Процессоры ЕС ЭВМ. Конструктив
Каждому изделию в составе ЕС ЭВМ присваивался собственный шифр, первая цифра которого определяла его функциональное назначение:
0 — система питания;
1 — ЭВМ в целом;
2 — процессор (причём очень часто для одной и той же ЭВМ использовалось два номера: один обозначал процессор в узком смысле слова, а второй — процессор и другое центральное оборудование, тесно с ним связанное, но размещаемое в отдельных стойках, — основную память, каналы ввода-вывода, систему электропитания; в таком случае у каждого из этих изделий имелся и свой собственный номер);
3 — основная память;
4 — каналы ввода-вывода (выделялись в отдельное устройство только в некоторых машинах, в других, в том числе в ЕС-1020, составляли единое целое с процессором, находились с ним в одной стойке и своего номера не имели);
5 — накопители на магнитных носителях и их контроллеры;
6 — устройства ввода (обычно с перфокарт и перфолент);
7 — устройства вывода (на перфокарты и перфоленты, на бумагу — принтеры и графопостроители, а также устройства ввода-вывода, используемые в качестве терминалов ЭВМ — пультовые пишущие машинки, дисплеи и принтеры с клавиатурами);
8 — оборудование связи (модемы, коммутаторы и т. п.);
9 — устройства подготовки данных (например, ручные перфораторы; к машине непосредственно не подключались).
Модульные уровни ЕС ЭВМ и их входимость, скан из справочника
Центральная часть (процессоры, память, каналы ввода-вывода и системы питания этого оборудования) всех ЕС ЭВМ, а также контроллеры накопителей на дисках и лентах вплоть до середины 1980-х годов размещались в типовых стойках высотой 1600 мм, длиной 1400 мм и шириной 850 мм (стандартизированы в ГОСТ 25122–82, хотя использовались уже с первыми машинами, т. е. с начала 1970-х годов). Обычно стойка процессора визуально отличалась от других по навешанному на её переднюю часть пульту управления. Свои пульты были и у изрядной части другого оборудования, но они почти всегда прятались за дверцами стоек.
Каждая стойка ЕС ЭВМ в общем случае включает три рамы: неподвижную центральную раму B и подвижные рамы A и C, каждая типичным размером 800×1400×200 мм (ширина, высота и глубина соответственно; в конкретной стойке рамы могли иметь слегка различающиеся габариты — вероятно, это зависело от завода-изготовителя). На фото представлена стойка, как утверждается, процессора ЕС-2436, с открытой рамой (на переднем плане — дисководы).
Стойка процессора ЭВМ ЕС-1036, рама C открыта; найдено на просторах Интернета
Рама; скан из справочника
Стойка; скан из справочника
На каждой раме размещается шесть панелей размерами 360×360×200 мм (по две панели в три ряда). В ЕС-1020 и ЕС-1030 использовался самый ранний тип панелей, получивший обозначение «тип А». На такой панели в два ряда может устанавливаться с шагом 15 мм до 40 стандартных печатных плат — так называемых типовых элементов замены (ТЭЗ) типа 1; каждый ряд ТЭЗов нередко именуется полупанелью. Плата панели имеет размер, совпадающий с панелью (360×360), и является двухсторонней; на ней разведены только земля и питание. В ЕС-1050, разрабатывавшейся одновременно с первыми двумя ЭВМ, но имевшей наибольшую из всех машин первой очереди производительность, применялись панели «тип Б» того же размера, но с многослойной платой панели; в этой машине применяются ТЭЗы типа 2. Следующие два типа панелей — В (ЕС-1035, ЕС-1045, ЕС-1060) и Г (ЕС-1036, ЕС-1061) — имеют тот же размер и используются для ТЭЗов типа 3; между собой они отличаются шагом размещения ТЭЗов (15 и 17,5 мм соответственно; общее число ТЭЗов в панели остаётся неизменным — 40 штук). Два последних типа панелей — Д (ЕС-1065) и Е (ЕС-1066) — стали более крупными (размер платы панели 340×450 мм). На них вернулись к шагу ТЭЗов 15 мм, причём на панели типа Е размещалось 58 ТЭЗов (на панели типа Д — 29, но они имели удвоенную высоту).
Чертёж панели типа В; скан из справочника
Каждый ТЭЗ типа 1 (ЕС-1020 и ЕС-1030; вероятно, также ЕС-1022 и, возможно, ЕС-1033) имеет габариты 140×150 мм (высота и ширина соответственно; эти габариты сохраняются и в ТЭЗах типов 2, 3 и 5) и является двухсторонней печатной платой с печатным краевым разъёмом, имеющим 48 контактов с шагом 5 мм (ответная часть, размещаемая на плате панели, представляет собой разъём типа СНП 17; из 48 контактов сигнальными являются 44, а оставшиеся 4 предназначены для подачи земли и питания). На одном ТЭЗе размещается до 24 микросхем в стандартном 14-выводном корпусе. Для подвода цепей земли и питания к микросхемам используются так называемые навесные шины — металлические полоски, расположенные поперёк ТЭЗа у торцов микросхем; к этим шинам припаиваются и фильтрующие конденсаторы. Благодаря использованию навесных шин питания почти вся площадь ТЭЗа свободна для размещения сигнальных линий. Трассировка печатных проводников выполняется с шагом 1,25 мм; переходные отверстия размещаются с шагом 2,5 мм. Типичная рассеиваемая одним ТЭЗом мощность составляет 2–3 Вт.
В качестве иллюстрации на фотографии представлены два разных ТЭЗа от устройства ЕС-5009 — пультового накопителя, предназначенного для загрузки микропрограмм в центральные процессоры ЭВМ ЕС-1035 и ЕС-1036. Хотя он был разработан через пару лет после прекращения производства ЕС-1020, сама технология ТЭЗов типа 1 осталась той же самой; они применялись очень широко не только для ранних процессоров, но и для всех простых периферийных устройств.
ТЭЗы типа 1; найдено в Интернете
ТЭЗ типа 2, использованный в ЕС-1050 и её модифицированном варианте ЕС-1052, имеют разъём типа ГРППМ7 и располагают 90 контактами (82 сигнальных). На них размещаются, главным образом, микросхемы практически забытой ныне 137-й серии — до 72 на одной плате (подробнее о ней будет сказано в статьях, посвящённых этим машинам). ТЭЗ является 9-слойной платой, для разводки сигналов используются 4 слоя. Рассеиваемая мощность одного ТЭЗа — 6–8 Вт.
ТЭЗ типа 3 получил наибольшее распространение — он применяется, в частности, в ЕС-1035, ЕС-1036, ЕС-1045, ЕС-1060. На нём размещается до 60 16-выводных микросхем 500-й серии, перемежаемых резисторными блоками Б20–4 (в ТЭЗах типа 2 использовались дискретные резисторы). Соединение с платой панели обеспечивает разъём типа СНП 34, который может содержать до 135 контактов, в том числе 96 сигнальных. Реальное число контактов зависит от ЭВМ; например, в ЕС-1035, если не изменяет память, было 113 контактов, остальные позиции разъёмов были пустые. ТЭЗ является 8-слойной платой, сигнальных слоёв по-прежнему четыре. Рассеиваемая мощность возросла до 10–12 Вт.
ТЭЗ типа 3 из процессора ЕС-2060; найдено в Интернете
ТЭЗ типа 4 (ЕС-1065) отличается от остальных удвоенной высотой — он имеет габариты 330×150 мм и 12 слоёв (6 сигнальных) и позволяет разместить до 128 микросхем. Для соединения с панелью служат два разъёма СНП 34. На нём в дополнение к резисторным блокам появились конденсаторные типа Б18А. Рассеиваемая мощность достигает 40 Вт. Что примечательно, это единственный тип ТЭЗов, где используется шаг трассировки 0,5 мм вместо традиционного 1,25 мм.
ТЭЗ типа 5 (ЕС-1066) вернулся к традиционному размеру 140×150 мм и в целом подобен ТЭЗам типа 3, хотя на нём размещается на две микросхемы больше. Как и ТЭЗ типа 4, он является 12-слойным, но число сигнальных слоёв возросло до 7. Рассеиваемая мощность, однако, возросла по сравнению с ТЭЗами типа 3 почти вдвое — до 20 Вт. Это объясняется тем, что на машинах с ТЭЗами типа использовались только первые микросхемы 500-й серии — главным образом, логические элементы и отдельные триггеры; на ТЭЗах типов 4 и 5 используется полный, существенно более широкий набор 500-й серии.
Чертёж ТЭЗа типа 5; скан из справочника
Структура слоёв ТЭЗа типа 5; скан из справочника
Легко подсчитать, что при стопроцентном заполнении панелей ТЭЗами, а ТЭЗов — микросхемами на одной раме можно разместить 5760 микросхем. В реальности это число, конечно, меньше: во-первых, кроме микросхем, иногда требуется использовать дискретные компоненты, а во-вторых, стопроцентная заполняемость достигается не всегда. Согласно справочнику, средняя эффективность использования посадочных мест микросхем в ТЭЗах типа 1 составляет 0,75; кроме того, не все места ТЭЗов на панелях заняты, поэтому грубо можно считать, что на одной раме процессора ЕС-1020 было порядка 4000 микросхем, а всего в процессоре — около 9000 (на раме B, как будет видно из дальнейшего, их было немного). Для сравнения: на одной раме процессора ЕС-1066 в тех же габаритах теоретически можно было разместить 21 576 микросхем в 16-выводных корпусах (до 62 микросхем на ТЭЗе типа 5), а коэффициент заполнения составлял 0,8; соответственно, в её процессоре было порядка 50 тысяч микросхем — причём не самых примитивных первых элементов 155-й серии, а зачастую намного более сложных микросхем полной 500-й серии.
Сигнальные связи в пределах панели в ЕС-1020 и многих других машинах выполняются отдельными проводами, накручиваемыми на торчащие наружу контакты (хвостовики) разъёмов; печатная плата панели используется только для подачи земли и питания. Использование печатной платы панели не только для питания, но и для сигнальных соединений формально стало возможно, начиная с ЕС-1050, но целый ряд более поздних машин, например, ЕС-1035, продолжал использовать монтаж накруткой. Возможно, это зависело от завода-изготовителя и от способности качественно производить крупные многослойные платы. Межпанельные и межрамные связи осуществляются витыми парами (сигнальный проводник и земля) или коаксиальными кабелями; позже для этой цели стали использовать также плоские кабели. Для межстоечных связей обычно используются коаксиальные кабели.
Соединение ТЭЗов накруткой; скан из справочника
Элементной базой для ЕС-1020 и создаваемой параллельно в Ереване ЕС-1030 стали первые появившиеся микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) серии 155, на тот момент носившие обозначения К1ЛБ551, К1ЛБ552, К1ЛБ553, К1ЛБ554, К1ЛБ556, К1ЛБ557, К1ЛР551, К1ЛР553 и К1ЛП551 (в 1975-м году была принята новая система обозначений микросхем, используемая до сих пор; в соответствии с ней эти микросхемы стали именоваться К155ЛА1, ЛА2, ЛА3, ЛА4, ЛА6, ЛА7, ЛР1, ЛР3 и ЛД1). Все они представляют собой простые логические элементы (И-НЕ, И-ИЛИ-НЕ и расширитель для И-ИЛИ-НЕ); о том, какие схемотехнические решения использовались для создания их них более сложных стандартных узлов — главным образом, триггеров, регистров и дешифраторов, — я написал в отдельной заметке и далее касаться этого вопроса не буду. О особенностях и применении других серий микросхем будет говориться по мере перехода к описанию соответствующих ЭВМ, здесь же замечу, что микросхемы ТТЛ в ЕС ЭВМ применяются лишь для процессоров машин малой и частично — средней производительности (последняя из них — ЕС-1033); все остальные процессоры построены на микросхемах ЭСЛ. Этим ЕС ЭВМ сильно отличаются от СМ ЭВМ, где, насколько мне известно, очень быстрые, но «горячие» микросхемы ЭСЛ не использовалась вообще, зато наряду с обычной 155-й серией ТТЛ использовался целый ряд подобных серий, включая ТТЛШ (555 и 531-я серии, как минимум).
Помимо перечисленных микросхем, в специальных случаях применяются дискретные компоненты и линии задержки; об их использовании будет говориться по мере необходимости.
Основная часть материалов для этой статьи взята из справочника «Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике», под ред. Б.Н. Файзулаева, Б.В. Тарабрина; М., «Радио и связь», 1986.
