ЭВМ М-2

Александриди Т.М., Рогачев Ю.В., Лавренюк Ю.А.

Научный руководитель — член-корреспондент АН СССР И.С. Брук.

Руководитель группы разработчиков — М.А. Карцев.

В группу, работавшую над М-2, входили на разных этапах работы от 7 до 10 инженеров. Арифметический узел разрабатывался М.А. Карцевым, В.В. Белынским и А.Б. Залкиндом, электростатическое запоминающее устройство — Т.М. Александриди и Ю.А. Лавренюком, устройство управления — Л.С. Легезо, В.Д. Князевым и Г.И. Танетовым, магнитные запоминающие устройства — А.И. Щуровым и Л.С. Легезо, входные и выходные устройства — А.Б. Залкиндом, система питания — В.В. Белынским, Ю.А. Лавренюком и В.Д. Князевым, пульт управления — В.В. Белынским и А.И. Щуровым.

Большая работа проведена конструкторами, техниками, механиками и монтажниками лаборатории: И.З. Гельфгатом, А.Д. Гречушкиным, Н.А. Немцевым, Ф.Ф. Ржеутским, И.К. Швильпе, Д.У. Ермоченковым, Л.И. Федоровым, Г.В. Коростылевым и др.

ЭВМ М-2 разработана и изготовлена в единственном экземпляре в лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР им. Г.М. Кржижановского по постановлению Президиума Академии наук СССР.

В состав машины входили устройства: арифметический узел, программный датчик (устройство управления), внутренние запоминающие устройства, — устройства ввода и вывода данных, внешнее запоминающее устройство.

Разработка и монтаж машины были проведены в весьма короткий срок — с апреля по декабрь 1952 года. В январе 1953 года началась эксплуатация ЭВМ М-2 с памятью на магнитном барабане. В июне 1953 года было подключено и электростатическое запоминающее устройство на электронно-лучевых трубках 13-ЛО-37.

Зимой 1954-1955 гг. машина была существенно модернизирована. В целях дальнейшего усовершенствования машины в 1956 году было разработано, изготовлено и введено в состав машины ферритовое оперативное запоминающее устройство ёмкостью 4096 слов. Это потребовало введения специального регистра для запоминания того, какая область памяти используется в данный момент времени, и специальной операции изменения содержимого этого регистра (переключение областей памяти). В машине М-2 впервые была реализована идея укороченных адресов в командах и укороченных кодов операций как способа согласования форматов команд и форматов чисел. Эта идея была предшественником способов формирования исполнительных адресов в машинах второго и третьего поколений.

Общий вид вычислительной машины М-2

Основные характеристики М-2

Система счисления — двоичная.
Представление чисел — с плавающей запятой и с фиксиро?ванной запятой.
Количество двоичных разрядов — 34.
Система кодирования инструкций — трёхадресная.
Выполняемые операции: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение по модулю, сравнение алгебраическое, логическое умножение и другие (всего 30 операций).
Быстродействие — 2000-3000 оп/с.
Внутренние ЗУ:
- магнитный барабан — 512 34-разрядных двоичных чисел,
- электростатическое — 512 34-разрядных двоичных чисел,
- ферритовое — 4096 34-разрядных двоичных чисел.
Внешнее ЗУ — магнитная лента на 50 тыс. чисел.
Ввод данных — трансмиттером с перфорированной бумажной ленты со скоростью 30 чисел в секунду.
Вывод данных — в виде таблиц, печатаемых рулонным телетайпом. Скорость печати 24 числа в минуту.

Блок-схема М-2

Основные узлы машины

Арифметический узел (АУ) предназначен для производства операций над числами. В нём выполняются сложение, вычитание, умножение, деление, а также некоторые логические операции.

В АУ имеются три основных регистра, обозначаемых буквами А, В и С, и вспомогательный регистр Е.

При сложении и вычитании числа помещаются в регистры В и С, результат получается в регистре В. При умножении сомножители помещаются в регистры А и С, а в регистре В образуются частные суммы и произведение. При выполнении деления делимое помещается в регистр В, делитель — в регистр С, а в регистре А образуется частное.

Все числа принимаются из запоминающих устройств в регистр А и затем передаются в другие регистры АУ. Запись результата операции в запоминающее устройство также производится из регистра А. Таким образом, регистр А служит связующим звеном между внутренними ЗУ и арифметическим узлом. Этот же регистр служит для связи внутренних запоминающих устройств с внешним запоминающим устройством и с устройствами ввода и вывода.

Каждый из регистров состоит из 33 триггеров, занумерованных от 1 до 33.

В зависимости от того, в какой системе ведется счёт (с плавающей или с фиксированной запятой), работа регистров АУ организуется различным образом. При действиях с фиксированной запятой регистры работают как единое целое, и каждый триггер регистра соответствует определенному разряду числа. В этом случае триггер № 1 регистра представляет собой старший двоичный разряд числа.

Если выполняются действия с плавающей запятой, то регистры делятся на две части: в триггерах с № 1 по 6 устанавливается порядок числа, а в триггерах с № 7 по 33 — мантисса числа. В этом случае триггер № 1 регистра определяет знак порядка, а триггер № 7 является старшим разрядом мантиссы.

Арифметический узел — полностью параллельного типа: приём чисел из запоминающих устройств, передача их из одного регистра в другой и суммирование ведутся одновременно по всем разрядам.

Запоминающие устройства. В ЭВМ М-2 имелось два внутренних запоминающих устройства: магнитное и электростатическое. Оба запоминающих устройства параллельного типа — запись и чтение ведутся одновременно по всем разрядам.

В магнитном запоминающем устройстве каждая цифра запоминаемого числа представляется в виде миниатюрного магнитика одного или другого направления, получающегося при намагничивании участка поверхности вращающегося барабана. Барабан представляет собой дюралюминиевый цилиндр с ферромагнитным покрытием. По окружности барабана размещается 512 записанных сигналов, представляющих значения одного разряда всех чисел. Таким образом, в магнитном запоминающем устройстве может одновременно храниться 512 чисел. Каждой образующей, на которой расположено число, присваивается определенный адрес. В машине для магнитной памяти используются адреса от № 0 до 511.

В электростатическом запоминающем устройстве каждая двоичная цифра запоминаемого числа представляется в виде электрического заряда большей или меньшей величины, расположенного на определенном участке электрического экрана электроннолучевой трубки. Количество трубок равно количеству разрядов числа (34). На экране одной трубки хранятся значения одного разряда всех запоминаемых чисел. Всего на экране трубки размещается 512 элементов, заряды на которых не зависят друг от друга. Таким образом, в электростатическом запоминающем устройстве может храниться одновременно 512 чисел или инструкций. Каждому элементу на экране присвоен определенный адрес. Для данного ЗУ использовались адреса от № 512 до 1023. Выбор нужного элемента на экране производится изменением положения электронного луча. Электростатическое ЗУ было наиболее быстродействующим из осуществленных к 1952 г . запоминающих устройств.

Внешнее запоминающее устройство, использующее магнитную ленту, построено на базе обычного магнитофона МАГ-8. Режим работы внешнего ЗУ отличается от режима работы внутренних запоминающих устройств: его нельзя использовать для оперативной работы арифметического узла.

В порядке дальнейшего усовершенствования ЭВМ М-2 было разработано, изготовлено и введено в состав машины ферритовое запоминающее устройство, работающее по принципу совпадения токов, объемом 4096 34-разрядных чисел. Возглавил эту работу М. А. Карцев. К её выполнению подключились молодые специалисты О. В. Росницкий, Е. Н. Филинов, Л. В. Иванов, Ю. Н. Глухов, Р. П. Шидловский. Введение в состав машины М-2 ферритовой памяти значительно повысило её эксплуатационные характеристики.

Программный датчик предназначен для автоматического управления выполнением операций. Программный датчик выбирает из внутреннего запоминающего устройства в нужном порядке инструкции, закодированные в виде чисел, расшифровывает их и, в соответствии с имеющимися в них указаниями, выбирает необходимые числа, производит над этими числами те или иные действия и записывает результаты этих действий в указанные ячейки внутреннего запоминающего устройства; когда это предусмотрено программой, программный датчик выводит полученные результаты на печать или на магнитную ленту; пополняет содержимое внутренних запоминающих устройств через входные устройства или с магнитных лент; производит передачу чисел из одного запоминающего устройства в другое и останавливает работу в конце вычислений. Для контроля машины в программном датчике предусмотрена возможность осуществления полуавтоматической (шаговой) работы.

Устройства ввода и вывода

Входные устройства предназначены для первоначального заполнения внутренних запоминающих устройств числами и инструкциями и для пополнения содержимого запоминающих устройств в процессе работы. В машине имеется два входных устройства: фотоэлектрическое и электромеханическое. Как фотоэлектрическое, так и электромеханическое входные устройства считывают информацию с бумажной перфоленты. Используется обычная телеграфная бумажная лента на пять дорожек (шестая дорожка ведущая). Комбинация на пяти дорожках, относящаяся к одной цифре, прочитывается либо ощупывающим механизмом в электромеханическом устройстве ввода, либо световым лучом в фотоэлектрическом устройстве и передается в регистр ввода, состоящий из пяти триггеров. Скорости работ устройств различны: электромеханическое устройство передает в машину одно число за 2 секунды, фотоэлектрическое — за 0,03 секунды. В машине имеется также вспомогательное клавишное устройство ввода, при помощи которого с пульта можно ввести в машину цифру за цифрой любое число или инструкцию.

Выходное устройство предназначено для печатания окончательных результатов вычислений. В качестве выходного устройства используется рулонный телеграфный аппарат — телетайп. Выходные данные печатаются в виде таблиц 8-значных чисел в десятичной или шестнадцатеричной системах и могут одновременно наноситься на перфоленты. Скорость печатания — одно число за 2,5 секунды.

Элементная база

Основные электронные схемы машины М-2 (триггеры, клапаны, усилители и др.) строились на радиолампах, логические схемы — на полупроводниковых приборах (малогабаритных купроксных выпрямителях КВМП-2-7). Использовались радиолампы 6Н8С, 6Ж4Б, бП9. Всего количество электронных ламп в машине — 1879.

Конструкция

Основные узлы и блоки машины смонтированы в четырех шкафах: в шкафу N1 — арифметический узел, в шкафу N2 — программный датчик, в шкафу N3 — электроника магнитного ЗУ и устройств ввода-вывода, в шкафу N4 — электростатическое ЗУ (позднее вместо этого шкафа был установлен шкаф с ферритовым ЗУ). Все шкафы были установлены на одном постаменте. Шкаф № 5 (питание) был вмонтирован в постамент.

К постаменту примыкали пульт управления и два стола, скрепленные с постаментом: справа от пульта — стол с телетайпом, слева — с входными устройствами и магнитофоном.

Вся электронная часть машины собрана на съёмных субблоках. Каждый узел машины состоял из блоков. Монтаж блоков выполнялся на шасси, прикреплённых к раме шкафа. На шасси блока располагались гнезда штепсельных разъёмов, с помощью которых осуществлялось электрическое соединение съёмных субблоков с монтажом данного узла.

Соединительный монтаж между субблоками на шасси блоков и между блоками внутри каждого шкафа выполнялся либо в виде тонких шин, либо в виде жгутовых перемычек. Соединения между шкафами и пультом осуществлялись кабелями, оканчивающимися стандартными разъёмами.

Конструкции субблоков в ЭВМ М-2.

Эксплуатация машины

С вводом машины М-2 в эксплуатацию летом 1953 года началась её постоянная работа. Для пользователей было разработано математическое обеспечение машины, включающее библиотеку обслуживающих программ (ввод-вывод, служебные программы, программы элементарных функций и др.). Была создана группа программистов во главе с доктором физико-математических наук А.Л. Брудно, которая консультировала пользователей при решении задач сторонними организациями. Постоянно действовал семинар программистов. Машина работала круглосуточно. Воскресное время распоряжением И.С. Брука было отдано программистам для теоретической разработки интеллектуальных, игровых, узнающих и других программ. По мере эксплуатации машины развивалось и математическое обеспечение. В частности, А.Л. Брудно предложил и реализовал метод содержательных обозначений (прообраз АВТОКОДА, АССЕМБЛЕРА).

На машине М-2 решали свои задачи многие научные институты и конструкторские организации: Институт атомной энергии, Институт теоретической и экспериментальной физики, Физический институт АН СССР, Центральный институт прогнозов, МАИ, Институт нефти и газа им. Губкина, МГУ, проектная организация “Стальпроект” и другие.

Решались многие научные и инженерно-проектные задачи. Вот только некоторые из них:

Расчёт деполяризации спинов пучка электронов при прохождении через вещество.
Расчёт флюктуаций при ионизации тонких пластинок.
Расчёт энергетических уровней для эллиптических моделей ядра.
Расчёты по ядерным реакторам различных типов (до 13 уравнений в системе).
Расчёт по большим ускорителям и подбор формы полюсов магнитов.
Расчёт опор Братской ГЭС.
Размещение скважин на Ставропольском месторождении.
Регулирование напряжения в дальних линиях электропередач.

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 в СССР опыт дистанционного управления работой ЭВМ.

Свыше 15 лет вычислительная машина М-2 исправно несла свою службу.

Отзывы пользователей

“… 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 — её 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 неё 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. Москва.

Литература

“Быстродействующая вычислительная машина М-2”. Под редакцией члена-корреспондента АН СССР И.С. Брука. Государственное издательство технико-теоретической литературы. — М.: 1957.
Карцев М.А.Арифметические устройства электронных цифровых машин. Физматиздат. — М.: 1958.

Об авторе: МАДИ(ГТУ), кафедра АСУ, alexandridi@mail.ru
Материалы международной конференции SORUCOM 2006 (3-7 июля 2006 года)
Статья помещена в музей 12.02.2008 с разрешения автора