ЭВМ М-3

Рогачев  Ю.В.

Универсальная малогабаритная цифровая электронно-вычислительная машина М-3 по своим эксплуатационным характеристикам предназначалась для использования в условиях научно-исследовательских институтов и конструкторских бюро. К числу задач, решаемых на машине М-3, относятся интегрирование обыкновенных дифференциальных уравнений и уравнений в частных производных (как линейных, так и нелинейных), решение систем линейных уравнений со многими неизвестными, решение алгебраических и трансцедентных уравнений и т. п. 

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

Технический проект ЭВМ М3 был разработан в инициативном порядке в 1953 году сотрудниками лаборатории электросистем Энергетического института АН СССР, преобразованной в 1956 году в Лабораторию управляющих машин и систем (ЛУМС) АН СССР.

Основные разработчики технического проекта: Н.Я Матюхин (руководитель разработки), В.В. Белынский, Ю.Б. Пржиемский, Н.А. Дорохова, А.Б. Залкинд, Г.И. Танетов, А.Н. Патрикеев, А.П. Морозов.

Правительственного задания на создание вычислительной машины М-3 не было, поэтому не был решен и вопрос её изготовления. Судьбу машины решила заинтересованность трех академиков: А.Г Иосифьяна (ВНИИЭМ), В.А. Амбарцумяна (Академия наук Армении) и С.П. Королева, которые договорились с И.С. Бруком о совместном завершении работ и изготовлении трёх образцов машины на производственной базе ВНИИЭМ.

Разработчики ЛУМС АН СССР совместно с сотрудниками ВНИИЭМ и других заинтересованных организаций доработали технический проект, завершив доработку выпуском конструкторской документации для промышленного производства машины. В дополнение к разработчикам от ЛУМС к этой работе присоединились В.М. Долкарт, В.М. Каган, Т.П. Лопато, В.Н. Овчаренко, А.Я. Яковлев, Б.Б. Мелик-Шахназаров, А.П. Толмасов, В.А. Морозов, И.А. Скрипкин, А.В. Пипинов, В.Н. Семенова.

Организацию работ во ВНИИЭМе по доработке конструкторской и технологической документации, по подготовке производства, по разработке программного обеспечения, по подготовке и проведению Государственных испытаний осуществлял к.т.н. Б.М. Каган.

В 1956 году опытным производством ВНИИЭМ были изготовлены и с участием разработчиков отлажены три комплекта ЭВМ М-3. Первый головной образец был оставлен во ВНИИЭМе для подготовки и проведения Государственных испытаний, второй комплект получил Ереванский математический институт Академии наук Армении, третий комплект — организация С.П. Королева.

К этому времени было создано и необходимое программное обеспечение. Таким образом, на Государственные испытания ЭВМ М-3 предъявлялась с уже отработанным программным обеспечением. Государственные испытания успешно завершились в конце 1956 года. По результатам этих испытания вычислительная машина М-3 была рекомендована для серийного производства. Но планами существующих заводов-изготовителей производство машины М-3 не предусматривалось. Помогло случайное совпадение по срокам: именно в это время завершалось строительство Минского завода вычислительной техники, а загрузить его было нечем. Тогда состоялось решение Госплана СССР о передаче ЭВМ М-3 в серийное производство на этот новый завод. Так с 1958 года в Минске началось серийное производство машины М-3, которое продолжалось несколько лет. Затем конструкторская документация на заводе была переработана, и машина стала выпускаться с названием “Минск”.

По конструкторской документации ЭВМ М-3 и с технической помощью ВНИИЭМ в Армении была построена ЭВМ “Раздан”, первая ЭВМ в организованном в 1956 году Ереванском НИИ математического машиностроения. Таким образом, создание ЭВМ М-3 сыграло важную роль в становлении разработок и производства электронной вычислительной техники в Белоруссии и Армении. Значительный вклад в это внесли на Минском заводе Г.П. Лопато и в Ереванском НИИ математического машиностроения Г.Г. Мелик-Пашаев, получившие опыт в работе над ЭВМ М-3 во ВНИИЭМе.

Основные технические характеристики

• Система представления чисел — с фиксированной запятой.
• Количество двоичных разрядов — 30, кроме разряда знака, что соответствует 9 разрядам десятичных чисел.
• Арифметический узел — параллельного типа.
• Внутреннее ЗУ — на магнитном барабане с параллельным выбором ёмкостью 2048 чисел. *
• Средняя скорость работы — 30 операций в секунду.**
• Система кодирования — двухадресная.
• Скорость ввода данных — 30 чисел в минуту трансмиттером Т-50, 1200 чисел в минуту фотоэлектрическим трансмиттером.
• Скорость вывода информации — 30 чисел в минуту (результаты печатаются в десятичной или в восьмеричной системах)

*Объём запоминающего устройства может быть увеличен до 4096 чисел подключением второго шкафа ЗУ. 

**Предусмотрена возможность подключения к машине отдельного шкафа быстродействующего ЗУ, что обеспечивает увеличение скорости работы в среднем до 1500-2000 операций в секунду.

Основные узлы машины

В состав машины М-3 входят четыре основных узла: арифметический узел АУ, программный датчик ПД, запоминающее устройство ЗУ и устройства ввода и вывода.

Арифметический узел (АУ) машины М-3 параллельного типа. Это позволяет получить более высокие скорости выполнения арифметических операций. Время выполнения основных арифметических операций в АУ машины М-3 следующие: сложение 60 мксек, вычитание 75-120 мксек, умножение 1900 мксек, деление 2000 мксек.

Арифметический узел состоит из четырех триггерных регистров А, В, С и Д. Регистр Д выполняет функции параллельного 30-разрядного сумматора и переносит единицы перед образованием суммы. По своим функциям он существенно отличается от остальных регистров. В нем происходит пробег единицы переноса перед сложением и поразрядное суммирование. Регистр С является связующим звеном АУ с другими узлами машины. Через регистр С передается информация в ЗУ при вводе, передаются коды инструкций программы из ЗУ в ПД, осуществляется перенос кодов из одной ячейки ЗУ в другую его ячейку и обеспечивается вывод информации из ЗУ к устройствам печати.

До начала арифметических операций числа в регистрах располагаются следующим образом: в регистре А — слагаемое, вычитаемое, множимое, делитель; в регистре В — слагаемое, уменьшаемое, делимое; в регистре С — множитель. Исходные числа при логическом умножении размещаются в регистрах А и С. 

По окончании операции сумма, разность, произведение образуются в регистре В и передаются в регистр С. Частное и результат логического умножения образуются в регистре С и передаются в регистр В. Таким образом, во всех случаях по окончании действия результат находится в регистрах В С одновременно, где и сохраняются до следующего приёма в них. Это позволяет использовать результат, сохраненный в регистре В, при последующих операциях.

Устройство регистра А позволяет производить следующие элементарные операции:

• параллельный приём информации из регистра С, 
• взятие обратного кода содержащейся в регистре информации,
• гашение (установка на “0" всех триггеров) регистра.

В регистре В можно осуществить:

• гашение регистра,
• взятие обратного кода,
• параллельный приём из регистра С, 
• параллельную передачу в регистр С. 
• сдвиг содержимого вправо и влево.

В регистре С можно осуществить:

• гашение регистра,
• параллельный приём из ЗУ, 
• параллельный приём из регистра В, 
• параллельную передачу в регистры А и В и в регистры СР и БО программного датчика,
• последовательный ввод их УВВ и последовательно-параллельный вывод кодов из АУ в УВВ,
• сдвиг содержимого вправо и влево,
• образование результата логического умножения,
• ручной набор информации в регистр.

Программный датчик ПД  автоматически управляет узлами машины АУ, ЗУ, УВВ. В процессе решения задачи программный датчик в соответствии с программой извлекает числа из ЗУ, размещает их в регистрах АУ, выполняет над ними заданную операцию, направляет результат в нужную ячейку ЗУ и выводит его (печатает), если это задано инструкцией. В процессе выполнения этого цикла, соответствующего выполнению одной инструкции программы, определяется адрес инструкции, которая должна быть выполнена в следующем цикле. Все эти действия, соответствующие одной инструкции программный датчик выполняет в определенной последовательности в течение восьми тактов (0-7), причём содержание тактов изменяется в зависимости от выполняемой инструкции.

Программный датчик состоит из следующих блоков: местного программного датчика МПД, блока операций БО, распределителя импульсов РИ, селекционного регистра СР, пускового регистра ПР. 

Блок МПД предназначен для управления арифметическим узлом при выполнении им следующих операций: сложение, вычитание, умножение, деление, ввод или вывод группами по 3 или 4 разряда, логическое умножение. В блоке МПД помещены также три триггера знака регистров А, В, и С.

Блок операций предназначен для хранения и расшифровки кода операций очередной инструкции программы, выполняемой машиной. Код операции расположен в 1-6 разрядах регистра С. Эти разряды связаны соответственно с 1-6 триггерами регистра блока операций. В соответствии с принятой системой кодов блок операции выдает в блоки МПД ив узел ввода-вывода команды, вызывающие выполнение операции, заданной инструкцией. Кроме того, блок выдает в ЗУ команду “запись” и в том случае, если инструкция предусматривала запись результатов операции. В противном случае по окончании операции БО посылает в блок распределения импульсов (РИ) команду “запуск” РИ, вызывающую начало следующего цикла работы.

Блок распределения импульсов (РИ). Машина М-3 работает асинхронно, т. е. в ней нет единых для всего устройства тактирующих импульсов, которые и определяли бы скорость работы. Каждый из узлов машины получает импульс-команду, выполняет заданные операции и посылает импульс-ответ, означающий, что операция выполнена и можно приступать к выполнению следующей операции. Получив ответ об окончании операции, блок РИ посылает в ЗУ команду чтения следующей инструкции и одновременно передает из ПР в СР адрес этой инструкции. После того как из ЗУ придет импульс ответа об окончании чтения инструкции, в зависимости от кода операции РИ посылает в блоки ЗУ, БО, СР, ПР, АУ, и МПД различные управляющие импульсы. Весь цикл работы РИ состоит из восьми тактов (О-7), число пройденных тактов отсчитывается счётчиком РИ. Содержание тактов может изменяться в зависимости от кода выполняемой инструкции.

Пусковой и селекционный регистры. Двенадцатиразрядные триггерные регистры ПР и СР предназначены для хранения и преобразования адресов чисел и команд, выбираемых из ЗУ. Каждый триггер СР связан через дешифраторы несоответствия с триггером счетчика маркерных импульсов ЗУ. Совпадение состояния регистра СР и текущего адреса в счётчике фиксируется схемой, и выполняется инструкция в зависимости от поданной в ЗУ команды. В регистре ПР в процессе выполнения данной инструкции образуется адрес следующей инструкции программы. Обычно инструкции следуют одна за другой в порядке их записи в ЗУ, поэтому в регистре ПР режим счётчика. Но в случае выполнения инструкций условного и безусловного переходов, когда адрес следующей инструкции не является следующим по порядку номеров, информация в ПР поступает из СР. Все импульсы, управляющие работой СР и ПР, поступают из блока РИ. Кроме этих основных функций регистры СР и ПР позволяют осуществлять остановку на нужном адресе и электронный вывод информации.

Запоминающее устройство ЗУ. В качестве запоминающего устройства машины М-3 применяется вращающийся барабан, покрытый ферромагнитным слоем, с системой головок для записи и чтения сигнала. Это магнитное запоминающее устройство предназначено для хранения инструкций программы, исходных данных вспомогательных чисел, промежуточных и конечных результатов, получаемых в процессе решения задачи. Запоминающее устройство — параллельного типа. Запись и чтение производятся одновременно по 31 каналу (30 разрядов числа и один разряд знака) на одной из образующих барабана, местонахождения которой определяется порядковым номером маркерного импульса. Для получения последовательности маркерных импульсов на поверхности барабана по окружности записано 2048 импульсов. Против дорожки, где произведена эта запись, помещается маркерная головка, сигналы которой и формируют маркерные импульсы. Другая головка — нулевая — расположена так, что в слое против неё записан только один сигнал, формирующий импульс нуля, соответствующий по времени промежутку между 2048-м и 1-м маркерными импульсами.

Технические данные запоминающего устройства

• Ёмкость 2048 30-разрядных двоичных чисел.
• Среднее время выбора 10 мсек
• Плотность записи 3,2 имп./мм
• Число оборотов 3000 в минуту
• Диаметр барабана 216 мм 
• Ферромагнитный слой сплав никель-кобальт толщиной 3-5 мк 
• Частота маркерных импульсов 108 кГц

Устройство ввода и вывода данных

Устройство ввода. В машине М-3 ввод информации с бумажной перфоленты осуществляется с помощью трансмиттера Т-50. Информация, вводимая в машину, состоит из программы — последовательности инструкций, исходных цифровых данных и вспомогательных чисел. Коды инструкций всегда представляются в восьмеричной системе, а коды исходных данных и вспомогательных чисел могут быть представлены и в десятичной системе. Коды набивают на ленту на специальном перфораторе в бинарно-кодированном виде. Кроме кодов на ленте перфорируются “служебные знаки”, управляющие работой устройства ввода. Устройство ввода считывает информацию с ленты, расшифровывает её, представляет в двоичной системе и передает в запоминающее устройство. Ввод информации может быть автоматическим и ручным. Имеется возможность использовать для ввода информации фотосчитывающее устройство.

Устройство вывода . Вывод требуемых промежуточных и окончательных результатов производится на печатающее устройство — телетайп, который представляет собой электрическую печатающую машинку, имеющую ряд дополнительных механизмов: распределительный, дешифраторный, перфорационный и реле. Все эти механизмы во взаимодействии преобразуют комбинацию электрических сигналов, подаваемых на вход распределительного механизма, в удар одного из рычагов механизма печати. Наряду с печатью, перфорационный механизм может перфорировать печатающие знаки на ленте. В машине М-3 используется рулонный телетайп, снабженный реперфоратором, благодаря чему можно получать результаты вычислений на перфорированной ленте. Ленту можно использовать для долговременного хранения и последующего непосредственного ввода информации в машину. Управление печатью результатов с нужными интервалами и с определенным количеством столбцов осуществляется при помощи стандартных шаговых искателей ШИ-25/8. Имеется возможность электронного вывода информации. Электронный вывод предназначен для воспроизведения на экране осциллографа графика, на котором по оси ординат откладывается величина, пропорциональная пяти старшим разрядам выводимого числа, а по оси абсцисс — величина, пропорциональная числу прошедших выводов.

Электрическое питание машины М-3 

Устройство питания состоит из электромашинного агрегата и шкафа питания. В электромашинный агрегат входят асинхронный двигатель А-62, генератор ЧС-7 повышенной частоты 240 в 200 Гц и генератор ПН-68 постоянного тока, дающий постоянное напряжение 240 в. Агрегат питания расположен в отдельном помещении. В шкафу питания напряжение 240 в 200 Гц преобразуется в постоянные напряжения, необходимые для питания машины, производится стабилизация нескольких напряжений и распределение напряжений по шкафам машины. В шкафу питания размещены выпрямители, стабилизаторы, схемы управления, защиты и сигнализации, приборы контроля. Для питания электронных схем машины используются следующие уровни напряжений (вольт): +70, +120, +150, +240, +350, +450, -170.

Все напряжения подаются в шкафы машины с помощью гибких кабелей.

Конструкция машины М-3 

Все оборудование машины размещено в трех шкафах и на одном передвижном столике. В главном шкафу № 1 размещены арифметический узел, программный датчик, электронный блок управления вводом и выводом и главный пульт. В шкафу № 2 расположено запоминающее устройство: магнитный барабан, усилители, схема управления запоминающим устройством. В шкафу № 3 размещено оборудование устройства питания: выпрямители, стабилизаторы, системы включения и, выключения и защиты машины. На подвижном столике установлены телетайп, пульт устройства ввода и вывода, трансмиттер, устройство фотоввода, блоки реле и шаговых искателей.

Схема расположения узлов и блоков машины М-3.

А — подвижной столик, Б — шкаф № 1, В — шкаф № 2, Г — шкаф № 3. 

• 1 — арифметический узел АУ;
• 2 — главный пульт управления;
• 3 — блок операций БО; 
• 4 — местный программный датчик МПД;
• 5 — электронный блок устройства ввода и вывода ЭУВВ;
• 6 — селекционный регистр СР;
• 7 — пусковой регистр ПР;
• 8 — блок распределения импульсов РИ;
• 9 — счётчик маркерных импульсов СМИ, схема сравнения и блок управления магнитной памятью УМП;
• 10 — усилители записи и чтения;
• 11 — магнитный барабан;
• 12 — стабилизаторы;
• 13 — пульты управления шкафом питания;
• 14 — выпрямители;
• 15 — телетайп;
• 16 — пульт устройства ввода и вывода;
• 17 — трансмиттер;
• 18 — устройство фотоввода;
• 19 — блоки реле и шаговых искателей.

Внешний вид машины М-3
1 — главный шкаф, 2 — шкаф запоминающего устройства, 3 — шкаф питания

Узлы машины смонтированы на дюралевых рамах, укрепленных на каркасе шкафов. В шкафу № 1 установлены три рамы, в шкафу № 2 — две рамы, Поле каждой рамы представляет решетку, на которой укрепляются стандартные посадочные площадки для сменных субблоков. Сменные субблоки имеют три основных габаритных размера: двухламповый — 90в48 в 120 мм, одноламповый — 60в48 в 120 мм и четырёхламповый — 208в48 в 120 мм. Субблок соединяется с площадкой при помощи разъёмов (20- или 14-контактного)

Для охлаждения ламп и отвода тепла во всех шкафах введена принудительная вентиляция. Система вентиляции — разомкнутая, воздух засасывается с нижней части каждой рамы через решетчатое окошко, проходит через ряды ламп и выбрасывается вентиляторами наружу.

Площадь, занимаемая отдельными узлами машины следующая;

• шкаф № 1 (арифметический узел и устройство управления) — 1,1 кв. м 
• шкаф № 2 (запоминающее устройство) — 0,7 кв. м 
• шкаф № 3 (электрическое питание) — 0,9 кв. м 
• подвижный столик (устройства ввода и вывода) — 0,6 кв. м 

Программирование задач

Система кодирования инструкций в М-3 -двухадресная. Код инструкции занимает все 30 разрядов чисел, кроме 31 разряда знака. Инструкция может иметь произвольный знак. Шесть старших разрядов инструкции отводятся под код операции, остающиеся 24 разряда — под код адресов, на каждый адрес по 12 разрядов Инструкции удобно кодировать в восьмеричной системе, объединяя каждые три двоичных разряда в один восьмеричный. Таким образом, коды операций имеют по два восьмеричных разряда, адреса — по четыре. Инструкции должны перфорироваться на ленте перфоратора и вводиться в машину также в восьмеричной системе. Ниже приводится структура кодов чисел и инструкций.

Структура кодов чисел и инструкций

Коды команд арифметических операций и логического умножения образуются следующим образом: вторая цифра кода означает вид операции (сложение, вычитание и др.), первая цифра указывает признак (необходимо ли произвести запись результата в запоминающее устройство и т.д.). Принятые значения кодирующих цифр следующие:

Вторая цифра кода — основной признак.

• *0 — сложение
• *1 — вычитание
• *2 — деление
• *3 — умножение
• *6 — логическое умножение

Первая цифра кода — вспомогательный признак:

• 0 — операция над числами из первого и второго адресов. Результат записывается в ЗУ по второму адресу.
• 1. — операция над числами по первому и второму адресу. Результат не записывается.
• 2 — операция над числом из первого адреса и результатом предыдущей операции, хранящимся в арифметическом узле. Результат записывается. в ЗУ по второму адресу
• 3 — операция над числом из первого адреса и результатом предыдущей операции, хранящейся в арифметическом узле. Результат в ЗУ не записывается.
• 4 — то же, что и для 0, но результат, помимо записи в ЗУ, печатается.
• 5 — то же, что и для 1, но действия производятся над модулями чисел.
• 6 — то же, что и для 2, но результат помимо записи в ЗУ, печатается.
• 7 — то же, что и для 3, но действия производятся над модулями чисел.

Код команд машины М-3

Литература

1. В.В. Белынский, В.М. Долкарт, Б.М. Каган, Г.П. Лопато, Н.Я. Матюхин «Малогабаритная электронная вычислительная машина М — 3». Москва, ВИНИТИ, выпуск «Передовой научно-технический и производственный опыт». 1957.
2. Б.М. Каган. «История из первых рук». Интервью еженедельнику PC WEEK / RE №46 9 декабря 2003 года.

Об авторе: Научный консультант Научно-исследовательского института вычислительных комплексов имени М.А. Карцева, arzibibi@migmail.ru
Материалы международной конференции SORUCOM 2006 (3—7 июля 2006 года)
Статья помещена в музей 14.02.2008 с разрешения автора