История появления бортовых ЭВМ ряда “АРГОН”

История отечественной бортовой вычислительной техники как отдельной ветви ВТ восходит к середине 60-х гг. В 1964 г. в Научно-исследовательском институте электронных машин (НИЭМ) впервые в СССР были развернуты работы по проектированию, освоению в производстве и внедрению в системы бортовых ЭВМ (БЭВМ), получивших название “Аргон”. После слияния в конце 1968 г. НИЭМ с НИЦЭВТ разработка ряда “Аргон” продолжалась специзированным отделением НИЦЭВТ, которое в 1986 г. выделилось в самостоятельное предприятие - НИИ “Аргон”. За это время было создано более 30 типов БЭВМ и вычислительных комплексов на их основе.

Работы по созданию ряда Аргон можно разделить на три основных этапа. На первом этапе (1964 г.-середина 70-х гг.) были разработаны 11 моделей машин для ракетно-космических, авиационных и наземных автоматизированных систем управления. Базой для первых разработок послужил созданный к этому времени научно-технический задел по стационарным ЭВМ общего назначения.

Вместе с тем использование вычислительных машин в составе систем управления летательных аппаратов и мобильных наземных объектов предъявляет ряд специфических требований, не играющих важной роли при создании стационарных ЭВМ, которые значительно усложняют проектирование бортовых машин. К числу важнейших требований, во многом определяющих выбор основных проектных решений, относятся ограничения на массо-габаритные характеристики и потребляемую мощность, повышенная надежность функционирования, устойчивость к широкому диапазону внешних воздействий (механических, климатических, радиационных и др.), обмен в реальном времени информацией с разнообразными датчиками и исполнительными устройствами объекта управления.

БЭВМ первого этапа

Разработка БЭВМ первого этапа велась на основе ряда принципиальных положений, выработанных с учетом специфических требований к бортовым машинам и в результате многочисленных исследований, выполнения эскизных и технических проектов:

  1. С самого начала было принято решение проектировать БЭВМ на новой для того времени элементной базе - интегральных схемах (ИС). Только применение ИС давало возможность обеспечить необходимые параметры машин, в первую очередь массо-габаритные, энергетические и надежностные. Работы по созданию ряда “Аргон” дали мощный толчок развитию элементной базы для ЭВМ оборонного значения. НИЭМ и его преемники были инициаторами, заказчиками и соисполнителями разработки целого ряда выпускавшихся крупными сериями ИС, некоторые из которых получили широкое применение не только в бортовой, но и в стационарной ВТ.
  2. Во всех моделях используется конструктивно-технологическая база с большой степенью унификации.
  3. Введение программной совместимости между моделями было признано нецелесообразным. Это потребовало бы разработки единой для всех машин сложной системы команд, часть из которых во многих случаях оказалась бы излишней. При достигнутом в тот период уровне технологии элементов единственным путем удовлетворения жестких требований к бортовым ЭВМ была специализация системы команд к решаемым задачам. Вместе с тем системы команд и организация вычислений для различных моделей строятся на основе общих исходных принципов и являются достаточно близкими.
  4. Для повышения плотности компоновки ИС используется многослойный печатный монтаж. Изотовление многослойных плат связано с большим количеством сложных и трудоемких операций. Поэтому с целью сокращения сроков разработки и числа ошибок при выполнении ручных операций основные узлы БЭВМ разрабатывались с применением систем автоматизированного проектирования на базе универсальных ЭВМ.
  5. Структура БЭВМ разрабатывалась с некоторым запасом по быстродействию и емкости ЗУ с расчетом на вероятное усложнение задач в процессе проектирования.

Элементная база

Разработанные на первом этапе машины по типу используемой элементной базы разделяются на две группы. К первой, более ранней по времени разработки группе относятся БЭВМ Аргон-1, Аргон-10 и -10М, Аргон-11А и -11С, Аргон 12А и -12С, собранные на гибридных ИС типа “Тропа”, ко второй - БЭВМ Аргон-14, Аргон-15, Аргон-16 и Аргон-17, выполненные на твердотельных ИС.

Серия гибридных ИС “Тропа-1” была разработана НИЭМ совместно с НИИТТ Министерства электронной промышленности для первых БЭВМ ряда Аргон (Аргон-1, Аргон-11А и -11С, Аргон 12А и -12С). Однако высокие для того времени параметры (задержка 60 нс, потребляемая мощность 5,5 мВт на схему И-НЕ) и функциональная универсальность обусловили ее широкое применение как в бортовых, так и стационарных ЭВМ. Этому в значительной степени способствовала разработанная НИЭМ оригинальная схемотехника, обеспечившая выполнение требований к БЭВМ при ограниченных в то время возможностях электронной техники. В дальнейшем НИЭМ и НИИТТ были разработаны гибридные ИС “Тропа-3” и “Тропа-5”. Они позволяли создавать БЭВМ с быстродействием 200 тыс.оп/с и использованы в машинах Аргон-10 и -10М.

Машины второй группы Аргон-14, Аргон-15 и Аргон-16 выполнены на первых стандартных твердотельных ИС серий 106, 133, 134, а Аргон-17 - на первых микропроцессорных БИС серии 583.

Конструктивно-технологическая база

Большое внимание в процессе проектирования уделялось определению параметров печатных плат как основного конструктивного элемента машин. При этом принимался во внимание ряд условий: возможность расчленения схемы БЭВМ таким образом, чтобы на платах размещались функционально-законченные узлы, требование стандартизации физических размеров, технологичность при серийном производстве и возможность применения средств автоматизации. В результате исследований были выбраны две типовые конструкции печатных плат: размером 230х330 мм для размещения гибридных ИС “Тропа” и размером 148х198 мм для монтажа твердотельных ИС. На плате 230х330 мм с 141 выводом размещается до 152 корпусов ИС, на плате 148х198 мм с 136 выводами - до 96 корпусов.

В БЭВМ, построенных на ИС “Тропа” с штыревыми выводами, в основном использованы двусторонние печатные платы. В машинах Аргон-10 и -10М применены четырехслойные платы, изготовливаемые методом попарного прессования.

С переходом в БЭВМ второй группы к твердотельным ИС межсхемные соединения усложнились, что потребовало применения многослойного монтажа. В машинах Аргон-14, -15, -16 и -17 использованы типовые многослойные платы, изготавливаемые методом послойного наращивания (до 5 слоев). Этот метод обеспечивает высокую плотность размещения печатных проводников, большие коммутационные возможности и повышенную надежность, недостижимую при использовании других методов.

В машинах обеих групп конструктивным элементом следующего после платы уровня является пакет книжной конструкции. Как показали исследования и опыт эксплуатации, такая конструкция наилучшим образом отвечает требованиям механической устойчивости, предъявляемым к бортовым ЭВМ. Платы пакета шарнирно соединены специальной резиновой колодкой (“корешком”) и могут поворачиваться на определенный угол, давая доступ к компонентам платы в процессе изготовления и наладки. Электрические соединения между платами осуществляются с помощью гибких проводников, припаянных к выводам плат и закрепленных в “корешке”. Платы скрепляются между собой жесткими шпильками; с целью уменьшения резонансных явлений на платах устанавливаются упоры. Таким образом, собранный пакет плат представляет собой жесткую конструкцию, в высокой степени устойчивую к механическим воздействиям.

Пакеты плат книжной конструкции являются универсальным элементом, пригодным для построения как машин, компонуемых из конструктивно законченных съемных блоков, так и машин, построенных по моноблочному принципу. По блочному принципу выполнены обслуживаемые БЭВМ авиационного и наземного назначения, условия эксплуатации которых позволяют осуществлять замену и ремонт неисправных блоков (Аргон-1, Аргон-10, -10М, Аргон-15). БЭВМ ракетно-космического назначения в большинстве случаев являются необслуживаемыми и строятся по моноблочному принципу. Электрические связи между блоками всех машин выполнены проводным монтажом.

Надежностно-ориентированное проектирование

Серьезную проблему при проектировании бортовых ЭВМ представлет обеспечение устойчивости к воздействию внешней среды. Ввиду их компатности существенное значение имеет отвод тепла. В большинстве машин обеих групп применено принудительное воздушное охлаждение их внутренних частей: от центральной системы охлаждения управляемого объекта в случае авиационных и мобильных наземных БЭВМ, либо с помощью встроенного вентилятора (космические БЭВМ Аргон-11С, Аргон-12С и Аргон-16). Ракетные машины Аргон-11А и Аргон-14 помещены в герметизированный корпус, служащий радиатором для отвода тепла в окружающую среду. Устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам обеспечивается с помощью амортизаторов. В ряде случаев применялись специальные меры по дополнительному закреплению деталей. Для защиты от воздействия влаги детали и некоторые узлы покрывались влагоустойчивыми лаками.

Выполнение высоких требований к надежности функционирования БЭВМ потребовало осуществления целого комплекса проектных, организационных и производственно-технологических мероприятий (использование высоконадежных компонентов, введение в технологию изготовления электро- и термотренировок узлов, блоков и изделия в целом, строгое соблюдение стандартов, нормативов и порядка выполнения работ, разработка специальной аппаратуры для технического контроля, анализа дефектов, сбоев и отказов, сбор и обработка статистических данных о надежности и др.). Эффективность этих мер подтверждена всем опытом эксплуатации машин ряда Аргон.

Тем не менее эти меры были недостаточны для удовлетворения чрезвычайно высоких требований к надежности особо сложных и ответственных ракетно-космических комплексов. БЭВМ, предназначавшиеся для таких комплексов, несмотря на жесткие массо-габаритные ограничения, разрабатывались с применением резервирования.

Впервые резервирование аппаратуры использовано в БЭВМ Аргон-11С - первой отечественной машине космического назначения, осуществлявшей автоматическое управление полетом космического аппарата, совершившего облет Луны с возвращением спускаемого аппарата на Землю (программа “Зонд”). В ходе исследований, выполненных при проектировании этой машины, оптимальной структурой резервирования, обеспечивающей экономию машинных ресурсов и приемлемый уровень надежности, было признано троирование аппаратуры с голосованием по большинству (мажоритирование). Аргон-11С состоит из трех одинаковых функционально автономных параллельно работающих каналов с независимыми отдельными входами и выходами. Формирование информации, выдаваемой тремя каналами, осуществляется мажоритарными схемами системы управления. Для синхронизации работы каналы обмениваются между собой сигналами. Кроме того, для восстановления информации, искаженной в результате сбоев в каком-либо канале, предусмотрены связи для обмена информацией между каналами.

Эта структура получила дальнейшее развитие в бортовом вычислительном комплексе Аргон-16. В отличие от Аргон-11С с резервированием на уровне машины в целом, в Аргон-16 реализовано троирование основных блоков с использованием ограниченного числа мажоритарных схем. В каждый вычислительный канал комплекса Аргон-16 введены блоки межканальных связей (БМС), позволяющие осуществлять обмен информацией между блоками каждого канала. БМС содержат интерфейсы командных и адресных магистралей, мажоритарные схемы, вентили, с помощью которых можно в случае необходимости блокировать мажоритарные схемы, и регистр управления. Введение БМС дает возможность осуществлять мажоритирование информации по блокам, что значительно повышает эффективность системы устранения сбоев, а также сокращает временную и структурную избыточность комплекса.

Аргон-16 является уникальной разработкой в мировой практике создания бортовых ЭВМ. За четверть века эксплуатации на космических кораблях “Союз”, транспортных кораблях “Прогресс”, орбитальных станциях “Салют”, “Алмаз”, “Мир”, “Меч-К” не было выявлено ни одного отказа комплекса в составе системы управления. За это время было выпущено более 300 образцов - рекордный показатель для машин космического применения.

Высоконадежная троированная структура Аргон-16 в модифицированном виде применена в БЭВМ Аргон-17, предназначенной для применения в ракетных системах. В машине реализовано поразрядное мажоритирование информационных и управляющих магистралей и резервирование элементов сопряжения в процессоре обмена. Благодаря такой структуре она сохраняет работоспособность при появлении отказов в разноименных разрядах магистралей и связанных с ними цепях разных каналов. Отличительная особенность Аргон-17 - высокая радиационная стойкость аппаратуры, гарантирующая выполнение задачи в условиях воздействия ядерного взрыва. Это важное качество достигается за счет использования радиационностойких элементов и введения в состав БЭВМ быстродействующего датчика импульсного излучения и специального блока “Рестартер”, обеспечивающего прерывание вычислительного процесса при установленном уровне радиации с фиксацией содержимого основных регистров в ферритовой памяти со специальными характеристиками, и возобновление вычислительного процесса при выходе объекта из “опасной зоны”.

Сопряжение с объектом

Работа БЭВМ в составе системы управления требует разработки специального устройства сопряжения с абонентами системы. Состав устройств ввода-вывода бортовых машин значительно разнообразнее, чем у стационарных ЭВМ, а используемые ими сигналы имеют разнообразную форму (аналоговые, импульсные различного вида, разовые и т.д.). Это требует создания специальных преобразователей информациию.

Разработка устройства сопряжения с объектом для некоторых машин являлась одной из сложнейших проблем проектирования. Яркой иллюстрацией высоких требований к вводу-выводу служит система обмена комплекса Аргон-16. В ее состав входят аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, преобразователи код-интервал и код-импульс, блок релейных сигналов ( 72 входа, 65 выходов), блок приема и передачи последовательного кода, блоки сопряжения с НМЛ и принтером. Обмен можно вести одновременно с 41 абонентом на скорости до 80 кбайт/с и подключать до 256 абонентов. Имеется система прерываний одного уровня от 16 источников с динамическим установлением приоритета. Сложной системой обмена оснащенны также БЭВМ Аргон-12С, Аргон-14 и Аргон-17.

Работы первого этапа сыграли исключительно важную роль в развитии отечественной бортовой вычислительной техники. В его ходе были заложены основы проектирования БЭВМ, создана необходимая производственная и испытательная база, выбраны направления развития архитектуры, элементной базы, конструкции, технологии, программного обеспечения, схемотехники и системотехники БЭВМ, определившие на много лет вперед развитие не только машин ряда “Аргон”, но и БЭВМ, создаваемых в других отраслях и организациях страны.

 

К середине 70-х годов перед создателями ЭВМ оборонного значения были поставлены качественно новые задачи. Возникла необходимость внедрения бортовых ЭВМ, показавших высокую эффективность в управлении техническими средствами, в автоматизированные системы управления войсками, сложные авиационные радиоэлектронные комплексы, системы управления воздушным движением в зоне крупных морских объектов. По требуемым параметрам ЭВМ, предназначенные для работы в таких системах, близки к стационарным универсальным машинам (решают преимущественно расчетные и информационные задачи, должны иметь 32-разрядную сетку, высокую производительность, оперативную и внешнюю память большой емкости, оснащаться сложным программным обеспечением).

К этому времени резко расширился парк эксплуатируемых БЭВМ, значительно возросли трудоемкость и стоимость их разработки. Отечественными предприятиями было создано большое число машин, предназначенных, как правило, для одной конкретной системы. Незначительно отличаясь по функциональным возможностям, они имели оригинальные систему команд, структуру, конструктивные решения. По этой причине исключительную актуальность приобрела проблема унификации создаваемых моделей. Решение этой задачи стало возможным на пути перехода от отдельных моделей с несовместимыми системами команд к семействам машин единой архитектуры.

Унифицированные архитектуры

Базовой архитектурой нового поколения БЭВМ. предназначенных для решения расчетных и информационно-логических задач с большими объемами обрабатываемой и хранимой информации была выбрана архитектура стационарных машин ЕС ЭВМ, которая к этому времени утвердилась в качестве магистрального направления развития отечественных ЭВМ общего назначения. Важное значение для построения ряда перспективных БЭВМ имели присущие ЕС ЭВМ мощная система ПО, универсальный набор команд, 32-разрядное слово данных, модульность, стандартизованные интерфейсы, мультисистемные свойства, наращиваемость функциональных возможностей. Совместимость с ЕС ЭВМ позволяла использовать готовые серийные стационарные машины в качестве промежуточного стендового варианта на весь период отработки системы управления и тем самым ускорить разработку БЭВМ, их программного обеспечения и системы в целом.

Особого подхода потребовала унификация БЭВМ, используемых непосредственно для управления различными системами летательных аппаратов. Несмотря на значительный прогресс в области элементной базы, жесткие ограничения на физические характеристики машин этого класса по-прежнему требовали специализации системы команд к особенностям системы управления. Решение этой проблемы было найдено благодаря разработке оригинальной архитектуры “ПОИСК” (Проблемно-ориентируемая с изменяемой системой команд), позволяющей адаптировать набор команд к решаемым задачам путем расширения основного набора командами, свойственными конкретным задачам.

Архитектура “ПОИСК” включает в себя четыре группы команд: операторы ядра типа обычных команд, операторы более сложной структуры, специальные операторы (обмена, операционной системы) и операторы пользователя. Разрядность операторов переменная. В зависимости от области применения число операторов в системе команд колеблется от 157 до 256. Как показали исследования и опыт эксплуатации, БЭВМ архитектуры “ПОИСК” при условии одинаковости элементной базы превосходят обычные одноадресные архитектуры пр поизводительности в 1,5 - 2,5 раз, а по компактности кода - в 3-5 раз.

На основе унифицированных архитектур в ходе работ второго этапа по созданию ряда “Аргон” (середина 70-х - конец 80-х годов) было реализовано несколько моделей машин: А-30, А-40, А-50 (архитектура ЕС ЭВМ), Ц100, Ц101, Ц102 (архитектура “ПОИСК”). Эти машины проектировались в расчете на крупносерийное производство и широкое применение. В связи с этим первостепенное внимание уделялось снижению их трудоемкости и стоимости, обеспечению контроле- и ремонтопригодности и удобства эксплуатации, созданию моделей межвидового применения, устойчивых к внешним воздействиям применительно к нескольким группам эксплуатации.

Конструктивно-технологическая база

Достижение этих целей потребовало перехода на новую конструктивно-технологическую базу. Основой для построения моделей второго этапа стали конструктивно-технологические и схемотехнические решения, принятые в ЕС ЭВМ.

Используемые в машинах первого этапа многослойные печатные платы послойного наращивания, несмотря на ряд важных для БЭВМ преимуществ, отличаются высокой стоимостью и большими затратами времени на их изготовление. Для печатных плат моделей второго этапа была принята базовая для ЕС ЭВМ технология металлизации сквозных отверстий, обеспечившая резкое сокращение цикла изготовления и автоматизацию технологических и контрольных операций в процессе производства по сравнению с методом послойного наращивания. При этом слойность была увеличена до 10 коммутационных слоев против 5 в предшествующих разработках.

Вместо книжной конструкции, принятой в первых машинах ряда “Аргон”, в моделях второго этапа используется модульное построение аппаратуры с несколькими иерархическими уровнями. Модулем следующего после многослойной печатной платы уровня является сдвоенная ячейка, состоящая из двух плат, соединенных проводами или печатным шлейфом. Ячейки через разъемы соединяются с панелью и образуют конструктивно законченный блок. Впервые, начиная с модели А-30, при изготовлении блоков БЭВМ был применен метод накрутки. позволивший автоматизировать изготовление и контроль системы коммутации панели и оперативное внесение необходимых изменений. Использование в БЭВМ метода накрутки стало возможным благодаря разработке специального термостойкого провода типа ФН.

Блоки устанавливаются в общий корпус (шкаф, стеллаж) и образуют модуль четвертого уровня, обеспечивающий электрические соединения между блоками проводным монтажом. При этом каждое из функционально законченных устройств имеет свое автономное электропитание. Такой модульно-функциональный принцип позволяет создавать модификации БЭВМ с разным количеством и составом устройств, различающиеся лишь рамой (шкафом, стеллажом), на которой монтируются устройства и размещается система связей между ними.

Комплексирование

Важными новшествами, впервые реализованными в машинах А-30. А-40 и А-50, являются развитые средства комплексирования и межвидовое исполнение. Они могут использоваться как в качестве самостоятельного вычислителя, так и в качестве центрального звена одномашинных и многомашинных вычислительных комплексов с развитой системой внешних ЗУ и периферийного оборудования.

На базе БЭВМ А-30 создана четырехмашинная вычислительная система для авиационного радиоэлектронного комплекса. В состав комплекса помимо четырех машин с адаптерами канал-канал, объединенных симметричной системой межмашинных связей, входят системный пульт прямого управления и внешний синхронизатор, служащий генератором меток для таймеров всех БЭВМ. Заданная производительность вычислительной системы обеспечивается благодаря распределению задач между отдельными машинами и распараллеливанию алгоритмов. При этом создается возможность резервирования отдельных устойств, что повышает надежность системы. Наличие адаптеров канал-канал позволяет одновременно обмениваться информацией любым двум парам БЭВМ, а в режиме разделения времени - всем четырем БЭВМ.

На основе БЭВМ А-40 был разработан мобильный (с работой на ходу) вычислительный комплекс “Бета-3М” на легком многоцелевом гусеничном бронированном шасси с универсальным кузовом (МТ-ЛБу). Комплекс “Бета-3М” осуществляет в составе системы управления прием и выдачу информации, решает информационно-логические и расчетные задачи, хранит и выдает результаты решения задач как в автоматическом режиме, так и по запросу из различных звеньев системы управления, обеспечивает обмен информацией с другими вычислительными комплексами.

Для комплекса “Бета-3М” помимо А-40 был разработан ряд внешних устройств:

  • запоминающее устройство на магнитной ленте ЗУМЛ-75 (емкость 800 Кбайт);
  • устройство оперативной памяти большой емкости на ферритовых сердечниках УОПБЕ (емкость 640 Кбайт);
  • алфавитно-цифровое печатающее устройство (количество печатаемых символов 96, скорость печати 5 строк/с);

На базе БЭВМ А-50 разработаны 8 модификаций одно- и двухмашинных бортовых вычислительных комплексов для приоритетных государственных программ. Они комплектуются широким набором устройств внешней памяти и средств комплексирования. Объединение машин в двухмашинных комплексах осуществляется с помощью адаптера межмашинного обмена (скорость передачи 1 Мбайт/с) и контроллера ввода-вывода с возможностью подключения 24 абонентов к каждому каналу. Для комплексов на базе А-50 создан ряд внешних устройств в исполнении для жестких условий эксплуатации:

  • внешнее постоянное ЗУ с электрической перезаписью информации (емкость2х512 Кбайт, скорость считывания 500 Кбайт/с);
  • кассетный накопитель на магнитной ленте (емкость 4х2 Мбайт);
  • накопитель на цилиндрических магнитных доменах ( емкость 2х2 Мбайт).

Конструктивное исполнение БЭВМ А-30, А-40 и А-50 обеспечивает возможность их межвидового применения в составе объектов различных классов. Тем самым открывается возможностьсущественно расширить диапазон областей применения,не увеличивая числа моделей машин.

БЭВМ Ц100, Ц101, Ц102 с архитектурой “ПОИСК” разрабатывались с конца 70-х годов для удовлетворения потребностей отечественной авиации. Их система команд оптимизирована для решения задач управления вооружением на борту самолетов. Выбор соответствующей системы команд (операторов) проводился НИИ “Аргон” совместно с организациями-разработчиками бортовых радиоэлектронных систем.

Ц100, Ц101 и Ц102, сочетающие большие вычислительные возможности, компактность конструкции и высокую надежность - одна из самых удачных разработок в классе авиационных машин. По масштабу производства (выпущено более 4 тысяч образцов ) принадлежат к числу самых массовых в мировой практике авиационных БЭВМ.

Программа СБ ЭВМ

С середины 80-х годов осуществлялись работы по третьему этапу создания БЭВМ ряда “Аргон”. В 1886 г. была принята государственная программа создания унифицированных семейств бортовых ЭВМ (СБ ЭВМ) на основе архитектур ЕС ЭВМ, “ПОИСК” и СМ ЭВМ. В НИИ “Аргон” разрабатывались четыре модели СБ ЭВМ: совместимая с ЕС ЭВМ-2 машина СБ 1180, являвшаяся развитием ряда А-30, А-40, А-50; одноплатная встраиваемая модель СБ5580 и четырехпроцессорный вычислительный комплекс СБ 5540 для авиационных и морских АСУ (архитектура “”ПОИСК”); модель СБ 3580 для мобильных наземных систем (архитектура СМ ЭВМ). В этих моделях был реализован ряд интересных технических решений, но, к сожалению, они не были запущены в производство по причинам экономического  характера.