Советский одноплатник. Уникальная ЭВМ «Электроника С5»

Технологический прогресс не знает компромиссов. Считается, что эпоха мейнфреймов и громоздких «промышленных» компьютеров размером с сарай окончательно завершилась с появлением высокопроизводительных одноплатников, ставших не только инструментом для энтузиастов, но и основой для разработки сложных инженерных и образовательных систем. Однако проекты компактных микро-ЭВМ, собранных на одной печатной плате, разрабатывались еще в конце 70-х. Например, в СССР существовал проект одноплатных микроЭВМ «Электроника С5», которые можно назвать предками современных Raspberry Pi, Arduino, BeagleBone и их аналогов. Об этой интереснейшей советской технике — наш сегодняшний рассказ.

Отправной точкой эволюции «советских одноплатников» стало появление БИС — больших интегральных схем, которые позволяли разместить на одной плате компоненты, требовавшие нескольких отдельных плат предыдущего поколения. К категории БИС относили микросхемы, содержащие до 10 000 элементов в кристалле. Их производство началось еще во второй половине 70-х, а центром разработки таких схем стал Научно-исследовательский институт молекулярной электроники (НИИМЭ). С появлением отечественных микросхем возникла идея использовать их в архитектуре компьютеров, чтобы уменьшить габаритные размеры ЭВМ, сохранив при этом вычислительную мощность и быстродействие.

Именно с такими исходными предпосылками в 1974 году был задуман проект компактной 16-разрядной вычислительной машины, которая должна была обеспечивать многофункциональность и адаптируемость, но при этом умещаться в небольшом по размеру корпусе. Основной целью стало создание универсальной системы, способной заменить громоздкие компьютеры в лабораториях и на производствах, но при этом демонстрировать достаточную вычислительную мощность. Проект получил романтическое название «Электроника С5», и проектировали его, как это обычно и происходило в ту эпоху, «всем Союзом».

За создание программного обеспечения и системы команд взялись киевский Институт кибернетики АН УССР и Ленинградское конструкторско-технологическое бюро (ЛКТБ) при объединении электронного приборостроения «Светлана». В ЛКТБ также проектировали процессор, память, общую шину и подсистему ввода-вывода: опытно-конструкторские работы над этими компонентами велись параллельно разными отделами предприятия. Система команд и операционная система для «Электроника С5» разрабатывались на ЭВМ БЭСМ-6. Первый опытный образец компьютера был собран и успешно испытан в 1975 году.

В основу архитектуры «Электроники С5» изначально легла концепция одноплатной системы с подключаемыми дополнительными платами, позволяющими расширить функциональные возможность ЭВМ и адаптировать такую машину для решения разных научно-производственных задач. Чуть позже эта концепция разделилась: разработчики решили создать две базовые модели ЭВМ, открытую и закрытую, с единой системой команд. Первая представляла собой самодостаточный одноплатный микрокомпьютер, способный работать автономно. Вторая имела стандартный межплатный интерфейс, позволяющий подключать дополнительные аппаратные компоненты, а также контроллеры для расширения внутренних ресурсов ЭВМ и построения мультимашинных систем.

Идея микрокомпьютера с универсальным межплатным интерфейсом была довольно-таки революционной для советской промышленности 70-х годов. Фактически, инженеры «Светланы» придумали стандартную шину, к которой можно подключать различное периферийное оборудование, и более того: по мере необходимости разрабатывать принципиально новые устройства, поддерживающие этот аппаратный интерфейс. Правда, в те времена подобных умных слов в отечественных НИИ еще не знали, поэтому назвали свое изобретение «методом фрагментно-модульного проектирования». Этот метод позволял, цитирую, «создавать различные варианты функционально-конструктивных модулей (ФКМ) из библиотеки функциональных фрагментов, обладающих конструктивно-топологической и программной совместимостью». То есть, инженеры описали общий технологический стандарт, разработали интерфейс сопряжения, а дальше конструкторы получили полную свободу изобретать новые платы и устройства, которые можно подключить к ЭВМ без необходимости пересматривать ее архитектуру. Очень удобно. Правда, придумав такую конструктивную возможность, создатели «Электроники С5» столкнулись с целым рядом технических сложностей, в частности, с необходимостью автоматически перенастраивать работу устройств ввода-вывода при подключении дополнительных плат. Эту проблему удалось решить с использованием программного перемещения адресов ОЗУ и регистров ввода-вывода при изменении конфигурации ЭВМ.

Специально для этой машины была создана новая элементная база — микропроцессорный комплект 536 серии, производившийся на той же ленинградской «Светлане».

Вообще, это был один из немногих случаев в Советском Союзе, когда элементную базу разрабатывали под конкретный компьютер, а не наоборот, компьютер собирали из уже имеющейся в наличии серийной компонентной базы. Микросхемы в наборе были двух типов: в металлостеклянных корпусах с 24-выводами и металлокерамических корпусах с 48-выводами. Помимо самого микропроцессора в комплект входили схемы для управления обменом информацией, микросхемы регистров и дешифраторов, в общем, фактически вся логика, необходимая для функционирования этой ЭВМ.

Микросхема К536ИК3 (иллюстрация с сайта www.155la3.ru)

В основе компьютера использовался 16-разрядный однокристальный микропроцессор К1801ВМ1, реализующий систему команд ЭВМ «Электроника 60», которая, в свою очередь, была близка к архитектуре PDP-11, но не повторяла ее в точности. Процессор работал на тактовой частоте 5 Мгц и обладал максимальным быстродействием 500 тысяч операций в секунду. Он располагал 8 шестнадцатиразрядными регистрами общего назначения и имел адресное пространство размером 64 Кбайта.

Объем оперативной памяти компьютера составлял 2 килобайта (1024Х16 бит), она реализовывалась на микросхемах К1809РУ1. ПЗУ, собранное на микросхемах К1809РЕ1, вмещало 4096 слов по 16 бит, то есть, его общий объем составлял 8 килобайт, при этом содержимое постоянной памяти записывалось в микросхему на этапе производства и не могло быть изменено пользователем ЭВМ. Считалось, что 8 килобайт будет вполне достаточно для операционной системы и базового набора программ, который обозначали термином «резидентное программное обеспечение». Тем не менее, с использованием межплатного интерфейса к «Электронике С5» можно было подключить внешние платы ППЗУ по 8 килобайт каждая с дополнительными программами, а также устройства коммуникации: интерфейс радиальный последовательной связи (ИРПС), и интерфейс магистральный последовательной связи.

С помощью этих интерфейсов можно было организовать мультимашинные вычислительные комплексы на основе «Электроники С5» или организовать передачу данных между учреждениями, в которых использовались такие ЭВМ. ИРПС — это схема передачи данных, при которой одно главное управляющее устройство взаимодействует с несколькими подчиненными через отдельные линии связи. Радиальная структура предполагает, что для каждого подчиненного устройства выделяется собственная линия, соединяющая его с головной ЭВМ, которая инициирует обмен данными, запрашивая информацию у конкретной подчиненной машины или передавая команды. Магистральный интерфейс, напротив, использует общую шину для связи между устройствами. Все узлы такой распределенной системы подключаются к одной линии передачи данных, а обмен происходит последовательно, с использованием специальной системы адресации.

Для конца 70-х «Электроника С5» и вправду получилась компактным компьютером: весь комплекс умещался в корпусе, который можно было разместить на лабораторном столе, а одноплатные модификации Электроника С5-11 (без выведенной наружу интерфейсной шины) и Электроника С5-12 (с внешним интерфейсом) и вовсе походили по габаритам на современный «стоечный» сервер. Весь компьютер помещался на плате размером 260×280 мм, однако его ресурсы были весьма ограничены: одноплатник имел ОЗУ емкостью 128 16-разрядных слов (0.25 Кбайт) и ПЗУ на 2048 16-разрядных слов (4 КБайта). Как и современные одноплатные компьютеры, эти машины предназначались на роль технологических контроллеров. В советской документации это звучало так: «комплекс средств цифровой автоматики массового применения, используемых для сбора и обработки информации при построении систем управления технологическими процессами, контрольно-измерительных и коммутационных систем, локального контроля и управления».

А вот многоплатную версию уже можно было считать полноценным компьютером: на его лицевой панели имелась цифровая клавиатура, позволявшая вводить в ЭВМ программу с использованием восьмеричных кодов команд, и набор индикаторов, на которые осуществлялся вывод. Кроме того, интерфейсная шина позволяла подключить к «Электронике С5» устройства ввода-вывода с перфоленты (фотосчитывающее устройство FS-1501 и перфоратор ПЛ-80 или ПЛ-150), телетайп (РТА-6, РТА-7, РТА-60, Т-63 или СТА-2М), а в более поздних модификациях — «видеоконтрольное устройство телевизионного типа «Квант-М»», то есть, обычный дисплей. Фактически, на выходе получался довольно медленный и не слишком мощный (но зато относительно недорогой) компьютер, поддерживающий двухадресную систему команд, подобную PDP-11, которая включала в себя 31 базовую команду.

В первой половине 80-х ЭВМ серии «Электроника С5» активно работали на самой «Светлане», а также поставлялась на другие предприятия СССР, а одноплатные модификации использовались в качестве встроенных контроллеров для управления измерительными приборами и лабораторными комплексами. Эти машины показали, что даже в условиях ограниченного доступа к западным технологиям советские инженеры смогли создать универсальные и функциональные решения для широкого круга задач. Научно-исследовательские институты использовали эти ЭВМ для автоматизации экспериментов, в промышленности они служили для управления сложным оборудованием, а в учебных заведениях их применяли для обучения студентов программированию и основам работы с вычислительными системами.

Однако с окончанием 80-х годов роль «Электроники С5» начала снижаться. Стремительное развитие микроэлектроники за рубежом, вместе с растущей доступностью импортных компьютеров, привели к вытеснению этой серии с рынка. Сегодня экземпляры «Электроники С5» можно найти лишь в музеях и частных коллекциях, но их наследие продолжает жить, напоминая о стремлении к самостоятельному развитию электронной промышленности в Советском Союзе.

Статья поддерживается командой Serverspace.

Serverspace — провайдер облачных сервисов, предоставляющий в аренду виртуальные серверы с ОС Linux и Windows в 8 дата-центрах: Россия, Беларусь, Казахстан, Нидерланды, Турция, США, Канада и Бразилия. Для построения ИТ-инфраструктуры провайдер также предлагает: создание сетей, шлюзов, бэкапы, сервисы CDN, DNS, объектное хранилище S3.

IT-инфраструктура | Удвоение первого платежа по коду HABR