Управляющие машины М-4, М4М, М4-2М, М4-3М

М-4 была разработана в Институте электронных управляющих машин (ИНЭУМ) под руководством чл.-корр. АН СССР И.С. Брука в 1957—1962 гг. Главный конструктор М-4 — М. А. Карцев. Основные исполнители: В. А. Брик, Е. В. Гливенко, Л. В. Иванов, Р. П. Макарова, Ю. В. Рогачев, Г. И. Танетов, Е. Н. Филинов, Е. С. Шерихов, Р. П. Шидловский, Е. И. Цибуль.

М-4 была предназначена для управления в реальном масштабе времени комплексом радиолокационных станций, который создавал Радиотехнический институт АН СССР (академик А. Л. Минц). Это была управляющая машина, впервые выполненная по ТЗ конкретного заказчика, что позволило принимать технические решения, соответствующие предполагаемым алгоритмам первичной и вторичной обработки информации от радиолокационных станций.

В 1958 г. были разработаны эскизный и технический проекты М-4, в 1961 г. Загорским электромеханическим заводом был изготовлен первый образец М-4, в 1962 г. — второй образец (М4М). Модернизация М4 была выполнена в соответствии с ТЗ, составленным М. А. Карцевым, А. Л. Брудно, Е. В. Гливенко (от ИНЭУМ) и В. С. Кользоном, Ю. В. Поляком, Ю. В. Очкиным, Д. М. Зарезновым (от РАИ АН СССР) и утвержденным И. С. Бруком 30.01.61. Испытания М-4 с действующим экспериментальным комплексом радиолокационных станций были проведены в 1962 г.

М-4/М4М работала с 23-разрядными двоичными числами с фиксированной точкой (отрицательные числа представлялись в дополнительном коде). Машина имела оперативную память емкостью 1024 24-разрядных числа и постоянную память программ емкостью 1280 30-разрядных слов. Она содержала также узлы приема и выдачи информации с собственной буферной памятью, обеспечивающие параллельный ввод-вывод данных по 14 каналам со скоростью более 6 тыс. чисел/с.

Быстродействие М-4 составляло 20 тыс. операций/с.

М-4 была одной из первых в СССР машин, построенных на базе отечественных транзисторов и полупроводниковых диодов. Основу схемотехники М-4 составляла импульсно-потенциальная система элементов, в которой использовались диодная логика, транзисторный клапан (двухвходовая схема "И") с одним входом и выходом импульсными и вторым входом потенциальным, триггер с импульсными входами и потенциальными выходами.

Особенности аппаратуры М-4 были связаны с ее назначением: аппаратная реализация некоторых сложных операций (вычисление квадратного корня, двойное сравнение и др.), разделение памяти программ и констант и памяти данных, функциональное распараллеливание обработки информации благодаря использованию специализированных процессоров ввода-вывода, первичной обработки входных данных.

Хотя в 1962 г . было принято решение о запуске М-4 в серийное производство, главный конструктор М. А. Карцев предложил для серийного производства проект технического задания на новую ЭВМ, технические характеристики которой на порядок превышали свою предшественницу и другие вычислительные и управляющие машины, выпускавшиеся в СССР в то время. Кроме того, в этот проект технического задания включались дополнительные требования, которые значительно расширяли ее эксплуатационные возможности в построении мощных вычислительных комплексов.

Предложение было принято и решением Комиссии Президиума Совета Министров СССР от 14. 03. 63 Институту электронных управляющих машин поручалась разработка, а Загорскому электромеханическому заводу - серийное изготовление ЭВМ М4-2М. Главный конструктор М4-2М М.А. Карцев. Заместители главного конструктора Л.В. Иванов, Ю.В. Рогачёв, Р.П. Шидловский. Основные разработчики В.А. Брик, Г.И. Танетов, Е. В. Гливенко, Л. В. Иванов, Л.З. Либуркин, Ю.Н. Мельник, Л.Я. Миллер, Е.И. Цибуль.

Разработка управляющей машины М4-2М была завершена в кратчайшие сроки (с октября 1962 по сентябрь 1963года) и сразу же запущена в производство без какого-либо макетирования, экспериментальных и опытных образцов. Это был первый подобный опыт, который стал в дальнейшем традицией школы М. А. Карцева. Такой подход требовал высокой ответственности и смелости, прежде всего главного конструктора, высокой квалификации коллектива разработчиков, обеспечивших создание проекта машины, пригодного сразу для серийного выпуска.

М4-2М выпускалась серийно Загорским электромеханическим заводом с 1964 года в течение 20 лет. Эти машины эксплуатировались более 30 лет.

М4-2М имела быстродействие 220 тыс. операций/с. Емкость оперативной памяти составляла от 4096 до 16784 29-разрядных слов (в разных вариантах комплектации машины). Емкость постоянной памяти на ферритовых сердечниках — от 4096 слов инструкций плюс 4096 слов констант (также 29-разрядных) до 8192 слов инструкций и 8192 слов констант. При замене постоянной памяти с прошивкой на матрицы с электрической записью объем памяти ПП в каждой модификации увеличивался вдвое. Связь с объектом управления и другими системами осуществлялась по последовательному синхронному шлейфу с пропускной способностью 100 Кбит/с.

Постоянное запоминающее устройство имело двойную разрядность 2 х 29 разрядов. По одному адресу (адресу команды) из него считывались 29-разрядная команда и 29-разрядная константа (непосредственный операнд). В каждом такте в арифметической или другой операции могли быть использованы два операнда из памяти — число и константа. Такой метод адресации тогда называли «полутораадресным». Кроме возможности извлечения операндов из памяти для арифметических операций можно было использовать результаты предыдущих операций.

Блоки оперативной памяти связаны с устройством управления четырьмя шинами по 29 разрядов, объединявшимися в шину чисел и шину команд. Это давало возможность использовать дополнительные устройства ОП вместо штатных устройств постоянной памяти в процессе отладки рабочих программ на местах эксплуатации перед их прошивкой в ферритовые матрицы.

Арифметическое устройство М4-2М было конвейерным. В нем применялось матричное множительное устройство («однотактный умножитель»). Все арифметические, логические и управляющие операции выполнялись за один такт машины.

Арифметические операции проводились над операндами с плавающей точкой (1 разряд — знак числа, 8 разрядов — порядок числа, 20 разрядов — мантисса). Система команд машины предусматривала операции с получением результата повышенной точности с 40-разрядной мантиссой.

Как специализированная управляющая машина, работающая в реальном масштабе времени, М4-2М имела развитую систему внешних прерываний. Она обеспечивала 12 активных, «жестких» прерываний и 12 «мягких», пассивных прерываний от внешних источников, т. е. сигналов объекта управления. Время реакции машины на активные прерывания было очень малым, переход на программу прерывания происходил за 2—3 машинных такта.

периферийный вычислитель М4-3М с арифметическим устройством для операндов с фиксированной точкой и развитой системой ввода-вывода для связи с объектом управления;
система устройств внешней памяти на магнитных барабанах и внешних устройств для ввода, хранения и документирования информации, частичной обработки и выдачи информации внешним абонентам, обеспечивающая асинхронную работу всех абонентских систем и устройств, включая телефонные линии дальней связи, а также несколько последовательных шлейфов связи с объектом.

Комплекс из М4-2М и внешнего вычислителя М4-3М обеспечивал быстродействие 400 тыс. операций/с. Надежность такого комплекса составляла около 700 часов наработки на отказ.

На этой основе было создано 6 типов управляющих вычислительных комплексов, которые выпускались серийно с 1967 г.

Основные особенности управляющих машин М4, М4М, М4-2М, М4-3М

М4-2М и М4-3М в различных модификациях управляющих вычислительных комплексов нашли широкое применение при построении крупной, территориально распределенной по всей стране радиоэлектронной системы наблюдения за искусственными спутниками Земли с помощью радиолокационных станций. Некоторое время они удовлетворяли все потребности этой системы в вычислительных ресурсах. Управляющие вычислительные комплексы на базе М4-2М и М4-3М эксплуатировались до середины 90-х годов, т. е. в течение почти 30 лет.

М4, М4-2М и М4-3М не имели зарубежных аналогов и создавались коллективом под руководством М. А. Карцева исключительно на базе собственных разработок. Многие технические решения были изобретениями и защищены авторскими свидетельствами.

Безошибочный выбор схемотехнических решений и конструктивной реализации высокопроизводительных управляющих машин на технической базе второго поколения обеспечил разработку проектов М4-2М и М4-3М, пригодных для серийного производства "с листа", без какого-либо макетирования и экспериментальных образцов.

Архитектура и структура управляющих машин М4, М4-2М, М4-3М, ориентированные на решение задач обработки радиолокационной информации и управление в реальном масштабе времени, имели ряд оригинальных решений, обеспечивших сбалансированные характеристики производительности и надежности:

разделение памяти программ и памяти данных при одинаковой длине слова, позволяющее повысить надежность за счет хранения программ и констант в постоянном запоминающем устройстве;
организация выполнения всех арифметических, логических и управляющих команд за один такт машины (один из принципов архитектуры RISC-процессоров, появившихся значительно позже);
аппаратная реализация сложных операций (типа извлечения квадратного корня, двойного сравнения и т. п.);
развитая система прерываний, обеспечивающая быструю реакцию на внешние сигналы от объекта управления (переход на программу прерывания в течение 2—3 тактов машины).

Основные публикации

Либуркин Л. З. Электронная вычислительная машина М-4-2М. Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВТ, 1993, вып. 2, с. 37—40.
Брик В. А., Борисов Ю. М., Танетов Г. И. Пирамида сумматоров для арифметического устройства цифровой вычислительной машины. В сб.: Элементы и устройства управляющих машин. М., 1966. с. 159—165.
Мельник Ю. Н. Организация обмена между ЦВМ и абонентами с помощью специализированного внешнего вычислителя. Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВТ, 1970, вып. 5—6. с. 33—44.
Брик В. А., Гаврилин В. А., Жук В. И., Захаров В. Г., Лушпин Л. И., Петрова Г. Н. Быстродействующее арифметическое устройство. Там же, с. 97—108.
Рогачев Ю.В. Вычислительная техника от М-1 до М-13 (1950-1990). М.: НИИВК, 1998.

Статья исправлена и дополнена 14.05.2008