Автоматическая цифровая вычислительная машина [М-1]
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского
Лаборатория Электросистем
Отчет по работе: автоматическая цифровая вычислительная машина [М-1]
Директор Энергетического ин-та АН СССР
академик Г.М. Кржижановский
Руководитель лаборатории Электросистем
Член. корр. АН СССР И.С. Брук
Исполнители работы
Младшие научные сотр. (Т.М. Александриди) (А.Б. Залкинд) (М.А. Карцев) (Н.Я. Матюхин)
Техники: (Л.М. Журкин) (Ю.В. Рогачев) (Р.П. Шидловский)
Аннотация
В отчете дается краткое описание построенной машины и принцип действия отдельных ее устройств
Москва
1951 г. № 1539 15/ХП-51 г. 3 экз.
Введение
Автоматической цифровой вычислительной машиной мы называем устройство, способное автоматически выполнять любую наперед заданную последовательность арифметических и логических операций над числами, представляемыми цифровым кодом, составленным по принятой системе счисления (например, десятичной или двоичной и т. д.).
Обычно АЦВМ может выполнять четыре арифметических действия: сложение, вычитание, умножение, деление.
Количество логических операций в разных АЦВМ различное. В качестве примера логической операции можно привести операцию сравнения, позволяющую сравнивать по величине либо числа, либо их модули, и. в зависимости от результата сравнения выбирать тот или иной путь дальнейших вычислений. Пользуясь многочисленными методами теории приближенных вычислений, можно свести решение большого числа задач, встречающихся при решении научных и технических проблем (например, системы алгебраических уравнений, системы линейных и нелинейных дифференциальных уравнений и т. д.), к такой последовательности простых операций, которая может выполняться АЦВМ.
Особенностями АЦВМ являются:
1) Универсальность применения (в отличие от других автоматических вычислителей, напр., дифференциальных анализаторов, предназначаемых для решения строго определенного класса задач).
В дальнейшем употребляется сокращение «АЦВМ».
2) Получение высокой степени точности вычислений, что основывается на применении цифрового способа представления чисел (в этом отношении АЦВМ сходна с различными счетно-аналитическими машинами, такими как арифмометры, табуляторы и т. д.).
В современных АЦВМ как правило используется двоичная система счисления, цифры которой весьма удобно представляются схемами с двумя различными стабильными состояниями (триггеры, реле и т. п.).
Одно из состояний принимается как изображение цифры «О», второе — цифры «1». В разработанной АЦВМ принята двоичная система счисления.
П. Блок-схема АЦВМ
Разработанная АЦВМ состоит из четырех основных узлов: 1) Арифметический узел (АУ), в котором выполняются основные арифметические действия над числами. АУ состоит из так называемых регистров, хранящих числа, над которыми в данный момент производятся действия, и из местного программного датчика (МПД).
МПД подает в регистры серии импульсов, необходимых для совершения того или другого арифметического действия.
2) Запоминающее устройство (ЗУ), которое в дальнейшем будем кратко называть памятью. ЗУ предназначено для хранения исходных данных, промежуточных результатов, используемых в дальнейших вычислениях, а также и окончательных результатов. В ЗУ хранятся также в зашифрованном виде указания о порядке совершения действий, необходимые для решения конкретной задачи. Эти указания запоминаются в виде так называемых инструкций, имеющих форму обычных двоичных чисел.
ЗУ состоит из медленно действующей магнитной памяти (МП), запоминание в которой основано на сохранении ферромагнитным слоем остаточного магнетизма, и из быстродействующей электростатической памяти, запоминание в которой основано на сохранении на диэлектрической пластинке ранее нанесенного распределения электрических зарядов.
3) Главный программный датчик (ГПД), осуществляющий выбор чисел и операций, которые производятся над ними в соответствии с получаемыми из ЗУ инструкциями.
Набор инструкций, необходимых для решения задачи, называется программой.
По выполнении программы или части ее ГПД осуществляет вывод нужных результатов.
4) Устройство ввода и вывода данных (УВВ) предназначено для заполнения ЗУ исходными данными и программой и для печатания результатов вычислений. УВВ состоит из стандартной телеграфной буквопечатающей аппаратуры.
Технические данные АЦВМ
Основными техническими данными, определяющими быстродействие и универсальность АЦВМ, является скорость выполнения арифметических действий, объем чисел, который может хранить ЗУ, и максимальное число разрядов числа, над которым производятся действия.
АЦВМ выполняет сложение за время в 50 млсек, умножение в 2000 млсек.
АЦВМ совершает действия над 25-разрядными двоичными числами, что в десятичной системе соответствует точности вычислений до седьмого знака.
ЗУ может хранить 512 25-разрядных двоичных чисел.
(В настоящее время в макете используется магнитный барабан, на котором запоминается 128 чис.).
Описание основных узлов
III. Арифметический узел
III-1. Представление чисел
Арифметический узел предназначен для выполнения четырех арифметических действий: сложения, вычитания, умножения, деления.
Числа, над которыми производятся действия, представляются в двоичной системе. Каждая цифра двоичного числа выражается одним из состояний соответствующей тригтерной схемы.
Объем числа составляет 24 двоичных разряда, т. е. число представлено в виде цепочки из 24-х триггеров, которую в дальнейшем мы будем называть регистром. Принята система представления чисел в виде модуля и знака. Т. е. в регистре хранится модуль числа, и, кроме того, в него введен 25-й триггер, одно из положений которого соответствует знаку (+), другое — знаку (-).
Для удобства вычислений принято, что наивысший разряд числа соответствует 2–1, т. е. вычисления производятся над дробными числами.
Такое допущение не сужает диапазон решаемых задач, так как при использовании чисел, превышающих по модулю единицу, они могут быть приведены к дроби нужной величины путем соответствующего изменения масштабов исходных данных и результатов.
Иногда может возникнуть необходимость изменения масштаба в процессе решения задачи. Такая возможность также имеется, так как при получении в процессе вычислений чисел, превышающих по модулю единицу, АЦВМ автоматически останавливается на том этапе, где получено это число.
Выбор дробной системы удобен тем, что при умножении двух чисел произведение может только уменьшиться. Поэтому при умножении не может получаться число, превышающее по модулю единицу. Число, модуль которого больше единицы, может теперь получаться в некоторых случаях деления, но деление встречается в вычислениях гораздо реже, чем умножение. Кроме деления такое число может, очевидно, получаться при сложении и вычитании. III-2. Выполнение действий
При использовании цифровых методов вычислений оказывается, что для выполнения всех четырех арифметических действий необходимо и достаточно, чтобы в АУ могла осуществляться только одна основная операция — сложение и некоторые вспомогательные действия. В двоичной системе эти действия, так же как и сложение, выполняются наиболее просто и представляют:
1. Сдвиг модуля числа в сторону высших или низших разрядов («влево» или «вправо»); 2. Взятие дополнения от модуля числа, состоящее в замене всех цифр числа на обратные им («О» на «1» или «1» на «О»).
Легко видно, что сдвиг числа влево или вправо соответствует умножению или делению его на 2.
Дополнение Р числа А есть число, связанное с исходным числом А-соотношением Р — 1-2-24 — А Вычитание производится как сложение уменьшаемого с дополнением вычитаемого.
Умножение, очевидно, выполняется в виде последовательных сложений и сдвигов, т. е. точно так же, как при обычном умножении «столбиком».
Применение двоичной системы упрощает таблицу умножения, которая имеет вид:
0x0=0 0x1=0 1x1=1
Деление производится последовательным вычитанием и сдвигом.
Ш-3. Блок-схема АУ (далее даются лишь названия разделов. — Прим. авт.) Ш-4. Местный программный датчик (МПД). IY. Магнитное запоминающее устройство. IV-1. Назначение магнитной памяти (МП). IY-2. Описание работы блок-схемы МП. Y. Электростатическое запоминающее устройство (память). YI. Главный программный датчик (ГПД). YI-1. Введение YI-2. Назначение ГПД. YI-3. Блок-схема ГПД и цикл работы АЦВМ. YI-4. Блоки, входящие в ГПД. а) Генератор тактирующих импульсов (лист «ГПД-ГТИ») б) Блок пуска и синхронизации (лист «ГПД-ПС») в) Распределитель импульсов (лист «ГПД-РИ») г) Блок формирования импульсов (лист «ГПД-ФИ») д) Регистр адреса (лист «ПТД-РА») е) Пусковой регистр (лист «ГПД-ПР») ж) Селекционный регистр (лист «ГПД-РС») з) Регистр сравнения (лист «ГПД-РС») и) Блок операций и шифра (лист «ГПД-ОШ») к) Клапанный блок (лист «ГПД-РС») л) Блок выбора памяти (лист «ГПД-ВШ») Блок операции сравнения (лист «ГПД-ОС») YII. Устройство ввода и вывода (УВВ) YII-1. Назначение. YII-2. Описание блок-схемы. а) Операция «ввода». б) Операция «вывод».
Конструкция и источники питания АЦВМ
Конструктивно АЦВМ выполнена в виде трех стоек, расположенных по бокам прямоугольной вентиляционной колонны. На стойках расположены соответственно главный программный датчик, арифметический узел и запоминающее устройство. Временно для удобства работы блок электронной памяти перенесен на четвертую стойку.
Вентиляционная колонна имеет отверстия для обдува блоков. Обдув необходим ввиду большой мощности, потребляемой стойками.
Телетайп и трансмиттер расположены на отдельном столе и при помощи разъемных кабелей соединяются со стойками. Фотографии стоек приведены на рис. 6 и 7. Монтаж всех схем осуществлялся на стандартных панелях двух типов (двадцати двух и десятиламповые панели).
Полное число ламп (баллонов) в АЦВМ — 730. По узлам они распределяются следующим образом:
1. Арифметический узел — 330 ламп 2. Магнитная память — 120 ламп 3. Электронная память — 80 ламп 4. Главный программный датчик и устройство для ввода и вывода — 200 ламп
Питание АЦВМ осуществляется от 4-машинного агрегата постоянного тока, дающего основные уровни напряжений (считая от потенциала земли): -170, +140, +240 и +300 в.
Остальные уровни снимаются с мощных потенциометров. Исключение составляют только блоки электронной памяти и некоторые узлы магнитной памяти, питающиеся от электронных стабилизаторов напряжения. Накал ламп производится переменным током.
