«Урал-1» — малая (по существовавшей на момент создания классификации) ламповая программно-управляемая вычислительная машина из семейства ЭВМ «Урал» , предназначенная для решения инженерных задач в научно-исследовательских институтах, конструкторских бюро, в высших учебных заведениях и полигонах . Первая серийно производимая ЭВМ на территории СССР (ранее неё была модель ЭВМ « Стрела », произведённая в количестве 7 шт). В сравнении с БЭСМ была существенно дешевле . По утверждению Энтони Саттона в его книге «The best enemy money can buy», ЭВМ серии «Урал» были единственными серийно производимыми компьютерами в СССР в 1960-х годах, что неверно, так как серийно выпускались ЭВМ серии БЭСМ, в том числе БЭСМ-6 (1968 г.) — одна из лучших в мире среди ЭВМ 2-го поколения, а также ЭВМ серий М-20 и « Минск » .

История

ЭВМ была разработана в 1954 — 1955 годах , первый образец был создан тогда же (в 1955 году) на Московском заводе счётно-аналитических машин . Наладка осуществлялась СКБ-245 . Частично налаженная машина была отправлена в Пензенский филиал (будущий Пензенский НИИ математических машин ). Там же с 1957 по 1961 год осуществлялось серийное производство. Всего было произведено 183 машины. Одна из машин использовалась на космодроме «Байконур» для расчёта полёта ракет .

Главный конструктор — Б.И.Рамеев , разработчики: В. С. Антонов, Б.П. Бурдаков, А. Г. Калмыков, А. И. Лазарев, В. И. Мухин, А. Н. Невский, А. И. Павлов, Д. И. Юдицкий .

Описание

При занимаемой площади в 70—80 м ² машина содержала 1000 ламп (преимущественно ) и диодно-резисторные вентили, потребляла 7—10 кВт мощности. Лампы выходили из строя примерно после 50 часов работы.

Большинство инструкций выполнялось за два такта, однако в машине был реализован механизм совмещения по времени выполнения двух инструкций , являвшийся по сути двухступенчатым конвейером , поэтому фактическое быстродействие приближалось к 100 операциям с фиксированной запятой в секунду (операция деления выполнялась в четыре раза, а нормализации в два раза медленнее).

Ёмкость оперативной памяти составляла 1024 полных машинных слова (которые в 1960-е годы назывались «коды»), или примерно 4,5 кБ. Оперативная память реализовывалась на магнитных барабанах (100 оборотов в секунду). При этом размер ячейки памяти (36 или 18 бит) определялся адресом — одно и то же место на магнитном барабане могло быть прочитано как 36-битное число, так и как любое из двух 18-битных. Время доступа к машинному слову в памяти занимало 1 такт (в некоторых «неудачных» случаях — 2). Скорость последовательного чтения составляла 75 кодов в секунду. .

Для ввода-вывода использовался . В качестве перфоленты использовалась зачернённая фотоплёнка . Скорость ввода составляла 3600 бод (100 слов в секунду) вывод — 5600 бод (150 слов в минуту). Пульт управления состоял из индикаторов, показывающих в двоичном коде значение регистров блоков управления и АЛУ ( процессора , как отдельного устройства, машина не имела), позволял оператору выставлять значения этих регистров и осуществлять отладку с помощью нескольких клавиш и тумблеров. Данные в памяти сохранялись при выключении машины; записав на бумагу или распечатав значения регистров и введя их после включения, можно было продолжить расчёты с места прерывания. Машина также могла осуществлять цифровой вывод на печатающее устройство (100 машинных слов в минуту). «Урал-1» также имел накопитель на магнитной ленте со скоростью чтения 75 слов в секунду (2700 бод), скоростью записи 150 слов в минуту. Данные на плёнке хранились в форме зон (две зоны параллельно друг другу), которые отделялись друг от друга перфорацией (по магнитной плёнке). При том, что плёнка была медленнее перфоленты , она обеспечивала бо́льшую ёмкость (40 000 слов, то есть 180 кБ) .

При конструировании последующих моделей ( Урал-2 , , ) была сохранена частичная программная и аппаратная совместимость с моделью «Урал-1» .

Архитектура

• Арифметическое устройство (АУ); регистры АУ, частного, входной и выходной регистр.
• Устройство управления (УУ); регистр счётчика команд, регистр команд, регистр счётчик циклов
• Оперативное запоминающее устройство
• Накопитель на магнитной ленте
• Устройства ввода и вывода

Арифметическое устройство и регистры

В состав Арифметического устройства (АУ) входят следующие основные блоки:

• СМ 37-разрядный двоичный сумматор (обозначение в формулах операций — s ), работающий в обратном модифицированном коде;
• ДСМ дополнительный 6-разрядный сумматор;
• РГАУ 36-разрядный регистр АУ (обозначение в формулах операций — r ), использующийся как вспомогательный при выполнении операций над кодами в АУ, для приёма кода числа из входного регистра, работающий в прямом коде;
• ДРГ дополнительный 6-разрядный регистр;
• РГМ 9-разрядный регистр множителя;
• РГЧ 36-разрядный регистр частного, использующийся для деления.
• Входной и выходной регистры имеют по 9 разрядов и используются для обмена кодами между АУ и другими устройствами (ОЗУ, накопители на магнитных лентах);
• Пр преобразователи кода;
• Блоки выработки управляющих сигналов ω и φ.

Оперативное запоминающее устройство

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) выполнено на магнитном барабане (называющееся «накопителем на магнитном барабане» НМБ) состоит из 2048 неполных ячеек, ёмкостью 18 разрядов. Ячейки нумеруются с 0000 ₈ до 3777 ₈ (восьмеричная система счисления). Две соседние неполные ячейки могут объединяться для создания одной полной 36-разрядной ячейки. Полные ячейки нумеруются (восьмеричные числа): 4000 ₈ +n (где n — номер первой неполной ячейки, использующейся для хранения полной ячейки). Полные ячейки имеют адреса с 4000 ₈ до 7776 ₈ (с шагом в 2, то есть 4000 ₈ , 4002 ₈ , 4004 ₈ …).

Устройство управления

Устройство управления (УУ) содержит:

• Регистр-счётчик номера команды (C, «счётчик команд»), 11 разрядов. Используется для указания номера ячейки ОЗУ, из которой осуществляется выборка команды на регистр-сумматор команд.
• Регистр-сумматор команд («регистр команд»), 18 разрядов. Представляет собой сумматор с циклическим переносом (из старшего в младший). Используется для выборки из ОЗУ, изменения и хранения очередной команды (выполняемой специальной операцией или по счётчику переадресации)
• Регистр-счётчик переадресации (F, «счётчик циклов»), 11 разрядов. Используется для автоматического изменения адреса исполняемой команды (изменением управляет триггер f , являющийся частью УУ).

Пульт управления

Пульт управления состоит из сигнальной и командной частей. Сигнальная представляет собой ряд индикаторов (неоновых лампочек), отображающих содержимое регистра-сумматора АУ, контрольного регистра, регистра команд, регистра-счётчика команд, сигналов φ и ω и др.

Управляющая часть содержит:

• Тумблеры, позволяющие указать значение ячейки памяти, которые выводятся в окне контрольного регистра (и обновляющиеся каждый такт)
• Два тумблера: Блокировка φ и Остановка по φ , позволяющие отлаживать выполняемую программу. При включённом тумблере «Блокировка φ», очередная команда выполняется вне зависимости от значения φ и положения тумблера «Остановка по φ». Для φ=1 и выключенных тумблерах «Блокировка φ» и «Остановка по φ», следующая команда пропускается (в ранних экземплярах происходила передача управления на ячейку 0001 ₈ ). Если тумблер блокировки выключен, а тумблер остановки включен, то после выполнения очередной команды происходит останов.
• Семь тумблеров для управления командами перехода по ключу (θ=23)
• Две кнопки «Стирание», при одновременном нажатии которых происходит обнуление всех 1024 ячеек памяти в ОЗУ.
• Кнопка «начальный пуск», при нажатии которой в ячейки 0002 ₈ −0010 ₈ считывается содержимое зоны 0002 ₈ на перфоленте и передаётся управление команде в ячейке 0002 ₈ . Зона 0002 ₈ на перфоленте называется Зона начального ввода .
• Кнопка «Пуск»
• Кнопка «Останов»
• Кнопка «Однотактный режим», каждое нажатие которой приводит к выполнению одной (очередной) инструкции и останову
• Тумблеры для указания адреса остановки (машина останавливается перед выполнением инструкции перед указанным адресом)
• Два тумблера «печать программы» для вывода (во время вывода машина продолжает работать, с поправкой на задержку устройств ввода-вывода):
  • I режим: печать введённой в ОЗУ программы
  • II режим: печать адреса команды, вида исполняющейся команды и содержимого регистра сумматора.
• Тумблеры остановки машины при обращении к НМЛ, перфоленте.
• Клавиатура (числовая) для занесения чисел в сумматор и команды в регистр команд (для последующего его выполнения). Ввод осуществляется в восьмеричной системе счисления.

Устройства ввода-вывода

Запись на накопитель на магнитной ленте (НМЛ) блочная (зонная). Зоны нумеруются от 0000 до 0177 ₈ и от 1000 ₈ до 1177 ₈ (всего 256 зон). Размер зоны произвольный, может достигать размеров ОЗУ (1024 36-разрядных коды).

Физически на ленте зоны диапазона 0000-0177 ₈ и диапазона 1000 ₈ −1777 ₈ располагаются попарно (первая зона слева, вторая справа по ширине ленты). Разметка ленты осуществляется перфорацией. Лента двигается в одну сторону, максимальная длина ленты 300 м. Время поиска зоны — до 5 минут.

Перфорированная лента (зачернённая киноплёнка) используется для ввода, максимальная длина 300 метров. Для чтения используется фотоэлетрический считыватель (скорость до 75 кодов в секунду). Считывание производится блоками (зонами), номера зон от 0000 до 0177 ₈ . Максимальная ёмкость зоны — 1024 36-разрядных кодов или 2048 18-разрядных кодов. Обратное движение перфоленты не предусмотрено. Время поиска до 2 минут.

Вывод осуществляется на печатающее устройство или на перфоратор. Используется буферный регистр для кеширования. Вывод происходит без замедления работы машины при интервалах между выводом: 0,64 с при печати, 0,46 с при перфорировании.

Схема работы УУ

Тактовая частота (длительность рабочего цикла) определяется по времени оборота магнитного барабана. Такт делится на две части: первая часть (0.8 оборота барабана) — считывание (или запись — в зависимости от значения регистра команд) из/в ОЗУ числа, с которым производится операция. Одновременно производится считывание команды для следующего такта (согласно регистру-счётчику команд); вторая часть (0.2 оборота барабана) — выполнение арифметической (или другой) операции согласно коду операции, находившемуся перед выполнением такта в регистре команд. (В это время текущая команда сохраняется на специальном пятиразрядном регистре). Во время второй половины такта также производится инкремент счётчика команд и переадресация на содержимое регистра переадресации, если считанная команда содержит признак переадресации.

Выполнение операций нормализации и деления занимает 4 и 2 такта (оборота магнитного диска). Во время этих тактов выборка команд не производится.

Если исполнительный адрес команды ã находится в интервале от C до С+64 (C — регистр-счётчик команд), то время выполнения инструкции может увеличиться на 1 такт.

Команды

Урал-1 поддерживает 29 различных инструкций (35, включая 6 инструкций, которые «ничего не делают», аналог современного NOP ). Существенным отличием от современной архитектуры компьютеров является равноправие операций с регистрами, оперативной памятью и устройствами ввода-вывода.

Арифметические команды: запись в регистр, сложение, сложение, допускающее переполнение, вычитание, разница модулей, два вида умножения, деление, смена знака, сдвиг влево и право (одна команда, направление сдвига определяется флагом), поразрядное умножение (конъюнкция), поразрядное сложение (дизъюнкция), сравнение, нормализация представления

Управляющие команды: запись в память, запись в регистр, запись адреса в сумматор, условный переход, безусловный переход, операция выбора по ключу (близкий аналог case в Си), команды организации цикла, команда изменения кода программы, команда остановки

Команды ввода-вывода: обмен данными с перфоленты (или магнитной ленты) и оперативной памяти, команда чтения с перфоленты, записи на перфоленту, вывод содержимого сумматора на перфораторе, команда «прогона» перфоленты.

Применение

Машины Урал-1 использовались для инженерных и экономических расчётов. В частности, Урал-1 применялся для расчёта полёта ракет на Байконуре , для моделирования процесса обучения, связанном с процессом творчества .

ЭВМ Урал-1 использовались и в школах. Например, в середине 1960-х гг. такая машина была передана в 30-ю математическую школу Ленинграда . ЭВМ Урал-1 также использовалась как учебная в 239-й физико-математической школе Ленинграда до переезда в новое здание в 1975 году, где была заменена на ЭВМ Минск-22 и, к сожалению, не сохранилась. В 1965 г. машина Саратовского государственного университета (серийный номер в пределах первого десятка) после списания была передана в среднюю школу №13 (ныне Физико-технический лицей № 1) и использовалась для обучения школьников программированию. Впоследствии была расширена до Урал-3, а затем заменена ЭВМ 2-го поколения (БЭСМ). К сожалению, "Урал" не был принят на хранение местным краеведческим музеем и потому разобран.

Дополнительная литература

• Бондаренко В. Н., Плотников И. Т., Полозов П. П. , Программирование задач для машины «Урал», Изд. Арт. инж. академии им. Дзержинского, 1957
• Китов А. И. Электронные цифровые машины. М.: Советское радио, 1956.
• Китов А. И., Криницкий Н. А. , Электронные цифровые машины и программирование, изд. второе, Физматгиз, 1961
• Жданюк Б. Ф. М., 1961; (недоступная ссылка с 12-3-2022 [674 дня])
• Бураков М. В. Опыт эксплуатации цифровой вычислительной машины «Урал». М., 1962;

Источники

• , «Советское радио», 1961;
• Жданюк Б.Ф. , Москва, Издательство 1961
• Криницкий Н. А., Миронов Г. А., Фролов Г. Д. (Глава 9) / под ред. М. Р. Шура-Бура , Гос. изд-во физико-математической литературы, Москва, 1963 (недоступная ссылка с 12-3-2022 [674 дня])
• Сергей Тархов. (рус.) . Музей истории отечественных компьютеров . Дата обращения: 29 октября 2012. (недоступная ссылка с 12-3-2022 [674 дня])
• (недоступная ссылка с 05-10-2013 [3754 дня]) (недоступная ссылка)
• S. E. Khusid, I. A. Itskovich, I. S. Litvak and I. M. Lobov (недоступная ссылка) //Measurement Techniques, New York, 1972 (перевод из журнала «Измерительная техника», № 3, 1965
• Смирнов Г. С. Фрагменты книги
• Смирнов Г. С.
• Рамеев Б. И. , материалы конференции "Пути развития советского машиностроения и приборостроения", Москва 1956

Примечания

Ссылки