Микропроцессоры — начало нового века, начало семидесятых

 

Микро ЭВМ «Электроника С5-01»

Всё началось с появления на мировом рынке совершенно удивительных изделий – микрокалькуляторов, сначала настольных, а потом и карманных. Именно они и были самыми важными «игрушками» для бухгалтера, инженера, официанта и многих других. Именно им суждено было стать первой областью применения высочайшего по тем временам уровня интеграции цифровых схем. Эти схемы стали называть БИС – большие интегральные схемы (LSI).

А в какой-то момент умному и ленивому человеку пришло в голову, что нужно сделать всего один шаг – создать ОДНОКРИСТАЛЬНЫЙ универсальный программируемый элемент, простейший процессор с удивительно малой разрядностью и простейшей системой команд. А ещё создать новую фирму, организовать массовое производство, рекламу – вот и всё, вот и случилась революция в современной технике, по своей значимости не уступавшая появлению первых транзисторов в середине всё того же двадцатого века.

И вот такую революцию совершили Гордон Мур и его команда, всего одна компания – Интел, а дальше – пошло – поехало!

Быть может, случилось всё это только потому, что в той команде не оказалось специалистов по традиционной вычислительной технике, они бы ни за что не снизошли до таких наивных, экономичных и судьбоносных решений.

К сожалению, но и к счастью, в нашей команде, в школе Староса, простейший микропроцессор просто не мог родиться, и мы пошли другим путём, мы стали создавать вычислительную машину на больших интегральных схемах. Но важно, что эти схемы рождались и развивались в той же единой команде. Ведь у нас за спиною было уже два успешных поколения вычислительных машин УМ-НХ, «Электроника К-200» и многочисленные системы на их основе, включая и системы военного назначения. Пройдёт совсем немного времени, и такие коллективы будут создаваться в составе крупнейших компаний – создателей вычислительных машин, IBM, DEC, многих других. Но это будет после, после…

Неоценимый вклад в рождение и долголетнюю жизнь поколений микро-ЭВМ «Электроника С-5», не закончившуюся до настоящего времени, внесли коллективы инженеров и учёных из Киевского Института Кибернетики под руководством Виктора Михайловича Глушкова, Бориса Николаевича Малиновского, Александра Васильевича Палагина, а также преподавателей и студентов многих институтов страны – Политехнического, Военно-механического, многих других.

Практически одновременно работы над созданием мини-ЭВМ на БИС были начаты в другом коллективе, созданном в Зеленограде двумя выдающимися учёными в области вычислительной техники – Израилем Яковлевичем Акушским и его учеником Давлетом Исламовичем Юдицким при полном доверии и поддержке этих работ руководителем Научного Центра Фёдором Викторовичем Лукиным.

Следует также отметить выдающуюся роль в развитии микропроцессорной техники Начальника Главного научно-технического управления Министерства электронной промышленности СССР Валентина Михайловича Пролейко. Многие годы он руководил Советом Главных конструкторов по микропроцессорной технике. Он сумел объединить усилия отдельных коллективов отрасли, построить стройную систему стандартизации. Валентин Михайлович организовал опережающую работу с потребителями. Под его руководством были созданы первые микропроцессорные системы управления. Для ознакомления с работами по созданию и развитию микропроцессоров проводились многочисленные выставки, семинары в разных городах и регионах страны – в Ленинграде, Москве, Куйбышеве, Кирове, Одессе, Армении, Белоруссии и Киргизии и др. Несмотря на свою постоянную занятость, частенько руководство этими семинарами брал на себя сам В.М. Пролейко.  Это помогало придать таким встречам статус важнейшего события, подготовить, утвердить и взять на контроль координационные планы регионального или межотраслевого уровня. Во всех городах, где проводились эти семинары, активно работали и развивались коллективы молодых инженеров и учёных, в институтах, готовились аспиранты, писались кандидатские и докторские диссертации, разрабатывались новые курсы лекций и лабораторные работы.

Всё это в полной мере проявилось и в работах по созданию семейства «Электроника-С5». Особенно ярко проявилось участие Валентина Михайловича в работах по созданию первой отечественной однокристальной микро-ЭВМ «Электроника С5-31». В то время достигнутый уровень интеграции БИС был недостаточным для создания таких машин, и это было доказано в многочисленных отчётах, докладах и выступлениях. И тогда Валентин Михайлович предпринял совершенно неожиданное решение.

Он неожиданно приехал в ЛКТБ, собрал ведущих специалистов по этой тематике и устроил вместе с ними настоящий мозговой штурм. Участники этого совещания помнят эти часы напряжённого спора, обсуждения совершенно нестандартных подходов, поиска разумных компромиссов. В результате в течение нескольких часов был создан аванпроект этой сложнейшей разработки, которая была успешно претворена в жизнь, и ее результатом стала лучшая в мире в течение нескольких лет микро-ЭВМ – «Электроника-С5».

Предпосылки создания семейства микро-ЭВМ «Электроника-С5»

Понятие «Семейство микро-ЭВМ «Электроника С5» включает в себя совокупность разработок многоплатных, одноплатных и однокристальных микро-ЭВМ, объединенных единством следующих принципиальных решений:

  • Архитектура
  • Система команд
  • Комплект микропроцессорных БИС
  • Программное обеспечение и средства отладки
  • Средства автоматизации проектирования
  • Конструктивная реализация аппаратуры

Переход от заказных микросхем и аппаратуры, предназначенных для обработки информации и управления к разработкам программируемых микро-ЭВМ и контроллеров на базе микропроцессорных комплектов БИС явился революционным этапом в развитии мировой микроэлектроники.

Одним из первых отечественных предприятий, которое оказалось способным приступить практически к разработкам принципиально новых средств микроэлектроники, явилось Ленинградское конструкторско-технологическое бюро (ЛКТБ), впоследствии ЗАО «Микроэлектроника».

Предпосылкой такой возможности явилось то, что к началу 70-х годов прошлого века ЛКТБ располагало коллективом профессиональных специалистов. В его состав входили технологи – разработчики планарной технологии, инженеры-электронщики – разработчики интегральных схем, программисты и микропрограммисты – разработчики программного обеспечения и микропрограммных устройств управления, разработчики средств автоматизированного проектирования больших интегральных схем, конструкторы и технологи – разработчики аппаратуры.

В ЛКТБ было организовано производство (планарный, сборочный и механический цеха) для изготовления больших интегральных схем и аппаратуры на их основе.

Предприятие было создано в 1959 году и уже имело опыт создания таких средств вычислительной техники, как управляющие машины УМ1-НХ, УМ-1, УМ-2Т, УМ-2С, «Электроника-К200», предназначенные для применения в различных областях народного хозяйства, в том числе, в авиации, атомных станциях, в космических аппаратах. Были также созданы первые отечественные микрокалькуляторы на базе больших интегральных схем и организовано их серийное производство.

Структура ЛКТБ была построена по принципу вертикальной интеграции «сверху – вниз», обеспечивающей оптимизацию процесса проектирования устройств вычислительной техники от описания алгоритма функционирования изделия до элементной базы.

Таковы были предпосылки своевременного осознания необходимости перехода от создания специализированных устройств вычислительных средств управления к программируемым средствам на основе микропроцессорных устройств.

Наиболее ярко в этих работах проявился талант Михаила Алексеевского, Бориса Алехова, Марка Гальперина, Валерия Городецкого, Игоря Грачева, Анатолия Дряпака, Евгения Жукова, Ильи Евзовича, Владимира Кузнецова, Мары Пуховой.

Чрезвычайно плодотворным было сотрудничество с несколькими поколениями талантливых ученых из киевского Института Кибернетики, и прежде всего, с Борисом Николаевичем Малиновским, Александром Васильевичем Палагиным, Владимиром Ивановым.

Первую отечественную микро-ЭВМ «Электроника С5-01» принимала Госкоммиссия под председательством академика Виктора Михайловича Глушкова.

Создание машин малой конфигурации всегда сопровождалось разработкой и производством устройств ввода-вывода информации, устройств отображения и источников питания. Эти работы многие годы возглавлял Владимир Ефимович Панкин. Его единомышленниками и учениками в разные годы были Олег Знаменский, Иван Мешечкин, Евгений Потапов, Анатолий Росляков, Кирилл Бодашков, Николай Пигалев, Евгений Бардин, Феликс Леваневский, Виктор Салажов, Валентин Шилков, Никита Бороденков, Валерий Бондаренко и еще ряд талантливых и достойных людей.

Опережающими темпами создавались системы моделирования и отладки, стандартные средства программирования. Среди авторов и непосредственных создателей программного обеспечения микро-ЭВМ семейства «Электроника С5» в первую очередь следует назвать Михаила Алексеевского, Илью Евзовича, Юрия Масленикова, Александра Шебаршина.

Массовое внедрение машин началось в середине 70-х годов одновременно с началом выпуска на «Светлане» одноплатных и многоплатных микро-ЭВМ. Был создан специализированный Центр внедрения во главе с Генри Гутманом. Опытный системщик, контактный и неугомонный человек, он сумел собрать вокруг своего маленького коллектива целую сеть предприятий различных отраслей экономики, научных и учебных учреждений, которые развернули широчайший фронт работ по внедрению микро-ЭВМ. Причем, эти работы зачастую велись еще тогда, когда новая модель машины существовала только в планах предприятия. Такова очень краткая история создания семейства микро-ЭВМ «Электроника С5» и усилий, предпринятых для освоения экономикой страны новейших средств вычислительной техники с последующим многообещающим их развитием.

Первые отечественные микро-ЭВМ семейства «Электроника С5»

Основными частями семейства микро-ЭВМ «Электроника С5» являются:

  • Набор микропроцессорных БИС.
  • Многоплатные микро-ЭВМ.
  • Одноплатные микро-ЭВМ.
  • Набор микропроцессорных функциональных модулей.
  • Однокристальные микро-ЭВМ.
  • Программное обеспечение.
  • Средства отладки программ.

Микро-ЭВМ семейства «Электроника-С5» на основе р-канальных БИС.

Микро-ЭВМ «Электроника С5-01»

Разработка микро-ЭВМ проводилась «сверху-вниз» – от описания архитектуры, реализующей систему команд «Электроника-С5», до создания набора микропроцессорных БИС. Разработанная в начале 70-х годов р-канальная технология изготовления интегральных схем позволила достигнуть уровня интеграции до 2 тысяч элементов на кристалле для нерегулярных и до 8 тысяч элементов для регулярных схем (типа запоминающих устройств). На базе этой технологии разработан набор канальных микропроцессорных БИС.

В 1975 г. на базе этого набора БИС была разработана, изготовлена, испытана и принята Государственной комиссией под председательством академика В.М. Глушкова, директора киевского института кибернетики первая отечественная микро-ЭВМ «Электроника С5-01». Она является многоплатной моделью микро-ЭВМ и представляет собой 16-разрядную машину с развитыми системами памяти и ввода-вывода. Главными особенностями этой модели являются:

  • Большой объем внутренней памяти (20К 16-разрядных слов);
  • Широкий набор устройств управления внешними объектами;
  • Встроенные пульт управления, генератор тактовых импульсов, источник питания;
  • Полная конструктивная завершенность (шасси, корпус).

Одноплатная микро-ЭВМ «Электроника С5-12»

Стремление к созданию универсального программируемого микропроцессорного устройства, которое можно было бы встраивать непосредственно в объект управления, привело к разработке одноплатной микро-ЭВМ «Электроника С5-12».

Микро-ЭВМ «Электроника С5-12» представляет собой вычислительную машину, в которой процессор, устройства памяти и ввода-вывода выполнены на одной плате. При этом источник питания, органы управления и индикации в состав микро-ЭВМ не входят и являются частью объекта управления. Одноплатная микро-ЭВМ встраивается в объект управления в качестве комплектующего изделия.

Микро-ЭВМ «Электроника С5-12» выполнена на основе комплектар-канальных БИС. Она программно совместима с другими моделями семейства «Электроника С5», что обеспечивает возможность применения ранее разработанного программного обеспечения и средств отладки.

Для построения на базе микро-ЭВМ «Электроника С5-12» систем с расширенными функциональными возможностями в части памяти и ввода-вывода создан набор микропроцессорных функциональных модулей (МФМ), программно и электрически совместимых с микро-ЭВМ «Электроника С5-12».

Условия эксплуатации МФМ идентичны условиям эксплуатации микро-ЭВМ «Электроника С5-12». Все модули выполнены в виде одноплатных конструкций (платы печатного монтажа размером 280×160×2 мм или 140×160×2 мм), имеют внешнее обрамление и защитные крышки.

На основе одноплатной микро-ЭВМ «Электроника С5-12» и отдельных функциональных модулей можно создавать различные конфигурации вычислительных средств, обеспечивающих решение специализированных задач управления конкретными объектами, такими, как измерительные приборы, цифровые следящие системы, в трактах измерения технологических параметров в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами и т.д.

С помощью микро-ЭВМ «Электроника С5-12» и модулей «Электроника С5-122» появилась возможность организации многомашинных комплексов магистрального типа через параллельный интерфейс. 

Микро-ЭВМ семейства «Электроника С5-21» на базе n-канальных МОП БИС

Элементной базой одноплатных микро-ЭВМ «Электроника С5-21», «Электроника С5-21М», «Электроника С5-22» и микропроцессорных функциональных модулей для них является комплект n-канальных БИС.

Переход на n-канальную технологию изготовления микропроцессорных БИС позволил существенно повысить быстродействие и степень интеграции элементов на кристалле. Это, в свою очередь, обусловило увеличение функциональной мощности и сокращения типов микросхем в комплекте БИС, необходимом для создания микро-ЭВМ. Однокристальный n-канальный 16-разрядный микропроцессор (ОМП), выполняющий все инструкции системы команд «Электроника С5», заменил микропроцессор предыдущего поколения, состоящего из 11 р-канальных БИС, и превысил в 20 раз его быстродействие.

Для расширения эксплуатационных возможностей и повышения производительности систем на основе микро-ЭВМ «Электроника С5-21» создан набор функциональных микропроцессорных модулей, программно и электрически совместимых с микро-ЭВМ. В отличие от набора МФМ для микро-ЭВМ «Электроника С5-12» количество типов модулей в составе набора для микро-ЭВМ «Электроника С5-21» сокращено. Это стало возможным за счет повышения функциональной мощности n-канальных БИС. 

Одноплатная микро-ЭВМ «Электроника С5-22»

Большой интерес, проявленный разработчиками аппаратуры и систем к применению одноплатных микро-ЭВМ «Электроника С5-12» и «Электроника С5-21», а также приобретенный опыт по встраиванию таких изделий в приборы и устройства, побудил к созданию модели одноплатной микро-ЭВМ для спецприменений. Таковой явилась микро- ЭВМ «Электроника С5-22» и совместимые с ней многофункциональные модули. Прототипом явилась микро-ЭВМ «Электроника С5-21».

Учитывая перспективность создания распределенных систем управления на базе нескольких одноплатных микро-ЭВМ с общими ресурсами памяти и устройств приема-передачи информации, в структуру микро-ЭВМ были включены несколько магистралей шин следующего назначения:

  1. магистраль для увеличения внутренних ресурсов данной машины;
  2. магистраль для подключения ресурсов, разделяемых несколькими микро-ЭВМ, при этом обмен по магистрали производится по принципу «ведущий-ведомый» с помощью арбитра магистрали;
  3. межмашинный последовательный интерфейс со схемно-программной реализацией;
  4. программно-управляемый интерфейс ввода-вывода.

Микро-ЭВМ «Электроника С5-22» для спецприменений получила широкое распространение. Подтверждением этому является тот факт, что уже более 25 лет (до настоящего времени) ведется изготовление и поставка этого изделия потребителям.

Однокристальная микро-ЭВМ «Электроника С5-31»

Микро-ЭВМ «Электроника С5-31» (микросхема К586ВЕ1) – однокристальная модель семейства «Электроника С5». По своей структуре является законченной микро-ЭВМ, имеющей в своем составе микропроцессор, оперативное и постоянное запоминающие устройства и цифровые каналы ввода-вывода информации. Предусмотрена возможность программной перестройки структуры ввода-вывода и организации внешней шины для наращивания памяти и каналов ввода-вывода за счет использования шин ввода-вывода.

Микро-ЭВМ «Электроника С5-31» предназначена для использования в управляющей и измерительной аппаратуре, оборудовании для линий связи, контроллерах, системах сбора и обработки информации и т. п.

Программное обеспечение микро-ЭВМ семейства «Электроника С5»

Идеологи разработки семейства микро-ЭВМ «Электроника С5» уже в то время понимали, что применение микро-ЭВМ всецело определяется их оснащенностью средствами автоматизации разработки целевых программ, операционными системами, библиотеками стандартных программ, средствами программного контроля и диагностики состояния вычислительной системы.

Система команд

Единая архитектура и оригинальная система команд семейства являлась основой создания единого ПО семейства «Электроника С5». В ней воплотились основные тенденции современных в то время мини- и микро-ЭВМ с учетом возможности реализации при максимальном быстродействии: фиксированная разрядность, развитая система адресации, возможность работы со словами и байтами, каналами ввода-вывода, обеспечение работы с прерываниями в реальном и мультипрограммном режимах. Следует отметить, что эта система команд являлась одним из двух отраслевых стандартов МЭП на системы команд.

Кросс-средства автоматизации программирования

Одной из главных целей ПО является сокращение сроков проектирования и внедрения микро-ЭВМ. Эффективным средством достижения этой цели была разработка кросс-средств автоматизации разработки и отладки целевых программ на отечественных универсальных ЭВМ. Отличительной особенностью этих средств является тот факт, что они начали разрабатываться, а МПСК-моделирующая программа системы команд (кросс-отладчик по современной терминологии) начала эксплуатироваться до появления первых моделей семейства «Электроника С5», обеспечив параллельную разработку целевых программ, микро-ЭВМ и ряда систем на ее основе. Основные части кросс-средств, поставленные на универсальные ЭВМ (БЭСМ-6, ЕС и М-220), включали транслятор с ассемблера, загрузчик и отладчик.

Естественным развитием кросс-средств явилось повышение уровня входного языка и разработка трансляторов для проблемно-ориентированных языков – PL-1 и БЕЙСИК на универсальных ЭВМ.

При отсутствии в то время персональных машин работа с кросс-средствами проводилась достаточно долго на загруженных универсальных ЭВМ в пакетном режиме. Этот недостаток был существенно ослаблен введением системы диалоговой отладки (СИДОП). Она позволила проводить на ЭВМ БЭСМ-6 в интерактивном многопользовательском режиме на терминалах типа «Видеотон-340» трансляцию программ микро-ЭВМ с ассемблера, редактирование, объединение и загрузку их в моделируемую память, исполнение программ через МПСК, формирование текстовых файлов (листинга) и сервисное обслуживание.

Резидентные средства автоматизации программирования

Среди потребителей микро-ЭВМ было выделены две основные группы: потребители , использующие микро-ЭВМ для серийных и массовых изделий с однотипными программами в ПЗУ, и потребители, использующие микро-ЭВМ для малотиражных систем управления, лабораторных исследований, учебных целей, управления аппаратурой, состав которой достаточно часто меняется, то есть такой класс применений, где использование ПЗУ возможно лишь для различных стандартных алгоритмов. Для удовлетворения потребностей этого круга потребителей были созданы резидентные средства автоматизации разработки программ на базе языка БЕЙСИК. Они опирались на аппаратную фиксацию программных средств языка в БИС ПЗУ. Пользователь микро-ЭВМ семейства «Электроника С5», оснащенной транслятором с языка БЕЙСИК, получил возможность работы в режиме программирования, исправления, отладки и выполнения программ прямо с пульта, используя клавиатуру и перфоленточный ввод-вывод с телетайпа. Расширением возможностей резидентных средств была реализация в БИС ПЗУ программ, образующих вместе с дисплеем ВКУ «Квант Б» и клавиатурой редакционно-отладочный комплекс (РОК), обеспечивающий отображение и редактирование информации на экране дисплея , кроме того, подготовку информации к введению ее в систему автоматизации проектирования сменного слоя БИС ПЗУ.

Программное оборудование

Работа микро-ЭВМ в большинстве случаев происходит в реальном масштабе времени с числом задач более одной и взаимодействием с различным периферийным оборудованием, что требует присутствия в таких системах специальной организации управления решением задач и обменом с внешними устройствами. Оснащение серийных моделей микро-ЭВМ такими средствами, созданными специалистами с опытом работы и хорошо владеющими всеми возможностями микро-ЭВМ, являлось в то время обязательной задачей предприятия-разработчика микро-ЭВМ. Такое решение позволило снизить трудоемкость разработки целевого ПО, повысить качество его работы, расширить круг потребителей-непрофессионалов в этой области деятельности за счет использования стандартного ПО с «дружеским интерфейсом».

Лучшим методом реализации таких средств в является хранение в ПЗУ программ управления решением задач и обменом с внешними устройствами (прообраз BIOS в современных PC). Несмотря на некоторую избыточность такой реализации при ограниченных ресурсах памяти этот метод с успехом окупается за счет простоты использования и максимальной надежности.

Этот подход был осуществлен при создании двух версий диспетчерских систем (ДС) для семейства «Электроника С5», основанных на общих принципах :телетайпная версия (ТВДС) и модульная (МДС).

Часть ДС, называемая супервизором, обеспечивает режим мультипрограммирования и реального времени: параллельное выполнение задач в соответствии с установленными приоритетами, включение задач по инициативе аппаратуры или программы, организации очередей к внешним устройствам и прочее. Средства взаимодействия с оператором дают возможность интерактивного общения с системой, предоставляя некоторые отладочные средства и редактирования информации.

Создание большого числа информационно-управляющих систем на базе с постоянной памятью для реализации целевых программ поставило перед разработчиками микро-ЭВМ задачу организации процесса заказа необходимых БИС ПЗУ этих систем. Для исключения конструкторских подразделений из цикла заказа и рутинного документирования информационной части БИС ПЗУ была создана автоматизированная система заказа и документирования в соответствии с требованиями ЕСКД, поставленная на ЭВМ БЭСМ-6. Эта система позволила заказчику самостоятельно передавать информацию по целевым программам в подсистему проектирования фотошаблонов для изготовления БИС ПЗУ, выпускать документацию и контролировать эти работы. Система была рассчитана на пользователя, которому не требовались знания в области проектирования фотошаблонов и разработки документации.

Одноплатные микро-ЭВМ и контроллеры семейства «Электроника С5-41»

Одной из задумок, использованных при разработке одноплатных микро-ЭВМ и одноплатных контроллеров семейства «Электроника С5-41» стал метод фрагментно-модульного проектирования, предложенный специалистами ЛКТБ.

Сущность метода заключается в компоновке СБИС из функционально законченных модулей, связанных общей магистралью информационных, адресных и управляющих шин. При этом модули выполняются в виде фрагментов единого кристалла, а информация для изготовления фотошаблона хранится в архиве, образуя библиотеку.

При создании семейства «Электроника С5-41» предметом проектирования были программно и электрически совместимые микро-ЭВМ и контроллеры, выполненные на базе предварительной библиотеки функционально законченных фрагментов.

Такой метод проектирования позволил в сроки одной опытно-конструкторской работы (менее 2 лет) разработать, изготовить и провести испытания 13 моделей одноплатных микро-ЭВМ и контроллеров специального назначения.

Одновременно проводилась активная работа с потребителями – разработчиками аппаратуры и систем в части согласования алгоритмов решения целевых задач, отладки целевых программ и конструкторско-технологических проблем.

Однокристальная микро-ЭВМ, разработанная на основе метода фрагментно-модульного проектирования

Метод фрагментно-модульного проектирования, нашедший практическое применение при проектировании одноплатных модулей семейства «Электроника С5-41», был положен в основу разработки однокристальной микро-ЭВМ (ОКР «Фрахт»).

В процессе проектирования была разработана библиотека фрагментов типа процессор, ОЗУ, ПЗУ, каналов ввода-вывода, контроллер шин т.п., всего 15 типов. Предполагалось дальнейшее наращивание других фрагментов в составе библиотеки по мере изучения потребности заказных однокристальных контроллеров.

Опытный образец однокристальной микро-ЭВМ был изготовлен и исследован. Эта разработка должна была стать базовой для создания ряда заказных однокристальных контроллеров. Таковы были планы и надежды. Работа была закрыта, прекращено финансирование.

Именно в этом семействе удалось воплотить все задумки, весь опыт работы прошлых десятилетий и в то же время опробовать многие новинки в вопросах структуры машин, методов их проектирования, совместимости с другими семействами машин с системой команд компании DEC, принятой в электронной промышленности в качестве базовой.

Именно это семейство машин погибло в путанице административной чехарды последних лет существования Министерства электронной промышленности и его безвременной кончины в лихие девяностые годы.

Это наша гордость, это наша боль!

Автор: Кузнецов Владимир Яковлевич | слов 2993


Добавить комментарий