Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Архитектура вычислительных систем

1.4. Путь развития отечественной электронной вычислительной техники

Машина БЭСМ АН СССР (БЭСМ-1). Электронная вычислительная машина общего назначения БЭСМ АН СССР (или БЭСМ-1), разработанная в Инcтитyте точной механики и вы ислительной теxники (ИТМиВТ) АН СССР

(г. Москва), была самой быстродействующей машиной в Европе [3, 4]. Машина c оперативной памятью на ртутных линиях задержки (емкостью 1024 39 -раз- рядныx слов) была принята Государственной комиссией в апреле 1953 г.; c памятью на потенциалоскопах (запоминающих электронно-лучевых приборах, 1024 слова) в начале 1955 г.; a c памятью на ферритовьх сердечниках (2047 слов) в 1957 г. Быстpодействие БЭСМ-1 составляло 10 тыс. опер./c; среднее время полезной работы 72 % общего времени функционирования ЭВМ; количество электронных ламп 5000; потребляемая мощность ЭВМ (без системы охлаждения) 30 кВт; занимаемая площадь 100 м2.

Архитектурные особенности машины. Система команд трехадресная; число разрядов для кодов команд 39; код операции 6 разрядов; коды адресов 3 адреса по 11 разрядов каждый. B систему операций машины входили: арифметические и логические операции, операции передач кодов и управления. Операции проводились c нормализованными и c ненормализованными числами.

Важной особенностью БЭСМ-1 стала реализация операций над числами c плавающей запятой, обеспечившая большой диапазон используемых чисел (от 10-9 до 1010). На БЭСМ-1 достигалась высокая точность вычислений (около 10 десятичных знаков).

Система представления чисел двоичная c плавающей запятой, число разрядов для кодов чисел 39 (цифровая часть числа 32 разряда; знак

числа 1 разряд; порядок числа 5 разрядов; знак порядка 1).

БЭСМ-1 была машиной параллельного действия: операции выполнялись одновременно над всеми двоичными разрядами чисел. Зарубежные

ЭВМ того времени реaлизовывaли последовательную или параллельнопоследовательную системы обработки информации.

Кроме оперативной памяти в ней имелось долговременное запоминающее устройство (ДЗУ) на полупроводниковых диодах (емкостью до 1024 чисел), в котором постоянно хранились некоторые наиболее часто встречающиеся константы и подпрограммы. Содержимое ДЗУ не изменялось во время работы машины. Кроме того, ЭВМ имела внешний накопитель на магнитных лентах (НМЛ) четыре блока по 30 тыс. чисел в каждом, a также промежуточный накопитель на магнитном барабане (НМБ) емкостью 5120 чисел (со скоростью выборки до 800 чисел в секунду).

Ввод информации в машину осуществлялся со считывающего устройства на перфоленте (1200 чисел в минуту), a вывод результатов на элек-

тpомеханическое печатающее устройство (1200 чисел в минуту) и фотопе-

чатающее устройство (200 чисел в секунду).

41

1. Предыстория вычислительной техники

Конструкция. ЭВМ БЭСМ-1 была собра: iа в одной основной стойке. B отдельной стойке размещалось ДЗУ и шкаф питания. Пульт управления служил для пуска и останова машины, отладк программ, a также для контроля за ее работой.

Элементоо-конструкторская база. Она была представлена двух- и четырехламповыми блоками (ячейками), в которых были смонтированы тpиггеры, вентили, усилители и другие схемы, и соединительными платами без активных элементов. Один триггер (вместе c входами на диодах) занимал один четырехламповый блок. Вентили н усилители были двухламповыми. Усилители и некоторые вентили были выполнены на пентодах. B БЭСМ-1 было около 5 тыс. электронных ламп.

Программное обеспечение. Системное обеспечение в ЭВМ отсутствовало. Для машины БЭСМ-1 были разработаны сис -тема контрольных шестов, позволявшая быстро находить неисправности в ма: и ине, a также система профилактическиx испытаний для обнаружения мест возможны неисправностей.

Машина БЭСМ-2. Электронная машина. БЭСМ-2 являлась серийным промышленным аналогом уникальной БЭСМ- l . ЭВМ разработана (1957) и внедрена (1958) в народное хозяйство коллекх ивами ИТМиВТ АН СССР и завода им. Володарского (г. Ульяновск).

Основные технические характеристики БЭСМ-2 аналогичны характеристикам БЭСМ-1.

Системы команд машин отличались друг от друга лишь тем, что в БЭСМ-2 были исключены редко использовави:иеся команды (например, передача модуля числа) и добавлены некоторые iовые команды.

Принципиальные особенности:

•оперативное запоминающее устройство было реализовано на ферритовых сердечниках. Емкость ОЗУ составляла 2048 39-разрядных чисел; время выборки 10 мкс;

•внешние запоминающие устройства бы, ли выполнены на магнитных

барабанах и сменных магнитных лентах. Емко ль запоминающего устройства на одном барабане составляла не менее 5120 слов; скорость считывания

• количество устройств на магнитной ленте четыре. Запись на ленту проводилась группами слов. Максимальное число слов в одной грyппе

2047. Емкость каждой ленты составляла не ме: фее 40 000 слов; скорость считывания или записи 400 слов в секунду; час гота следования импульсов около 16 кГц;

• массовое применение полупроводников iх диодов. Количество полупроводниковых диодов 5 тыс., электроннь, х ламп 4 тыс. Количество ферритовых сердечников 200 тыс.;

42

1.4.Путь развития отечественной электронной вычислительной техники

•усовершенствованная (мелкоблочная) конструкция , значительно повысившая надежность и удобство эксплуатации. Применены разъемы с плавающими контактами.

Серийные машины БЭСМ-2 нашли широкое применение в вычислительных центрах и научно-исследовательских организациях как в СССР, так

иза рубежом (КНР).

Были решены сотни тысяч задач чисто теоретических, прикладной математики, инженерных и пр. B частности, на БЭСМ-2 рассчитывались траектории полета космических аппаратов.

1.4.3. Электронные вычислительные машины M-20 и БЭСМ-4

Архитектуры машин M-20 и БЭСМ-4 предельно близки. Машины бы-

ли созданы одним и тем же коллективом основных разработчиков. Главны-

ми конструкторами ЭВМ M-20 и БЭСМ-4 были академик C.A. Лебедев и

канд. техн. наук O.П. Васильев.

Машина M-20. Создана в ИТМиВТ АН СССР; введена в действие в 1958 г.; выпускалась серийно.

Технические характеристики: быстродействие 20 тыс. опер./c, оперативная память на ферритовых сердечниках емкостью 4096 слов, представ-

ление чисел c плавающей запятой, разряд кость 45, система элементов ламповые и полупроводниковые схемы, внешняя память накопители на магнитных барабанах (НМБ) и лентах (НМЛ).

Принципиальные особенности:

•впервые в отечественной практике применена автоматическая моди-

фикация адреса;

•совмещение работы арифметического устройства (АУ) и выборки команд из памяти;

•введение буферной памяти для массивов, выдаваемых на печать; совмещение печати со счетом;

•использование НМЛ c быстрым пуском и остановом;

•для M-20 разработана одна из первых систем программного обеспечения ИС-2 (Институт прикладной математики АН СССР).

Машина БЭСМ-4. Введена в строй в 1962 г. Внедрение ее в народное хозяйство было осуществлено специальным конструкторским бюро ИТМиВТ АН СССР и заводом им. Володарского (г. Ульяновск).

БЭСМ-4 являлась фактически модернизированным вариантом ЭВМ M-20. B ней были использованы полупроводниковые элементы и расширенная система команд.

Технические характеристики: быстродействие 20 тыс. опер./c, оперативное запоминающее устройство на ферритовых сердечниках емкостью

43

1. Предыстория вычислительной техники

16384 слова, представление чисел c плавающ wй запятой, разрядность 45,

система элементов полупроводниковые схемы , внешняя память НМБ.

Принципиальные особенности:

•использование полупроводниковых элементов;

•программная совместимость c ЭВМ M-20;

•возможность подключения второго ОЗУ на ферритовых сердечниках емкостью 16384 слова;

•работа c удаленными объектами по каналам связи (четыре входа c телефонных и 32 входа c телеграфных линий связи со скоростями передачи информации 1200 и 50 бит/с соответственно ).

1.4.4. Электронные вычислительные матгтины M-40, M-50 и 5Э92

Семейство ЭВМ: M-40, M-50, 5Э92 разработано под руководством главного конструктора академика C.A. Лебедева и заместителя главного конструктора B.C. Бурцева (1927; академик РА Н c 1992 г.).

Машина M-40. Введена в действие в 1957 г., предназначалась для оснащения вычислительных комплексов системы противоракетной обороны (ПРО) Советского Союза. В ней нашли аппараiурное воплощение принципы распарaллеливания вычислительного процесса. Все основные устройства ЭВМ (АУ, ОЗУ, внешние устройства) имели а втономные системы управления и, следовательно, могли работать параллельно.

Технические характеристики: быстродейегвие 40 тыс. опер./c, ОЗУ на

НМБ емкостью б тыс. слов.

ЭВМ M-40 работала в комплексе c апг гаратурой процессора обмена информацией c абонентами системы ПРО и а ппаратурой счета и хранения времени.

Принципиальные особенности:

•плавающий цикл управления операциями, позволявший совместить во вреiiени работу арифметического устройства, ОЗУ и процессора вводавывода;

•асинхронная работа c восемью дуплекспыми радиорелейными линиями связи c общей пропускной способностью 1 млн бит/с (без снижения производительности ЭВМ);

•наличие системы прерывании;

•впервые использовано совмещение выполнения операций c обменом;

•наличие мультиплексного канала обмене.;

44

1.4.Путь развития отечественной электронной вычислительной техники

•работа в замкнутом контуре управления (в качестве управляющего звена);

•работа c удаленными объектами по радиорелейным дуплексным ли-

ниям связи;

•впервые введена аппаратура счета и хранения времени.

Область применения: комплексы управления радиолокационными

станциями дальнего обнаружения и сопровождения цели и точного наведения противоракеты на баллистическую ракету противника. B марте 1961 г. под управлением комплекса системой ПРО впервые в мире была ликвидирована боевая часть баллистической ракеты осколочным зарядом противо-

ракеты.

Машина M-50. Ввведена в строй в 1959 г. Она являлась модификацией ЭВМ M-40, обеспечившей выполнение операций c плавающей запятой.

На базе M-40 и M-50 был создан двухмашинный комплекс. Боевые пуски противоракет сопровождались записью информации на магнитные ленты контpольно-регистрирующей аппаратуры комплекса. Это давало возможность в реальном масштабе времени моделировать и анализировать каждый пуск (для чего M-40 и M-50 имели развитую систему преры-

ваний).

Машина ЭВМ 5Э92. данная ЭВМ представляла собой модификацию M-50, рассчитанную на применение в комплексе обработки данных. Оса бенности ЭВМ: широкое применение феррит-тpанзисторых элементов в низкочастотных устройствах.

1.4.5. Электронные вычислительные машины 5Э926 и 5Э51

Машина ЭВМ 5Э926. Аванпроект ЭВМ был разработан в 1960 г.; год окончания разработки 1961. Межведомственные испытания системы из восьми машин были осуществлены в 1967 г.

Архитектурные возможности. ЭВМ состояла из двух процессоров (большого и малого), работавших c общей оперативной памятью. Быстродействие большого процессора 500 тыс. опер./c, a малого 37 тыс. опер./c. Представление чисел c фиксироваиной запятой, разрядность 48, емкость оперативной памяти 32 тыс. слов, основной цикл работы 2 мкс.

Малый процессор осуществлял управление работой четырех НМБ (по 16 тыс. слов каждый) и 16 НМЛ. Он также обеспечивал работу ЭВМ c 28 телефонными и 24 телеграфными дуплексными каналами связи.

B этой ЭВМ впервые был реализован принцип многопроцессорности, внедрены новые методы управления внешними запоминающими устройст-

вами, позволившие осуществлять одновременную работу нескольких машин

на единую внешнюю память. Предусматривалась возможность объединения

45

1. Предыстория вычислительн ^й техники

ЭВМ в системы. В состав системы могло вхо цить две, четыре или восемь ЭВМ.

Элементно- конструкторскaя база. ЭВМ была построена полностью

на дискретной полупроводниковой элементной базе. Конструкция ЭВМ ячеечная. Элемент замены блок, содержащий 30 ячеек.

Принципиальные особенности:

•двухпроцессорная архитектура c общим полем оперативной памяти;

•одна из первых полностью полупроводниковых ЭВМ;

•полный аппаратный контроль;

•возможность создания многомашинных cистем c общим полем внеш-

них запоминающих устройств;

•возможность автоматического скользящего резервирования машин в системе;

•развитая система прерывании c аппарате дым и программным приоритетами;

•работа c удаленными объектами по дуплек;,ным и телеграфным лини м.

Программное обеспечение:

•специальное обеспечение реального вреN:ени;

•развитая система контрольных и диагностических тестов, использовавшая аппаратный контроль и позволившая определять неисправные блоки.

Машина 5Э926 применялась в вычислительных и управляющих информационных комплексах системы ПРО, комплексах управления космическими объектами, центрах контроля космического пространства и др.

Машина 5Э51. Это модифицированный вариант ЭВМ 5Э926. Серийный выпуск и работа ЭВМ в системе ПРО осуществлялись c 1965 г.

Отличительные особенности ЭВМ 5Э51:

•представление чисел c плавающей запяток;

•виртуальная память;

•многозадачный режим работы c аппаратной поддержкой защиты информации в каналах обмена c оперативной и внешней памятью.

1.4.6. Электронная вычислительная машина БЭСМ-6

Главный конструктор ЭВМ академик C.A. Лебедев; заместители главного конструктора: B.A. Мельников (1928-1993, академик РАН c 1981 г.), Л.H. Королев (1926; чл.-корр. РАН c 1981 г.), '[.А. Теплицкий.

Машина БЭСМ-6 была самой распространенной моделью семейства БЭСМ, разработанного в ИТМиВТ АН СССР. Разработка машины БЭСМ-6 была закончена в конце 1966 г., ввсiд в эксплуатацию осуществлен в 1967 г.

46

1.4. Путь развития отечественной электронной вычислительной техники

Технические характеристики. ЭВМ обладала быстpодействием около

ставления чисел c плавающей запяток; среднее время выполнения опера-

ций: сложения 1,2 мкс, умножения 2,1 мкс, деления 5,4 мкс, пораз-

рядных логических 0,55 мкс; система команд одноадреснaя; длина команды 24 разряда (две команды в слове); количество команд 76.

Особенности функционaльной структуры. Центральный процессор БЭСМ-6 составляли устройства управления и арифметико-логическое, a также буферная память из 16 50-разрядных регистров (c циклом обращения 0,33 мкс).

Оперативная память была реализована на магнитных сердечниках и состояла из блоков («магнитных кубов»), ее емкость составляла 32... 128 K 50-разрядных слов (K = 1024). Архитектура ЭВМ допускала варьирование числа блоков памяти в диапазоне от 8 до 32. Время выборки слова из памяти равнялось 0,8 мкс.

Внешняя память формировалась из накопителей на магнитных бара-

банах и на магнитных лентах. Предусматривалось подключение к ЭВМ до 16 магнитных барабанов (каждый из которых обладал емкостью 32 K слов)

и до 16 накопителей на лентах, имеющих по два лентопротяжныx механизма (c емкостью бабины 1 млн слов). C 1972 г. в комплектацию серийных ЭВМ включались диски, a c 1978 г. внешние устройства ЭВМ третьего поколения (семейства ЕС ЭВМ).

Электронная часть машины (устройство управления, арифметико-ло-

гическое устройство, устройство управления и коммутаторы для внешних

устройств) были выполнены на полупроводниках (основная тактовая частота 10 МГц).

Архитектурные достоинства:

• локальный параллелизм (на основе асинхронной конвейерной струк-

тypы);

•совмещение выполнения операций обращения к оперативной памяти c

работой устройства управления и арифмeтико-логического устройства;

•совмещенный со счетом параллельный обмен массивами данных по шести каналам c магнитными дисками, барабанами и лентами;

•использование виртуальнои памяти;

•возможность организации магазинного (стекового) способа обращения к памяти;

•наличие «сверхбыстродействующего» ассоциативного буферного запоминающего устройства;

•широкие возможности переадресации, включая косвенную адресацию;

•реализация режимов мультипрограммирования и разделения времени.

47

1. Предыстория вычислительной техники

Последняя архитектурная особенность машины БЭСМ-6 поддержана схемами прерывания ЭВМ и защиты ее памяти, средствами преобразования математических адресов в физические оператиЕной памяти.

Программное обеспечение. В БЭСМ-б 5ыло развитое программное обеспечение, в состав которого входили: операционная система (для управления мультипрограммным режимом обработки информации) и системы программирования, рассчитанные на символический машинно-ориентиро- ванный язык и на языки высокого уровня: ФОРТРАН и АЛГОЛ (для вычислительных задач) и ЛИСП (для обработки списков). Кроме того, для ЭВМ БЭСМ-6 были разработаны библиотека программ, средства отладки программ и тест-программы.

Машина БЭСМ-б выпускалась серийно вплоть до 1983 г. и была, пожалуй, самой популярной машиной исследовz.телей и математиков-вычис- лителей Советского Союза.

1.4.7. Другие направления отечественной вычислительной техники

В Советском Союзе выпускались и другие оригинальные ЭВМ, например «Стрела» (1953), семейство машин « Минск», «Урал», «Мир» и др. В 1970-x годах стали производиться ЭВМ треты пго поколения. Уместно отметить, что эти машины основывались на архиiектурах известных западных семейств ЭВМ. Так, например, прототипом семейств ЕС ЭВМ (единой системы электронных вычислительных машин) и АСВТ-Д (агрегатных средств вычислительной техники на дискретных компонентах) послужило семейст-

во IBM 360 (a для последующих моделей ЕС ЭВМ семейство IBM 370).

Для семейств АСВТ-М и СМ-ЭВМ (системы малых ЭВМ) были взяты архи-

тектypы семейств машин фирм НР (Hewlett-Packard) и DEC (Digital Equipment Corporation). Ориентация на «переповторение» западных архитектур

привела примерно к 10-15-летнему отставаь ию отечественной вычисли-

., ., тельнои техники по сравнению c американской.

B 1962-1965 гг. в Сибирском отделение: РАН были разработаны концептуальные основы построения вычислителi ных средств, основанных на новых принципах обработки информации (и.т:и, как сейчас говорят, c нефоннеймановской архитектурой). Эти средства стали называть вычислительными системами (ВС) или параллельным и ВС. Публикация в 1962 г. об американском проекте системы SОLОМ0]N появилась примерно через б месяцев после выхода в свет первой отечественной печатной работы по параллельным ВС. Первой параллельной ВС (причем c программируемой структурой) была система «Минск-222» [5]. Она была разработана и постpоена Институтом математики Сибирского отделения АН СССР (г. Новосибирск) совместно c Конструкторским бюро `.авода им. Г.K. Орджоникидзе

48

1.5. Современный уровень вычислительной техники

(r. Минск) в 1965-1966 гг. Для сравнения — американская система ILLIAGIV была построена в 1972 r., т. e. через 6 лет после ввода в эксплуатацию BC

«Mинcк-222». Работы по созданию BC ILLIAC-IV были начаты в 1966 r. в Иллинoйcкoм университете, они потребовали больших материальных затрат

(не менее 40 млн дoлл.) Peaлизoвaннaя eppпicтвeннaя конфигурация iLLIAC-IV

многие годы оставалась самой мощной BC (2.108 опер./с) — это факт, oд-

нaкo она по архитектурным свойствам и функциональной гибкости уступала

конфигурациям системы <dVlинcк-222».

B России есть несколько первоклассных научных школ и промышленных организаций, способных создать opиrинaпьныe высокопроизводитель-

ные (1012... 10 15 опер./с) средства для индустрии обработки информации тe-

кyщero столетия.

1.5. Современный уровень вычислительной техники

Развитие средств ВТ идет по двум направлениям [5, б].

1. Электронные вычислительные машины и простейшие вычислительные системы. Эти вычислительные средства основываются на эволюцион-

ных модификациях концептуальной последовательной машины дж. фон

Неймана (1945). Их процесс развития отражен в трех поколениях. Функционaльные структуры ЭВМ первого поколения (1949) полностью основаны на машине дж. фон Неймана и на ламповой элементной базе. Создание ЭВМ второго (1955) и третьего (1963) поколений сопровождалось не только отходом от принципа последовательной обработки информации, но и сменой элементной базы: переходом на транзисторы и интегральные схемы соответственно. Пределом в эволюционной модификации концептуальной ЭВМ дж. фон Неймана является конвейерный способ обработки информации в сочетании c векторизацией данных. Последний нашел воплощение уже в

архитектурно развитых ЭВМ третьего поколения (допускающих одновременное или параллельное выполнение небольшого числа операций). A такие

ЭВМ, по сути, представляют собой простейшие вычислительные системы. Вычислительные средства данного направления постоянно совершен-

ствyются. Однако расширение фyнкционaльных возможностей, повышение быстpодействия и надежности, уменьшение стоимости и сокращение габаритных размеров ЭВМ и простейших ВС достигаются главным образом за счет улучшения физико-технических характеристик элементов и внутренних

информационных каналов.

Технический прогресс в этом направлении был настолько бурным, что

уже после третьего поколения ЭВМ трудно выделить периоды для указания

каких-либо новых поколений.

49

1. Предыстория вычислительг ой техники

Для любого из трех поколений ЭВМ, для каждого из последующих этапов технического и технологического раз вития ВТ можно указать суперЭВМ или суперВС, т. e. вычислительныЕ средства, обладающие предельными характеристиками по эффективности. Характерным для современного этапа является то, что архитектурн ые решения, которые были

прерогативой суперЭВМ 1970-x и 1980-x годов, переместились c макроуровня на микроуровень, т. e. применялись г; современных микропроцессорах (или в больших интегральных схемах -- БИС).

Например, в суперВС Cray-1 1976 г. :зыпуска производительность 160 млн операций в секунду достигалась за счет параллельной работы 12 функционально ориентированных конвейеров. Каждый конвейер представляет собой цепочку из сегментов, колич ство которых соответствует числу стадий обработки операндов в конвейере и, следовательно, объему элементарных операций, выполняемых в нем за один такт. Максимальное число сегментов 14 было в конвейере для вычисления обратной ве- личины. Современные микропроцессоры содержат конвейеры c числом сегментов, близким к 20. B частности, в микр процессорах восьмого поко-

ления фирмы AMD (Advanced Micro Devices ) целочисленный конвейер на-

считывает 12 сегментов, a конвейер для операций c плавающей запятой 17. При этом производительность такого АМ D-микропроцессора оценивается величиной в несколько миллиардов операций в секунду.

2. Вычислительные системы. Эти средства базируются на принципе массового параллелизма при обработке инфо^ мации. Вычислительные системы (в концептуальном плане) являются диаг:ектической противоположностью ЭВМ, их функционирование основано на имитации работы не отдельных людей, занятых расчетами, a коллектив эв людей-вычислителей. Это позволяет преодолеть барьер производительно яти, существующий для ЭВМ, достичь высокой надежности и живучести, ос; Jществимости решения задач, значительно улучшить технико-экономически показатели. Данное направление адекватно учитывает текущие достижения в технологии БИС и ориентировано на применение полупроводниковых пластин c большим количест-

вом элементов обработки информации. Вычис гiительные системы относятся к четвертому и последующим поколениям средств обработки информации.

Современная ВТ представлена широкиN: спектром средств обработки информации от персональных компьютеров до ВС c массовым параллелизмом. Уровень быстродействия ЭВМ составляет миллиарды операций c

плавающей запятой в секунду (GigaFLOPS). Вычислительные системы мо-

гут иметь в своем составе сотни, тысячи и , даже миллионы процессоров

(арифметико-логических устройств). Так, например , в Connection Machine, реализованной еще в 1980-x годах америка Кской фирмой Thinking Маchines Corp., количество процессоров достигало 65536. B зависимости от

50