Вычислительные комплексы на базе ЭВМ «Клен»

К.С. Ораевский

В течение 1962-1966 гг. в Научно-исследовательском институте электронного машиностроения (НИЭМ) был проведён комплекс работ по созданию ЭВМ «Клен» и вычислительных комплексов (ЭВК) «Клен-1» и «Клен-2» на её основе. Целью разработки, проводившейся по заданию конкретной системной организации, была автоматизация обработки телеметрической информации, поступающей с искусственных спутников земли (ИЗС).

Базовая ЭВМ «Клен» разрабатывалась под руководством А.Ф. Кондрашева и В.М. Карасика, конкретные вычислительные комплексы «Клен-1» и «Клен-2» создавались под руководством главного конструктора В.С. Антонова Шульгиным А.А., Ораевским К.С., Клепининым В.С., Левшиным В.И., Гринкевичем В.А. и другими ведущими специалистами института.

ЭВК «Клен-1» и «Клен-2» отличались от базовой модели увеличенными объёмами оперативных и долговременных запоминающих устройств, расширенным составом устройств ввода-вывода, наличием запоминающих устройств на магнитной ленте, наличием режима комплексирования двух ЭВК и обмена данными с другими элементами системы, в составе которой они использованы. В связи с расширением состава внешнего оборудования в обоих ЭВК была серьёзно доработана система связи с внешним оборудованием по принципам селекторного и мультиплексного каналов, а также введены некоторые дополнения в систему команд.

Несколько комплексов «Клен-1» и «Клен-2» были изготовлены на опытном производстве НИЭМ и поставлены заказчику.

Основные характеристики ЭВМ «Клен»

Основные характеристики ЭВМ «Клен» определялись из анализа задач, которые заказчик предполагал решать в своей системе. Основные требования, предъявленные системой, и реализованные в ЭВМ были следующими:

• обеспечение быстродействия 150-200 тысяч коротких операций в секунду;
• сравнительно большие для того времени объёмы накопителей чисел (32 тыс. слов), констант (32 тыс. слов), и команд (65 тыс. слов), с возможностью дальнейшего увеличения этих объемов;
• наличие в системе команд широкого набора операций для логической обработки поступающей информации и команд по управлению машиной;
• наличие специальных средств для работы с малоразрядными данными, уменьшение потерь времени на упаковку и распаковку данных;
• обеспечение взаимодействия по приоритетному принципу  со значительным числом внешних источников данных, в том числе других ЭВМ системы;
• обеспечение высокой надёжности машины и защиты её от случайных сбоев.  

ЭВМ «Клен» – одноадресная, параллельного действия. Машина оперировала с числами, представленными в формате с фиксированной перед старшим разрядом запятой. Числовые данные представлялись в 27-разрядной сетке, где 23 разряда занимала цифровая часть, один разряд – знак числа, три разряда отводились под контроль по модулю два.

Команда ЭВМ «Клен» занимает 33 двоичных разряда, из которых 7 – отводились для представления кода операции, 16  – разрядов –  адрес, 4 разряда представляли код конфигурации чисел, 3 разряда  –  код модификации адреса, 3 разряда отводились для контроля по модулю два и три.

Оперативная память ЭВМ «Клен» имела ёмкость 8192 (8К) 27-разрядных слова.

Имелась долговременная память для констант ёмкостью 8К 27-разрядных слова.

Машина  работала по программе, зашитой в долговременной памяти команд, имевшей емкость 8К 33-разрядных слова.

Время  выполнения коротких операций (сложения, логических, операций переходов) составляло 4,5 мкс, умножение выполнялось за 25,5 мкс.  

Особенностью ЭВМ «Клен» являлось наличие, помимо традиционного устройства ввода данных  с перфокарт (700 карт/мин.), шести физических 27-разрядных каналов для связи с  внешними абонентами. Для вывода данных использовалось печатающее устройство (20 строк/сек, два числа в строке.)

Машина работала в диапазоне температуры окружающего воздуха от +5 до +40 градусов Цельсия.

В ЭВМ «Клен» использована специально разработанная для этой машины импульсно-потенциальная система элементов с диодно-резистивной логикой и максимальной частотой работы 660 кГц. Логические элементы системы имели время задержки 50 нс, что обеспечивало возможность срабатывания между тактирующими импульсами до 8 каскадов логических схем. Элементы системы, используемые в  последовательных цепях (схемы переноса, схемы контрольных сверток) имели ещё меньшее время задержки (20-30 нс), что значительно убыстряло время пробега переноса. В цепях сумматоров и в цепях контроля использованы специальные логические элементы, ускоряющие выполнение операций в сумматоре чисел и блоке индексной арифметики.

В качестве оперативного ЗУ в ЭВМ «Клен» использовано ЗУ на ферритовых сердечниках типа ВТ-7 с временем цикла 6,0 мкс и временем считывания 2,25 мкс.

В качестве долговременного запоминающего устройства использовано ЗУ на оксиферовых сердечниках с постоянной  прошивкой. Время цикла ДЗУ – 4,5 мкс, время  считывания – 2,25 мкс.

Система команд ЭВМ «Клен» включала в свой состав 83 команды. Помимо полного набора арифметических и логических операций в систему команд входили команды сложения, умножения и деления чисел с двойной разрядностью. Специальные команды поиска, упорядочения и стробирования существенно ускоряли реализацию таких характерных для специальных алгоритмов действий как  отыскание в массиве чисел числа равного заданному, или отличающегося от заданного на определенную  величину.

В систему команд входила группа команд обмена с устройствами ввода-вывода, с внешними специализированными устройствами, с другой машиной двухмашинного комплекса. В эту группу команд входили команды передачи управляющих сигналов (пуск, останов, режим работы и т. п.) и команды посылки информации по обменным (числовым) магистралям.

Особенностью команд ЭВМ «Клен» являлась возможность работы с различными конфигурациями чисел. Для ускорения работы с малоразряднми данными: 24-разрядное число разделялось на 4 слога по 6 разрядов в каждом. Положение слогов в общей разрядной сетке и их количество определялось кодом конфигурации числа, входящим в состав кода команды. Возможность работы с конфигурациями чисел сокращала требования к объёму ОЗУ и упрощала операции упаковки и распаковки чисел.

На рис.1 приведена блок-схема ЭВМ «Клен».

Увеличить

Помимо вычислительного  устройства и устройств ввода-вывода на схеме показаны два блока ДЗУ программ, емкость которых могла составлять от 8192 до 65536 кодов и магнитное оперативное запоминающее устройство (МОЗУ) программ, ёмкостью 4096 кодов, служащее для отладки программ перед зашивкой в ДЗУ.

Ёмкость каждого блока ДЗУ констант могла составлять от 8192 до 65532 чисел в зависимости от варианта исполнения ЭВМ.

Машина могла содержать до четырёх блоков МОЗУ чисел, ёмкостью по 8192 числа в каждом блоке. Работа блоков МОЗУ могла совмещаться.

Работа в реальном масштабе времени, большое количество внешних источников данных обеспечивалась развитой системой прерывания программ, рассчитанной на удовлетворение запросов от 15 источников прерывания.

Отличительной особенностью структуры ЭВМ «Клен» являлось широкое использование параллельного выполнения различных частей вычислительного процесса, что позволило существенно повысить общую скорость работы машины.

Серьёзное внимание при разработке ЭВМ было уделено контролю её работы и обнаружению ошибок. В машине использованы два метода контроля – по модулю 2 и по модулю 3. Контроль по модулю 2 использован в схемах обращения за командой и числом, в схемах дешифрации кода операции, там, где не производятся арифметические операции с кодами. В цепях участвующих в выполнении арифметических операций, а так же в цепях передачи чисел и команд использован контроль по модулю 3, обнаруживающий все одиночные и 60% многократных ошибок. Вся числовая и командная информация сопровождается тремя контрольными разрядами, один из которых используется для контроля по модулю 2, два других для контроля по модулю 3. Вся система контроля ЭВМ «Клен», включая счётчик сбоев, 24-разрядный регистр сбоев и схемы реакции на сбои увеличила объём оборудования на 12 процентов.

Основные характеристики вычислительных комплексов «Клен-1» «Клен-2»

Электронные вычислительные комплексы (ЭВК) «Клен-1» и «Клен-2» являлись модификациями ЭВМ «Клен» и предназначались для работы в составе одной из систем обработки спутниковой телеметрии. Оба комплекса использовали ЭВМ «Клен» с расширенными оперативными  и долговременными  ЗУ с минимальными добавлениями в командах обмена с внешними устройствами. В составе обоих комплексов появились ЗУ на магнитной ленте и развитая система внешних устройств (см. Рис. 2).  

Увеличить

Вычислительные комплексы «Клен-1» и «Клен-2» различались только различной комплектацией внутренних ЗУ, накопителей на магнитной ленте и устройств ввода-вывода.

В состав внешних устройств ЭВК «Клен-1» входили:

• устройство ввода перфокарт ВУ-700-2 (700 карт/мин.);
• два алфавитно-цифровых печатающих устройства АЦПУ-128-2 (400 строк/мин.).

В состав внешних устройств ЭВК «Клен-2» помимо ВУ-700-2 входили:

• четыре печатающих устройства АЦПУ-128-2;
• перфоратор результатов ПР (50 карт/мин.);
• перфоратор ленточный ПЛ-20-2 (20строк/сек.).

Для обеспечения работы внешних устройств и накопителей разработаны специальные устройства сопряжения: УУМЛ, УУВ, УУПЧ, УУПР, и УУПЛ.

Вся информация, циркулирующая между ВЧУ и внешними устройствами, сопровождалась контрольным кодом по модулю 3.

Работа внешних устройств совмещалась с работой вычислительного устройства с помощью системы прерывания программ. Магистраль выдачи информации на печать, перфоленту и перфокарты работала по принципу мультиплексного канала. Магистрали обмена информацией между ВЧУ и тремя УУМЛ работали по принципу селекторных каналов.

Внешние специализированные устройства (не входящие в состав комплексов) обслуживались центральным процессором по принципу, аналогичному использованному для организации обмена с накопителями на магнитной ленте.

Работа ЭВК «Клен-1» и «Клен-2» в составе системы

На базе ЭВК «Клен-1» и «Клен-2» работала распределённая система обработки спутниковой информации, при этом  оба ЭВК находились в различных объектах системы.

Данные от удалённых источников поступали по внешним магистралям в ЭВК «Клен-1», где происходила их сортировка, уплотнение и исключение избыточных данных.

После этого предварительно обработанные данные передавались в ЭВК «Клен-2», где проходила их окончательная обработка, каталогизация, хранение и выдача по запросам пользователей.

Опыт многолетней эксплуатации ЭВК «Клен-1» и «Клен-2» в составе системы показал их высокую надёжность и эффективность.

Конструкция ЭВК выполнена традиционно для стационарных ЭВМ – в виде сболченных стоек по 80 сменных ячеек в каждой стойке. Стойки охлаждаются воздухом из помещения при помощи приточного воздуховода, расположенного в нижней части стоек. Питание всех стоек централизованное, от специального устройства питания.

 Фото пульта управления ЭВК приведено на рис. 3.

Литература

1. А.Ф. Кондрашев, В.М. Карасик, В.С. Антонов, К.С. Ораевский. «Цифровые вычислительные машины специального назначения «Клен», «Клен-1», «Клен-2». Вопросы специальной радиоэлектроники. Серия «Электронная вычислительная техника». Выпуск 1. 1967 г.

Статья помещена в музей 30.03.2011 г.
С разрешения автора.