Посвящается разработчикам
С5-31 и изделий на ее основе

Топология С5-31

В октябре 1979 года в ЛКТБ «Светлана-микроэлектроника» была разработана однокристальная микро-ЭВМ «Электроника С5-31», в дальнейшем имевшая классификационное обозначение 1827ВЕ1. С5-31 была первой отечественной 16-разрядной однокристальной микро-ЭВМ. Её структура соответствовала структуре микро-ЭВМ серии «Электроника С5» [1].

Главный конструктор этой микро-ЭВМ – Н.В. Неустроев, разработчики структуры и электрической схемы – В.В. Городецкий, А.Ф. Дряпак, И.С. Евзович, В.В. Виноградов, О.А. Знаменский, Е.С. Потапов, топологии – Т.Н. Ковалевская, А.С. Сыченников; технологи – В.В. Цветков, Н.М. Яковлева, Н.А. Добрякова, Э.А. Одинцова.

«Электроника С5-31» (далее – С5-31) по своей структуре является законченной микро-ЭВМ.

Её состав – микропроцессор, оперативное и постоянное запоминающие устройства и цифровые каналы ввода-вывода информации. Предусмотрена возможность программной перестройки структуры ввода-вывода и организации внешней шины со стандартным межплатным интерфейсом (МПИ) для наращивания памяти и каналов ввода-вывода за счет использования шин ввода-вывода.

С5-31 предназначена для использования в управляющей и измерительной аппаратуре, оборудовании для линий связи, контроллерах, системах сбора и обработки информации и т.п., несмотря на свои достаточно скромные даже по тем временам характеристики.

Технические характеристики:

*Однокристальный микроконтроллер со встроенным ПЗУ;
*Технология – n-моп, 3 мкм, тактовая частота 1 Мгц, 125000 транзисторов на кристалле;
*Разрядность информации – 16;
*Встроенное ОЗУ – 128 16-битных слов;
*Встроенное ПЗУ – 1024 16-битных слов;
*Число каналов ввода-вывода – 35;
*Быстродействие – 85000 операций сложения регистр– регистр в секунду;
*Система команд – Электроника С5;
*Число инструкция – 31.

Пользователю предоставлялось 120 16-битных слов ОЗУ, 920 16-битных слов ПЗУ и 32 канала ввода-вывода.

Резидентное программное обеспечение (ПО) – 100 ячеек ПЗУ. Оно выполняло начальный пуск программы, выбор работы с внутренним или внешним ПО и работу с пультом отладки программ по синхронному последовательному каналу. Разработчик алгоритма и программы И.С. Евзович.

Остальные ресурсы были использованы для программно-аппаратных средств, предназначенных для отладки программ. Необходимо отметить, что средства в виде пульта отладки появились много позже для выявления погрешности работы С5-31 и собственно для отладки в ЛКТБ почти не использовались.

Ввод-вывод представлял собой:

• 2 конфигурируемых 8-разрядных канала;
• 2 конфигурируемых 4-разрядных канала;
• 1 конфигурируемый канал входа-выхода для преобразования параллельного 8-разрядного кода в последовательный (выход) и последовательного кода в параллельный – вход;
• 1 разряд строба преобразования параллельно-последовательного кода;
• 1 8-разряный вход системы прерывания.

Место данной разработки в мировой иерархии подобных получило оценку в книге Б.М. Малашевича «50 лет отечественной микроэлектронике. Краткие основы и история развития. Очерки истории российской электроники. Вып. 5» [2]. Привожу оттуда сравнительную оценку таких разработок.

Применение С5-31 – это функционально законченные одноплатные системы, которые при относительно небольших габаритах, весе, потребляемой мощности, стоимости имели возможность реализовать:
■ высокую точность измерений, обработку результатов и их отображение в диалоге с оператором в измерительных системах;
■ функции локального управляющего элемента в децентрализованных системах управления.

Первым применением С5-31 было создание одноплатного контроллера, предназначенного для автоматизации измерения и обработки информации, по-ступающей от фотометрических датчиков.

Одноплатный контроллер ЭЛЕКТРОНИКА МС2703

Этот контроллер использовался совместно с концентрационным колориметром, спектрофотометром в оптической, химической, медицинской и других областях.

В разработке контроллера приняли участие:

– разработчики схемотехники и алгоритмов В.М. Шилков, С.Р. Гостев, С.Г. Каючкин под руководством и при активном участии В.В. Панкина;
– конструкторская группа под руководством Б.М. Алехова;
– разработчики алгоритмов и программного обеспечения Е.М. Зарубина, Ю.Д. Машкин, О.Н. Меламед под активным присмотром начальника отделения М.П. Гальперина.

Ю.А. Маслеников вспоминает. Отец М.П. Гальперина П.Я. Гальперин был известным специалистом в области создания военных и гражданских оптических приборов [3]. И эта работа была для М.П. Гальперина в определённом смысле данью памяти своему отцу.

Не касаясь проблем разработки технических средств для обеспечения ввода данных от датчиков рассмотрим некоторые вопросы разработки функционального программного обеспечения для С5-31.

Если сами алгоритмы для съема входной информации и ее математической обработки в данном случае не представляли большую сложность, то программная реализация оказалась довольно непростым делом по следующим причинам:

– при ограниченном количестве каналов ввода-вывода было необходимо обеспечить прием не только фотометрической информации, но и взаимодействовать с клавиатурой и индикаторами;
– отсутствие ассемблера для разработки ПО;
– отсутствие отладочных средств для С5-31.

Поскольку формулы вычислений при применении в спектрофотометрах и колориметрах описываемого контроллера были одинаковы, отличаясь только коэффициентами, то для их ввода и управления выводом использовались 24 клавиши, объединенные в матрицу 6×4.

В этой же матрице находились шесть 8-разрядных индикаторов. Для устойчивого отображения сканирование велось с частотой 80 гц на каждый индикатор. При этом мигание индикаторов было незаметно.

Первой же проблемой встала борьба с «дребезгом клавиш», которая из-за экономии места на контроллере была возложена на ПО. Споры о реакции на нажатие или отпускание клавиш для удобства оператора были решены путем моделирования, которое показало, что в большинстве случаев удобнее реагировать на нажатие. Однако ошибочное нажатие уже было не исправить, Отдельным вопросом стояло двойное нажатие и нажатие двух клавиш одновременно. Но и эти вопросы были решены

В связи с тем, что в С5-31 отсутствовали аналоговый ввод и вывод, В.М. Шилковым был разработан алгоритм и схема измерения входного сигнала при помощи выдачи калиброванных напряжений и их сравнения на компараторе с входным сигналом. Измерения проводились за не более чем 16 циклов с достаточной степенью точности.

В дальнейшем была разработана С5-31 в 64-выводном корпусе с дополнительным 8-разрядным аналого-цифровым преобразователем (1827ВЕ2).

Когда все технические вопросы были решены, то настал процесс программирования. Все управление, расчеты, ввод данных и вывод результатов необходимо было вместить в 920 16-разрядных слов ПЗУ, 120 слов ОЗУ и 33 разряда ввода-вывода.

К моменту начала разработки ассемблер для семейства ЭВМ типа «Электроника С5» еще не был окончательно отлажен. Программирование велось в кодах. ПО заносилось в ПЗУ с помощью сменного слоя, изготавливалось совместно с самой С5-31 и корректировки не подлежало. Поэтому требования к качеству ПО заключались в его 100% безошибочности.

Задача, поставленная перед программистами, выглядела почти невыполнимой. В качестве прототипа использовалась ЭВМ «Электроника С5-02», которая совпадала по своей архитектуре с С5-31, но кардинально отличалась структурой ввода-вывода. При этом ЭВМ «Электроника С5-02» имела некоторые возможности отладки. В конечном счете, программа была отлажена и С5-31 изготовлена. Причем в ПЗУ осталась 1 (ОДНА) свободная ячейка.

К всеобщей радости контроллер с С5-31 заработал и начал серийно выпускаться [4, 5]. В течение ряда лет контроллер, получивший наименование «Электроника МС-2703», выпускался партиями свыше 10000 штук в год.
Следующей разработкой на базе С5-31 стало управление коробкой передач для трактора К-700, которое велось М.И. Оксом, Л.Л. Новиковой и В.Г. Любимовым;

М.И. Окс вспоминает. Работа по созданию блока управления коробкой передач трактора К-700 («Кировец») началась в самом начале 80-х. Говорили, что инициирована она была партийным руководством области, которому нужно было продемонстрировать союз передовой техники и сельского хозяйства. Суть работы – увеличение срока службы коробки передач, благодаря оптимальному управлению процессом переключения скоростей. От «Кировского завода» эту работу вели Н.Н. Гевейлер и С.А. Снесарь, а от «Светланы» – В.Г. Любимов, Л.Л. Новикова и я. Интересно отметить, что до ЛКТБ, Новикова работала на «Кировском заводе». В ходе отладки системы выяснилось, что процессы, происходящие в коробке передач при переключениях, гораздо сложнее, чем представлялось специалистам «Кировского завода» (у них просто не было аппаратуры, необходимой для исследования этих процессов). Это потребовало усложнения и увеличения объема программы управления. К счастью, благодаря удачной архитектуре «С5-31″, её крошечной памяти на всё хватило. Для отладки на заводском стенде использовалась «С5-02″, а на тракторе – «С5-21″. Конечно, было бы проще и удобнее, если бы существовал стенд на «С5-31″, но в целом, в этой работе, проблем с отладкой не было [6]. Однако по административно-организационным причинам внедрение затянулось, и когда, наконец, было принято решение оснастить нашим блоком 10% выпускаемых «Кировцев», в стране уже начался всеобщий развал, и всем было «не до того».

Л.Л. Новикова дополняет. Начиналось все с разговоров в конструкторском бюро Кировского завода КБ-3 (как сказал бы М.П. Гальперин с «мозгового штурма» инженеров ЛКТБ и КБ-3). Затем мы отправились на полигон Кировского завода в Горелово знакомиться с нашей «ласточкой» и ее водителем (спасибо ему за терпение). Трактор поразил меня своими габаритами – диаметр колеса был больше моего роста.

Основные задачи блока управления коробкой передач – плавное трогание с места и автоматическое переключение передач в зависимости от рельефа местности и загруженности трактора.

Программа была разработана «за столом», но отлаживать ее пришлось при движении трактора (иначе не воспроизвести процессы, происходящие в коробке передач). На полу кабины установили осциллограф, отладочный комплекс «Гобелен» над ним и осталось немного места для водителя, инженера и программиста. И поехали!!

Первое трогание – отладочный комплекс валится на меня, осциллографом не удается снять динамику. С этим справились. При отладке программы необходимы исправления. Корректировала в кодах.

А как поведет себя эта махина? Страшно, но я почувствовала себя настоящим испытателем. Опытный водитель был на подстраховке. Трогание с места и автоматическое переключение передач отладили на ровной дороге. Затем – с нагрузкой («чушкой» – так называли водители-испытатели многотонный блок, который цепляли к трактору). И последние испытания – на танковом полигоне с естественным рельефом. Ездили по пересеченной местности, бассейнам с водой, снимая все процессы коробки передач. Все отлично! Но тут грянула перестройка и …… урна.

Прошло много лет. Я сравниваю технические и программные средства тогда и сейчас (небо и земля), но мы, в 80-х годах прошлого века, начинали решать те же проблемы, которые и сегодня не до конца реализованы. В частности, после автоматизации коробки передач, мы мечтали разработать автопилот для трактора.

М.И. Окс вспоминает. Следующим, и для меня последним, применением «С5-31» был, разработанный совместно с ВНИИЭП измерительный прибор. В чём было его отличие от других измерителей, с точки зрения пользователя, я уже не помню. От ВНИИЭП в этой работе участвовали Бантиков и Г.И. Золотова, от ЛКТБ – я.

В организационном плане работа была экспериментальной. Эксперимент заключался в том, что от ЛКТБ в ней не участвовали аппаратчики. Должен признаться, что блин вышел комом, причём по моей вине. Распределяя регистры ввода-вывода, я сделал ошибку, которую аппаратчик не сделал бы. Исправлять её пришлось друзьям из ВНИИЭП. Правда, они с этим блестяще справились. Кроме того, на этот раз были серьёзные проблемы с отладкой и проверкой работы. «С5-02» не годилась из-за низкого быстродействия, а «С5-21» – из-за длительной процедуры прерывания. Пришлось отлаживать отдельные фрагменты и уповать на то, что при окончательной компоновке не будут внесены новые баги. Всё-таки измеритель заработал. Работа была успешно окончена в 1986 г.

Измеритель параметров пульса

Одновременно с разработкой блока управления коробкой передач проводилась разработка прибора для определения параметров сердечного ритма.

Разработка прибора для измерения параметров сердечного ритма и их математической обработки имела свои сложности и проблемы. В первую очередь это были проблемы аппаратного свойства:

1. нужно было весь прибор вместить в корпус калькулятора «Электроника С3-15»;
2. обеспечить надежный съем сигнала о сердечном ритме.

Эти вопросы были успешно решены конструкторами под руководством Б.М. Алехова и аппаратчиками под руководством В.Е. Панкина.

Математический алгоритм был разработан совместно с ВМА им. Кирова и ИМБП Москва. Причем весьма деятельное и результативное участие в разработке алгоритма принял В.Е. Панкин.

С точки зрения разработки программного обеспечения, которую выполнил автор статьи, проблем стало меньше. Появился ассемблер для серии ЭВМ «Электроника С5», что значительно ускорило и упростило разработку ПО. Проблемы с вводом с клавиатуры и отображения были решены в процессе предыдущей разработки. Но осталась главная проблема: отсутствие макета С5-31 для отладки взаимодействия с каналами ввода-вывода. Тем не менее, программы были написаны, изготовлена микросхема С5-31, и в конечном счете сам прибор. Хотя при работе прибора были нарекания на работу пальцевого датчика, тем не менее, была изготовлена небольшая партия и роздана в медицинские учреждения для испытаний. Однако с этим прибором были свои приключения. Программа сбивалась в процессе измерения пульсовой информации, причем это было и один раз в несколько дней, и 2-4 раза в день. Причину установить не удавалось. Была «вылизана» схемотехника, Еще раз проверено ПО. В конечном счете, было принято решение еще раз изготовить партию С5-31.

Каково же было наше изумление, когда прибор с новым кристаллом дал сбой через несколько минут после начала работы. Анализируя результаты до и после сбоя, было сделано «шизофреническое» предположение, что ошибка кроется в самом процессоре, причем при конкретном сочетании данных вычисления и работы системы прерывания, т.к. весь процесс шел в реальном масштабе времени.

В результате был изготовлен пульт отладки на базе набора модулей С5-21 и специальной платы. Кроме того было разработано ПО для взаимодействия с резидентным ПО С5-31. Исследования показали, что «шизофреническое» предположение было правильным и следующей задачей стало доказать идеологам и разработчикам процессора, что ошибка у них. Каждый из них (это И.С. Евзович и А.Ф. Дряпак) начинали с одной и той же типовой фразы, свойственной разработчикам архитектуры и внутреннего ПО ЭВМ: «Ищи ошибку у себя и не лезь в наши проблемы». Однако неоспоримые доказательства в виде специальных программных «ловушек», созданных с помощью пульта отладки заставили А.Ф. Дряпака исследовать схему и обнаружить отсутствие одного транзистора.

Эта ошибка не обнаруживалась тестами, т.к. возникала в связи с использованием разряда переполнения для увеличения точности вычислений, что обычными программистами не практиковалось.

Когда схемотехника была исправлена, то больше проблем с этой реализацией не было.

Кроме того руководство ЛКТБ согласилось с тем, что отладка ПО «на колене» убыточна. Были спроектированы и изготовлены специальные кристаллы, полностью имитирующие работу С5-31 и ее ввода вывода, что позволило создать нормальный отладочный стенд [7].

Следующая задача, которая была поставлена перед нами – это разработка прибора, определяющего психическое состояние пациента. Модель этого прибора была выполнена на универсальной ЭВМ авторами алгоритма с кафедры психиатрии ВМА им. С.М. Кирова под руководством профессора Б.С. Фролова. Суть алгоритма состояла в снятии RR интервалов (интервалов между ударами пульса) и их сложнейшей математической обработкой.

Для нас было совершенно неожиданно, что изменения длительности этих интервалов напрямую связаны (конечно, через трехэтажные формулы) с психическим состоянием человека. В результате мы определяли, здоров или болен человек с достаточно высокой степенью вероятности (95%, что здоров и 85%, что болен). Замечу, что постоянный равномерный пульс мог быть только у полного шизофреника.

С точки зрения техники все проблемы были решены ранее:

– прибор тот же, что и для измерения пульса (корпус и схемотехника),
– датчик съема – пальцевый.

Однако проблемы были в самой МЭВМ. Слишком мало ОЗУ, а нужно было снять порядка 100 замеров и их фильтровать, Хоть и упрощенный, но достаточно сложный математический аппарат нужно было «воткнуть» в столь малые объемы ПЗУ. Исключительно благодаря выдающимся математическим и вычислительным способностям Ю.Д. Машкина был разработан алгоритм реализации. Ну а программирование и отладка было делом техники. В результате прибор был изготовлен, испытан и выпущена опытная партия [8].

К сожалению ни один из разработанных в ЛКТБ медицинских приборов не имел серийного изготовления, т.к. не удалось преодолеть бюрократические преграды Минздрава для получения сертификата.

Замечу, что в дальнейшем под руководством профессора Б.С. Фролова был изготовлен прибор уже на базе персонального компьютера и проводились успешные работы при работе с космонавтами, операторами важнейших систем.

Последней работой по созданию прибора на базе С5-31 в ЛКТБ была разработка измерителя радиоактивности. С5-31 обладала очень высокой стойкостью к радиоактивному излучению. Перед одним из институтов Минатоммаша была поставлена задача изготовление прибора, измеряющего излучение, и его установка на специальный вертолет. Работа выполнялась совместным коллективом Института и ЛКТБ. Институт разработал аппаратную часть, а ЛКТБ – программировал и отлаживал ПО. Специалисты Института под руководством В.В. Макарова и сотрудники ЛКТБ (О.Н. Меламед, Е.М. Зарубина) в исключительно дружеской и творческой обстановке за три-четыре месяца разработали прибор, запрограммировали и изготовили С5-31. Уже начались испытания, но тут случилась авария на Чернобыльской АЭС. В результате этот прибор оказал неоценимую помощь в ликвидации аварии.

Автор выражает благодарность Ю.А. Масленикову за идею написания этих воспоминаний и его вклад в редактирование и уточнение материалов статьи.

Литература

1. М.П. Гальперин, В.Я. Кузнецов Ю.А. Маслеников, В.Е. Панкин, В.П. Цветов, А.И. Боровской. Микро-ЭВМ «Электроника С5» и их применение. – Москва, Советское радио, 1980 – 160 с.

2. Б.М. Малашевич. 50 лет отечественной микроэлектронике. Краткие основы и история развития. Очерки истории российской электроники. Вып. 5. М.: Техносфера. 2013.-800 с. (с. 732-739).

3. М.П. Гальперин. Киты меняют кожу. Воспоминания. – Санкт Петербург, Издательско-полиграфический комплекс «НП-Принт», 2017. – 468 с.

4. С.Р.Гостев, О.Н.Меламед, В.Е.Панкин, В.М.Шилков. Одноплатная система обработки аналоговой информации на базе однокристальной ЭВМ.
Рига, ИЭ и ВТ Латвийской ССР, Тезисы докладов II, 1983 г.

5.  Авторское свидетельство № 1200137 на изобретение «ФОТОМЕТР». Авторы: Синельников Сергей Леонидович, Лапшин Леонид Алексеевич, Гальперин Марк Петрович, Панкин Владимир Ефимович, Соколов Владимир Михайлович, Бирюков Сергей Григорьевич, Мальчевский Юриц Сергеевич, Гостев Сергей Ренальдович, Меламед Олег Наумович, и Шилков Валентин Михайлович.

6. Авторское свидетельство № 1207072 от 22.09.1985 г. на изобретение: «Электрогидравлическое устройство управления фрикционными элементами коробки передач транспортного средства». Авторы: Попов Николай Сергеевич, Бобин Юрий Борисович, Савин Александр Михайлович, Гевейлер Николай Николаевич, Снесарь Сергей Александрович, Островский Анатолий Исаакович, Любимов Виталий Георгиевич, Окс Михаил Иосифович и Новикова Людмила Леонидовна.

7. Авторское свидетельство № 1578716 на изобретение «Устройство для контроля микроЭВМ». Авторы: Симонов Борис Игнатьевич, Меламед Олег Наумович и Шилков Валентин Михайлович.

8. Авторское свидетельство № 1553049 на изобретение «Устройство для анализа ритма сердца». Авторы: Баевский Роман Маркович, Бехтерев Сергей Сергеевич, Гальперин Марк Петрович, Жуков Евгений Иванович, Каючкин Сергей Григорьевич, Меламед Олег Наумович, Панкин Владимир Ефимович и Шилков Валентин Михайлович.

Меламед Олег Наумович

Родился в 1942 году. В 1965 году окончил ЛИТМО по специальности автоматика и телемеханика и по распределению попал в а.я. 155 (ЛКБ, ЛКТБ «Светлана», КТБ СМ). С 1994 года – начальник отдела программного обеспечения управляющих систем. С 2006 по 2013 год – работал в НПО «Аврора» – ведущий инженер, заместитель главного конструктора БИУС

В начало