Семейство малых ЭВМ «Наири»

Оганян Герман Арташесович

Высокий уровень математической школы, наличие высоко-квалифицированных конструкторов и технологов, развитая производственная база в Армении в середине 50-ых годов прошлого века предопределили решение правительства СССР о создании в Ереване Института математических машин.

Основными задачами института стали научно-исследовательские, проектно-конструкторские разработки в области создания отечественных электронно-вычислительных машин (ЭВМ) и построение на их основе автоматизированных систем управлениядля использования впроектных, научно-исследовательских и производственныхорганизациях, занимающихсяобработкой информации и решением широкого круга проблем управления.

Первым директором института стал один из самых выдающихся математиков Советского Союза академик Сергей Мергелян.В институте были созданы функциональные подразделения по проектированию аппаратных ипрограммных средств, включая их конструкторское итехнологическое оснащение. Были сформированы цеха для изготовления образцов устройств и узлов, в том числе источников питания. Созданные цеха в дальнейшем объединились в опытное производство, а позже в Опытный завод ЕрНИИММ.

В начале 60-х годов прошлого столетия пост директора института занял Фаддей Тачатович Саркисян, нынешний президент Национальной академии Республика Армения, по инициативе которого были поставлены ирешеныкрупныенаучно технические, производственные и организационныезадачи. В институте сформировались направления по созданию малых ЭВМ семейства "Наири", ряда моделей Единой серии универсальных ЭВМ (ЕС ЭВМ), а также научно-тематический центр по проектированию автоматизированных систем управления (АСУ) специального назначения. Был взят курс на крупносерийное производство средств вычислительной техники, как на заводах Армении, так и на предприятиях других республик СССР.

Разработка первой модели машин семейства «Наири» была осуществлена в течение 1962-1964 г.г. (главный конструктор Г.Е.Овсепян).

Принципиально новые схемотехнические решения, развитое программное обеспечение, ориентированное на решение возникающих в инженерной практике технических задач, позволили, с одной стороны, сформировать базовую архитектуру всего семейства малых ЭВМ «Наири», просуществовавших до начала 20 века, а с другой создать одну из самых распространенных в СССР малых ЭВМ, нашедшей широкое применение в научно-исследовательских институтах промышленности и высших учебных заведениях страны.

Разработанная архитектура ЭВМ «Наири» была запатентована в Англии, Японии, Франции, Италии.

Рассмотрим некоторые из запатентованных решений.

Впервые для класса малых ЭВМ в начале 60-х годах прошлого века была предложена 36 разрядная архитектура процессора. В целях минимизации аппаратных затрат, арифметическое устройство состояло только из одного аппаратного 36-разрядного универсального регистра - сумматора. В качестве остальных регистров было предложено использование группы фиксированных ячеек оперативного запоминающего устройства машины. Для каждой фиксированной ячейки были определены микрооперации чтения и запоминания, что обеспечивало независимость от цикла всей оперативной памяти и резкое увеличение быстродействия.

Принципиальной особенностью предлагаемой архитектуры ЭВМ явилось использование постоянного долговременного запоминающего устройства кассетного типа, используемого в двух целях:

- организации памяти микропрограмм;

- памяти для хранения встроенного прикладного технологического программного обеспечения ЭВМ.

Объем каждой кассеты составлял 2048 36 разрядных слов. Необходимая разрядность микрокоманд (72 разряда) обеспечивалась путем одновременного считывания информации с двух кассет. Остальной объем ДЗУ (14 тысяч 36 - разрядных слов) был выделен для хранения компиляторов с языков типа «Ассемблер» и «Бейсик», пакетов программ решения дифференциальных уравнений, всего спектра задач линейной алгебры, программ непосредственного счета разнообразных арифметических выражений в диалоговом режиме, программ управления пишущей машинки и перфоленточного ввода/вывода, построения графиков и диаграмм, а также комплекса технологических программ проверки всех узлов как на этапах производства, так и при эксплуатации ЭВМ.

Временные характеристики ДЗУ (цикл считывания 8 мкс) позволили реализовать весь спектр рассмотренных задач с временными характеристиками, как минимум, на порядок лучше, чем в зарубежных малых ЭВМ (в которых в качестве накопителей программного обеспечения использовались запоминающие устройства типа «магнитный барабан».

Крупносерийное производство ЭВМ «Наири» было организовано с конца 1964 года на двух заводах в Армении, а также на одном из самых крупных заводов СССР - Казанском заводе ЭВМ.

Наиболее ярко отличительные особенности первой модели семейства «Наири» проявились на юбилейной Лейпцигской ярмарке весной 1965 г.

На ярмарке демонстрировались малые ЭВМ различных фирм и стран (Англии - фирма ICL, Франции - фирма Bull, ФРГ - фирма Zuse и др.). ЭВМ «Наири» была единственной микропрограммной ЭВМ с расширенной разрядной сеткой (36 разрядов), обеспечивающей высокую производительность, повышенную точность вычислений (остальные ЭВМ имели разрядные сетки 8,16 разрядов).

Быстродействие ЭВМ «Наири» было вне конкуренции, учитывая тот факт, что в ЭВМ «Наири» программное обеспечение было размещено в постоянной памяти с циклом выборки 8 мкс, а в остальных ЭВМ программы хранились во внешних запоминающих устройствах типа «магнитный барабан».

Следующей моделью семейства «Наири» стала «Наири-2», созданная в 1966 г. Основными особенностями этой ЭВМ явились увеличенная емкость оперативной памяти, использование более производительных устройств ввода-вывода и улучшенные конструктивные решения.

Сопоставляя ЭВМ «Наири» и «Наири-2» с нынешним уровнем вычислительной техники можем отметить, что указанные ЭВМ в принципе сопоставимы по своим характеристикам (за исключением объемных характеристик), включая так называемый «дружественный интерфейс пользователя» с персональными ЭВМ архитектуры IBM PC, построенных на микропроцессорах Intel серии 486, серийно выпущенных 20 лет спустя..

Разработчиками ЭВМ «Наири-2» было получено дополнительно пять авторских свидетельств, включая на изобретение, позволяющее проводить выполнение логических операций «и», «или» непосредственно в оперативной памяти, ее фиксированных ячейках, без какого либо обращения к арифметическому устройству.

Создание в начале семидесятых годов прошлого века серии семейства ЭВМ «Наири-3» («Наири 3-1», «Наири 3 - 2», «Наири 3-3») было продиктовано настоятельной необходимостью системного использования ЭВМ в различных автоматизированных системах управления (многотерминальных системах коллективного пользования, системах автоматизированного управления производством радиоэлектронной аппаратуры и др.).

Значительное расширение области применения серии «Наири-3» потребовало пересмотра определенных компонентов архитектуры ЭВМ. Переход от области решения инженерных задач в область систем управления потребовало значительного расширения архитектуры ЭВМ, возможностей машинного языка, пересмотра системы ввода-вывода информации, перехода к многомашинным структурам, повышение достоверности обрабатываемой информации, реализации многотерминального доступа к источникам информации в режиме близком к реальному времени.

При этом была поставлена задача максимального использования существующего в тот период времени программного обеспечения, включая пакеты прикладных программ, разработанного для других ЭВМ и широко используемого в находящихся в эксплуатации автоматизированных системах управления производством.

Успешная реализация поставленных задач была осуществлена благодаря использованию целого комплекса структурных и схемотехнических решений, апробированных в различных моделях серии «Наири-3» и защищенных многими авторскими свидетельствами.

Принципиально новым явилась организация микропрограммного устройства управления, имеющего двухуровневую структуру.

Первый – нижний уровень представлял собой память минимальной емкости, в которой хранился набор всех необходимых микрокоманд, задающих все множество микроопераций, управляющих аппаратным контуром ЭВМ.

Второй уровень задавал последовательность адресов микрокоманд, реализующих микропрограммы, выполняемых в ЭВМ машинных команд или некоторых процедур. В качестве памяти адресов микрокоманд при этом могли быть использованы любые типы запоминающих устройств ЭВМ.

Предложенная двухуровневая структура микропрограммного устройства управления позволила формировать в моделях серии «Наири-3» хранилище практически неограниченного набора микропрограмм. Как показали исследования, в предлагаемой структуре микропрограммного устройства управления была достигнута предельная плотность упаковки микропрограмм, приближающаяся к теоретическому пределу минимального кодирования информации.

Реализация в ЭВМ серии «Наири-3» практически неограниченного объема микропрограмм позволила впервые в СССР и одним из первых в мире практически реализовать методы полной микропрограммной эмуляции не одного, а одновременно несколько машинных языков, функционирующих одновременно в ЭВМ серии «Наири-3». Выбор ЭВМ, подлежащих микропрограммной эмуляции, определялся объемом прикладных программ, разработанных в эмулируемой ЭВМ.

Так в моделях серии «Наири-3» были реализованы машинные языки ЭВМ «Наири-1», «Наири-2», «Минск-22». При этом эмуляции подверглись не только отдельные команды, но и идиомы, представляющие некоторые последовательности машинных команд, имеющих определенное назначение. Например, команды управления внешней памятью (магнитные ленты). Микропрограммирование идиомы позволило в некоторых случаях повысить производительность эмулятора на один, два порядка.

Введение аппаратных средств многотерминального доступа к источникам информации (ЭВМ «Наири-3-2») позволило создать аппаратно-программную платформу автоматизированных систем управления производством.

Серия ЭВМ «Наири-3» нашла широкое применение в разных отраслях народного хозяйства страны.

Коллектив разработчиков указанной серии был удостоен Государственной премии СССР (Г.Е. Овсепян - главный конструктор, Ф.Т. Саркисян, Г.С. Сагоян, М.А. Хачатрян, М.Р. Буниатян, Х.К. Эйлезян, В.Г. Ишин, С.А. Туманян, А.В. Закиров ), Премии Ленинского комсомола СССР (Г.А. Оганян, А.Г. Геолецян, Э.Л. Джанджулян, И.М.Ермаков, В.Г. Гончоян, Л.А.Карапетян, В.Г. Азатян, Г.К. Асланян).

Было защищено 11 кандидатских диссертаций по результатам разработки трех серий семейства «Наири».

Дальнейшее развитие семейства малых ЭВМ «Наири» воплотилось в создании серии ЭВМ «Наири-4», предметно-ориентированной, в основном, на специальные применения. Выбор архитектуры серии ЭВМ «Наири-4» определился требованиями значительного повышения производительности вычислений, подключения широкого спектра периферийных устройств (дисплеи, принтеры, аналого-цифрового оборудования), построения отказоустойчивых комплексов с встроенной системой аппаратного контроля и диагностики с широким использованием конструкторско-технологической базы, ориентированной на работу в жестких климатических условиях и механических воздействий.

При сохранении принципов двухуровневой организации микропрограммного устройства управления, был сделан упор на резкое увеличение быстродействия первой ступени устройств- накопителей микрокоманд, задающего тактовую частоту ЭВМ. Учитывая малый объем этого накопителя была предложена его организация на мультиплексорах, а в дальнейшем на ПЛИС.

Примером предметно-ориентированного подхода к построению систем явилось создание комплекса средств автоматизации труда конструкторов, технологов широкого профиля - ЭВМ «Наири-4/АРМ».

Наивысшая производительность в моделях серии «Наири-4» была достигнута в 1977 году в ЭВМ «Наири-4» (2 млн. операций в секунду).

При создании большой территориально-распределенной информационно-управляющей системы специального назначения возникла необходимость создания отказоустойчивого вычислительного комплекса, ориентированного на использование как для объектов системы верхнего звена управления систем, так и для массовых низовых объектов системы, являющихся источниками информации системы и образующих контур реального времени. При этом необходимо было реализовать:

функции высоконадежного доступа к большому числу каналов связи, поступающих от разных направлений системы обмена данными.
выполнение всех без исключения информационно-логических задач, низовых объектов системы.

При создании вычислительного комплекса на базе ЭВМ были предложены следующие системно-технические решения, отличающиеся патентной новизной:

сквозной аппаратный контроль процессора и универсальной шины ввода-вывода;
введение режима «горячего отключения», при котором допускается отключение сопрягаемых устройств ввода-вывода без остановки работы ЭВМ;
введение в структуру комплекса блоков переключателей и связи каналов универсальной шины ЭВМ для построения многомашинных структур;
микропрограммная реализация всех операций комплексирования ЭВМ и универсальной шины;
введение в структуру ЭВМ и ВК специализированного диагностического процессора, на который возлагались функции диагностирования отказавших типовых элементов замены.

Универсальность архитектуры разработанного вычислительного комплекса, совместимого с одной из наиболее массовой в стране ЭВМ СМ-4, с использованием режима микропрограммной эмуляции, позволила реализовать большой класс телекоммуникационных и информационно-логических задач, возлагаемых на объекты системы;

Введение в структуру ВК диагностического процессора позволило резко уменьшить время восстановления ВК, повысив тем самым коэффициент готовности системы. Учитывая массовость низовых объектов, специфику их использования, связанную с территориальной удаленностью, предлагаемые системотехнические решения в совокупности со специальным программным обеспечением позволили создать систему, которая функционировала более 15 лет.

При создании серии ЭВМ «Наири-4» разработчиками было предложено 15 авторских свидетельств, защищено 9 кандидатских и три докторских диссертаций.

Семейство ЭВМ «Наири», функционирующее почти сорок лет, по своим архитектурным, структурным, техническим и программным характеристикам явилось существенным вкладом в развитие вычислительной техники СССР и представляло оригинальную научную школу в области построения малых ЭВМ.

Об авторе: МИРЭА, germanoganyan@mail.ru
Статья помещена в музей 30.04.2008 с разрешения автора