 триггера. Команды на регистр поступают через регистр I AУ.

Дешифратор операций (ДО) преобразует код операций в управляющие напряжения, которые управляют цепями, формирующими сигналы для выполнения операций.

Блок управления арифметическим устройством (БУАУ) представляет собой группу импульсно-потенциальных схем, на выходе которой появляются импульсные сигналы управления АУ, МУ и СК.

Местное устройство управления (МУУ) производит управление АУ при выполнении однотипных элементарных операций.

Блок расшифровки признаков (БРП) в зависимости от наличия признаков меняет направление и характер последовательности сигналов управления.

Блок стандартных команд (БСК) представляет собой запоминающее устройство на диодах с управлением. Этот блок выдает очередные команды в БЗК согласно командам закоммутированной программы.

Пульт управления (ПУ) применяется для отладки программ и проведения профилактических работ.

Арифметическое устройство.

Арифметическое устройство по принципу выполнения операций является последовательно-параллельным. Прием исходных данных и выдача результатов производится последовательно, выполнение операций происходит параллельно. Подобный принцип работы был выбран с учетом последующего перехода с магнитного барабана на ферритовое запоминающее устройство. Структурная схема АУ приведена на рис. 4. Оно состоит из двух частей: арифметического устройства порядков и арифметического устройства мантисс.

Рис. 4. Структурная схема АУ

Арифметическое устройство порядков (АУП) состоит из двух регистров и сумматоров накопительного типа. Первый и второй регистры имеют четыре разряда. Один разряд представляет знак. Регистры имеют сдвиги: первый регистр — влево, второй регистр — вправо и влево. Сумматор порядков имеет пять разрядов, два из которых знаковые, они предназначены для фиксации выхода числа из диапазона представляемых чисел.

Арифметическое устройство мантисс (АУМ). Первый регистр имеет 38 разрядов, один разряд знака и один дополнительный разряд для округления при операциях суммирования и деления. Предусмотрены цепи сдвига вправо и влево. Сдвиги влево необходимы для приема мантиссы, а вправо — для операции выравнивания порядков. Сумматор накопительного типа имеет 42 разряда. По одному разряду отведено на знак и переполнение. Связи между этими разрядами нет. Мантисса имеет 36 разрядов и четыре дополнительных разряда, которые используются только при операции умножение, выполняемой со старших разрядов. Первый разряд из дополнительных также служит для округления при суммировании. На сумматоре предусмотрена цепь сдвига влево, которая используется при операции деление.

Второй регистр, как и сумматор, имеет 42 разряда с аналогичным распределением функций разрядов. На регистре предусмотрены цепи сдвига влево и вправо, предназначенные для приема и выдачи кодов, выполнения нормализации, логического сдвига, сдвига множимого при операции умножения и выравнивания порядков при суммировании.

Операция умножение выполняется во время приема кода множителя с магнитного барабана. Множимое принимается на второй регистр, а затем, с приемом множителя на первый регистр, начиная со старшего разряда множителя происходит перемножение мантисс. В сумматоре и во втором регистре предусмотрено четыре дополнительных разряда, которые обеспечивают погрешность не выше 1,87 единицы младшего разряда.

Операция деление выполняется по правилу точного деления (деление с остатком). Особенностью выполнения операции при принятой структуре порядков является необходимость проверки величины делимого по отношению к делителю мантиссы. Делимого должно быть меньше мантиссы делителя. При нарушении этого условия возможно переполнение разрядной сетки частного, что недопустимо.

Оперативное запоминающее устройство на магнитном барабане.

Применение запоминающего устройства на магнитном барабане на первом этапе построения машины в качестве оперативного было связано с организационными трудностями приобретения ферритового куба памяти. На втором этапе оперативная память использовала ферритовый куб объемом в 48р слов.

Главной задачей построения оперативного ЗУ на магнитном барабане было сокращение времени ожидания при обращении к барабану. Эта задача решалась применением нескольких блоков головок считывания, расположенных по окружности барабана. Разработанная схема обеспечивала за один оборот барабана три выборки считывания и одну запись. Серьезным условием построения ЗУ являлось исключение точной установки блоков головок. Для этого была создана схема динамического управления блоками магнитных головок. По окружности магнитного барабана предполагалось расположить четыре блока магнитных головок по 74 головки в каждом блоке. Однако в связи с организационными трудностями была реализована схема с двумя блоками магнитных головок. Для сокращения объема оборудования использовалась последовательная запись кодов по окружности барабана. Частота следования синхронизирующих импульсов была около 140 кГц. Частота вращения барабана — 6000 об/мин, или 100 об/с.

Для управления схемами записи и считывания использовалось несколько сигналов, записанных на специальных дорожках управления. Сигнал НО (начало отсчета) определял “нулевую образующую” и записывался один на дорожке. Сигналы СИ (синхронизирующие импульсы) записывались на другую дорожку. Они использовались для временной синхронизации сигналов, получаемых в ЗУ. Сигналы НК (начало кода) записывались на отдельной дорожке и определяли начало кода.

На втором этапе создания вычислительной машины “МИФИ” в качестве оперативного ЗУ был установлен ферритовый куб памяти одной из серийных машин БЭСМ-2. Куб хранил 4098 48-разрядных слов. Для подключения к машине и управления кубом были разработаны электронные блоки на лампах 6Н5с, которые обеспечили цикл работы памяти 10 мкс.

Среднее быстродействие вычислительной машины “МИФИ” стало около 4 тыс. команд в секунду.

Руководил созданием вычислительной машины “МИФИ” к.т.н., доцент Я. А. Хетагуров. Основные устройства машины разрабатывались под руководством: Соловьева  Г. Н. (арифметическое устройство), Атовмяна  И. О. (устройство управления), Зуева  В. И. (запоминающее устройство). Организацией работы внешних устройств руководил Чернышов  Ю.