ПЭВМ АГАТ: Наука и Жизнь 10/84

Довольно оригинально созданная статья: рассказ об устройстве компьютера чередуется с отзывами о нём разработчиков. Автор статьи изучал опытный Агат. На рисунке видно ранний тип корпуса, и несерийное расположением блоков в нём. В тексте явно о секционированном процессоре.

Р. СВОРЕНЬ, специальный корреспондент журнала "Наука и жизнь". Группа сайта просит вас связаться с нами! (ЗАЧЕМ ЭТО?)

Когда мы прибыли на место, в институт, где должны были увидеть "Агат", то выяснилось, что вся команда, разрабатывавшая его электронные схемы, работает здесь же и есть возможность не только потрогать машину, не только просмотреть красивые проспекты, которые обычно готовят для международных выставок и высокого начальства, но ещё и получить информацию об "Агате" от самих его разработчиков, из первых рук. Большинству читателей нужно, видимо, сообщить, что "Агат" - это одна из многих отечественных микроЭВМ и в то же время первая наша машина, которую без оговорок можно отнести к классу персональных компьютеров (персональных ЭВМ) или сокращённо ПК (ПЭВМ).

Всю малогабаритную вычислительную технику до недавнего времени делили на миниЭВМ и микроЭВМ, машины, как правило, совершенно разные, и по назначению, и по возможностям. Появившиеся несколько лет назад персональные компьютеры внешне похожи на некоторые микроЭВМ, однако по существу отличаются от всех малых машин настолько, что даже в спокойных и сдержанных технических журналах их появление было отмечено такими, например, эмоциональными всплесками: "Феномен ПК", "Новый этап информационной технологии" и даже "Массовый психоз приобщения к ПК".

Что даёт основания для столь сильных оценок? Специалисты объясняют все чётко и обстоятельно, но можно рискнуть и пересказать суть дела в двух словах: персональные компьютеры могут постепенно и бескровно приобщить к современной вычислительной технике огромные массы людей, открыть им великолепный инструмент, имя которому ЭВМ. Слово "постепенно" в данном случае означает, что начинающим пользователям персональных ЭВМ не нужно особо сильно напрягаться, бросать свою основную профессию и переучиваться на программистов. Более того - начать работу с персональным компьютером, получить от него первую помощь может человек, не имеющий вообще никакой компьютерной подготовки. То, что всё это действительно так, надёжно подтверждается спросом на персональные компьютеры - в мире их уже выпущено и продано несколько миллионов, спрос растёт, причём очень часто машины покупаются не за казённый счёт, не "по перечислению", а за свои собственные деньги, за наличные.

В связи с планируемым серийным выпуском "Агата" журнал ещё не раз будет обращаться к теме персональных компьютеров. А сейчас в качестве первого знакомства коротко (точнее, очень коротко) об устройстве этого ПК. Говорят, что пользователю знать устройство ЭВМ совсем не обязательно, подобно тому, как машине не нужно знать устройство человека. Но уместно ли такое сравнение? Человеку, во-первых, хочется знать (на то он и человек), а во-вторых, нужно знать, конечно, в общих чертах, компьютер, с которым он работает: это поможет снять чувство неуверенности, повысит коэффициент раскованности в общении с машиной.

Чтобы наше описание "Агата" не показалось утомительным, автор позволит себе прерывать его извлечёнными из записной книжки фрагментами бесед с людьми, уже знающими ПК. Всем им для начала предлагался один и тот же вопрос: "Нужен ли вам персональный компьютер?"

- Персонально мне? Нет, не нужен. Эта вычислительная машина - велосипед, а уже есть ЭВМ автомобили и самолёты. Мне же лично нужна ракета.
- Ну а другим инженерам вашего КБ?
- Это совсем иное дело: вам нужно отредактировать свой вопрос. Есть масса специалистов, которым ПК позволит работать за двоих, а то и за троих. При этом работать лучше и легче. Думаю, что в стране несколько миллионов потенциальных пользователей ПК, имею в виду тех, кому машина нужна для дела, а не для фасона.

Как ни старайся уйти от деталей и сжать рассказ об устройстве ЭВМ, начинать приходится с того, что вся электроника машины работает в двоичном коде. Или скажем иначе: машине удобно использовать только два вида знаков - электрический импульс и паузу, как их называют 1 и 0. При этом все сотни тысяч или миллионы элементов машины работают в простом и чётком ключевом режиме: "пропускаю ток - не пропускаю", "зарядился - разрядился", "включено - выключено", и всё это может иметь только одно толкование - единица или нуль. Правда, двоичный код влечёт за собой некоторую громоздкость записей - вместо 2 приходится писать 10, вместо 5 - 101, вместо 55 - 110111. Но это громоздкость, принятая, как говорят врачи, по жизненным показаниям, - гигантские схемы современных ЭВМ могут быть надёжными, работая только в двоичном коде.

Двоичным кодом выражаются также буквы и иные знаки. В "Агате", например, 74 клавиши, на большинстве два обозначения, например, русская и латинская буквы (переход с одного значения на другое, как и в пишущей машинке, осуществляется нажатием клавиши <Регистр>, есть также переключение больших и малых букв), а всего с клавиатуры может вводиться в машину 192 знака. Каждый из них имеет свой код - свою комбинацию из восьми импульсов-пауз. Легко посчитать, что таких комбинаций может быть 2⁸ = 256, то есть ещё есть резерв на 64 кода - резерв конструктора и программиста. Напомним, что один знак в двоичном коде, один импульс или пауза - это наименьшая единица информации, один бит. Ну а 8 бит - узаконенная более крупная единица, байт. Если для передачи буквы тратить 1 байт, то для передачи страницы машинописного текста понадобится около 1800 байт, или примерно 1,8 килобайт, сокращённо 1,8 кбайт (точно 1 кбайт = 2¹⁰бит = 1024 бит). На этой журнальной странице примерно около 6 кбайт; во всём номере журнала (если бы он был без картинок, с одним текстом) почти 1000 кбайт, или иначе почти 1 мегабайт, сокращённо Мбайт; в тридцати томах Большой Советской Энциклопедии - примерно 300 Мбайт. К единицам измерения информации хорошо было бы постепенно привыкнуть, как мы привыкли к метрам или килограммам и без пояснений чувствуем, что такое 0,5 м или 20 кг.

- Я уже года два работаю на ПК, с удовольствием купил бы такую машину себе домой. Интересно, сколько она будет стоить?
- Где-то между стоимостью цветного телевизора и автомобиля...
- Если будет цена телевизора или даже двух - куплю, если автомобиля - пока воздержусь.

"Агат" построен на основе восьмиразрядного микропроцессора, это, в частности, значит, что цифры, буквы, команды живут в машине в виде восьмибитовых слов, они передаются по восьми параллельным линиям - по каждой линии-проводу идёт импульс или пауза передаваемой восьмёрки. Все восемь бит одновременно обрабатываются, имеют общий адрес, по которому их, опять-таки одновременно, записывают в память или извлекают из неё.

Появление в нашем рассказе слов "процессор", "адрес", "память" напоминает, что уже пора назвать с суперкороткими пояснениями важнейшие узлы "Агата".

Тактовый генератор. Это метроном, отбивающий такт, синхронизирующий все процессы в ЭВМ и к тому же главный поставщик сырья для изготовления двоичных чисел, команд, адресов: генератор даёт нескончаемые серии импульсов, любой из них можно развести по восьми каналам, в некоторых каналах прервать ток, погасить импульс и создать паузу. Так получают необходимую комбинацию из импульсов и пауз, например, при нажатии клавиши А - рождается 11001001, клавиши Б - 10000101, В - 00100101 и так далее. В "Агате" частота тактового генератора 2 МГц (мегагерц), то есть в секунду выстреливается 2 миллиона импульсов. В этой цифре в какой-то мере отражено быстродействие машины - операцию средней сложности она выполняет за 6 тактов, то есть выполняет примерно 300 тысяч таких операций в секунду.

Арифметико-логическое устройство, АЛУ. Именно здесь и проводится обработка байтов (восьмибитовых сигналов), здесь, в АЛУ, их можно складывать, вычитать, умножать и т.д. Можно проводить такие важные для компьютера операции, как сравнение байтов - если, например, 10011011-10011011=0, то эти байты равны. А когда машина умеет сравнивать, то она сама (именно сама, автоматически!), работая циклами ("Сравнить, если А>В, начать сначала...") и перемалывая тонны цифр и знаков, может не просто вычислять, а искать наивыгоднейшие формы металлоконструкций, маршруты перевозок или дозировку лекарств.

- Я пока прекрасно обхожусь ежедневником и записной книжкой.
- А если нужно решить какую-нибудь сложную производственную задачу?
- Шевелю мозгами и умножаю на бумажке столбиком. Вполне хватает.

Постоянное запоминающее устройство, ПЗУ. Его "вечные" (созданные при изготовлении машины) электрические соединения определяют порядок операций, заданных машине раз и навсегда, например, а⁵ = а а а а а или sinx = x - x³/3 + x⁵/5 - x⁷/7 + x⁹/9... Ёмкость ПЗУ "Агата" - 32 килобайта, то есть инструкции, которые он запомнил, заняли бы 20 машинописных страниц. И вот ещё что - "вечные" записи в ПЗУ в принципе можно менять, ориентируя "Агат" на определённый класс проблем.

Оперативное запоминающее устройство, ОЗУ. Сюда байты попадают на время, например, при вводе информации, с тем чтобы из ОЗУ в нужный момент отправиться на обработку в АЛУ. В ОЗУ (его ещё называют запоминающим устройством с произвольной выборкой - ЗУПВ) попадают результаты промежуточных вычислений и команды, которые в нужном порядке пойдут в АЛУ и включат его на нужный режим, например, на сложение чисел. Каждый конкретный байт имеет свой ярлык, свой адрес. А как же иначе? Только по точному ярлыку, по точному адресу можно найти и вызвать конкретную букву или число, данную конкретную команду - чтобы взять именно то, что хочешь, надо точно знать, куда положил. А поскольку в ОЗУ должны одновременно храниться тысячи байтов и у всех у них, естественно, должны быть разные адреса, то адрес, как правило, получается длиннее самого информационного байта. Так, в "Агате" сам информационный сигнал - это 8 бит, а адрес - 16 бит, по 16 параллельным линиям он сопровождает свой информационный байт. Шестнадцатибитовая комбинация позволяет иметь 2¹⁶ - 65536 разных адресов, то есть разместить в ОЗУ 65536 информационных байтов, 64 килобайта. В "Агате" ОЗУ собрано на одной плате и, устанавливая дополнительные платы - а это предусмотрено, - можно поднять ёмкость ОЗУ (она в сильной степени определяет возможности машин в решении сложных задач) до 128 и 256 килобайт.

- А почему вы не спрашиваете, нужны ли строителю экскаватор или столяру пила? Персональный компьютер - это инструмент, он берёт на себя массу тяжкой, рутинной работы. Вы внесли в таблицу одно изменение, а ПК с учётом этого мгновенно пересчитал все данные в других столбцах. Вы сменили номер рисунка, а ПК сразу же сдвинул всю последующую нумерацию. Но это всё мелочи - ПК позволит инженеру, агроному, хозяйственнику быть точным там, где сегодня ещё прикидывают на глазок, и поэтому многое теряют.
- Но для этого нужно программировать...
- Ну и что? Немножко программировать должен каждый, и это не так уж сложно. Не сложнее, чем выучить небольшой набор слов и фраз на иностранном языке. Мы обязательно придём к всеобщей компьютерной грамотности, именно в этом, думаю, будет главная миссия ПК.

Трудно удержаться, чтобы не упомянуть две интересные детали. В ЭВМ можно встретить разные виды памяти, в ОЗУ это, как правило, быстродействующая память на электронных приборах. Типичным элементом для запоминания одного бита много десятилетий был триггер - схема на двух взаимосвязанных электронных лампах, а позднее на двух транзисторах: если ток идёт в первом транзисторе (или лампе), значит, триггер запомнил 1, если ток во втором транзисторе - запомнился 0. В ОЗУ "Агата" тоже транзисторная память, но на каждый бит "тратится" уже не два транзистора, а один. Это ключ, через который заряжают или разряжают конденсатор - в первом случае записывают 1, во втором - 0. Конденсатор, как известно, постепенно разряжается, и чтобы в ОЗУ не развился склероз, всем заряженным конденсаторам 200 раз в секунду добавляется порция энергии - происходит восстановление информации. И это усложнение оказывается выгодным, так как экономит десятки тысяч транзисторов.

- Нужна ли нашему отделу персональная вычислительная машина? Это не тот вопрос. Спросите лучше, нужны ли ей мы со своей неорганизованностью, расхлябанностью, нечёткостью?
- Но машина дисциплинирует, подтягивает.
- Ничего не выйдет. Машина подсчитает одно, а директор прикажет другое...

Второе, что хотелось бы сказать, завершая знакомство с ОЗУ, связано с личными воспоминаниями о не столь уж далёких временах. Лет тридцать тому назад ламповое ОЗУ на 64 килобайта занимало бы несколько больших шкафов, 128 тысяч электронных ламп (в триггере - две лампы) энергию потребляли бы сотнями киловатт и каждые несколько часов какая-нибудь лампа выходила бы из строя. Потом лампы заменил транзистор, аппаратура стала значительно компактней, экономичней и надёжней, транзисторная память на 64 кбайта уже, пожалуй, могла бы разместиться в тумбах письменного стола. И вот теперь - оперативная память "Агата", 32 чёрных прямоугольника размером с почтовую марку, каждый соединился с печатным монтажом платы большим числом ножек-выводов, чем-то напоминая сороконожку. Это интегральная схема К565РУ6, запрессованный в пластмассу кремниевый кристалл (см. "Наука и жизнь" N10, 1976 г.), внутри которого создано 16 тысяч запоминающих конденсаторов, каждый с транзисторным ключом. Проще говоря, каждая микросхема имеет 16 тысяч отдельных "ящиков" для хранения одного бита, а 32 микросхемы (в комплектах по 8 штук), работая одновременно, запоминают 65536 восьмибитовых комбинаций, то есть 64 килобайта. И не просто запоминают. На восьмёрку микросхем одновременно подаётся адрес данного байта, по этому адресу байт попадает в строго определённые элементы памяти, откуда его легко достать, сообщив микросхемам тот же адрес. Всё это происходит внутри микросхем. Всего в "Агате" 86 микросхем, их эквивалент - миллионы транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и других элементов.

Что ни говори, а людям старшего поколения, заставшим эпоху ламповой электроники, трудно привыкнуть к фантастической компактности интегральных схем, встречи с ними, скажу прямо, всегда волнуют, заставляют о многом задумываться.

- Любой, кто поработал с ПК, скажет вам: через десять - двадцать лет эти машины будут на рабочем месте каждого специалиста, а у многих и дома. У нас так много дел и часто очень сложных, иметь такого помощника, как ПК, - просто счастье.
- Но многим понадобятся большие машины...
- Скорее сети ЭВМ, чтобы я по телефонному кабелю мог подключиться к большому банку данных, например, заглянуть в книги большой библиотеки. Или подключиться к большой машине для решения сложных задач.

Устройство управления. Это дирижёр, который строго в соответствии с партитурой, с программой, записанной в ПЗУ и ОЗУ, управляет работой всей машины - даёт указания направить тот или иной байт в память, в нужный момент извлечь его оттуда, направить в АЛУ, переключить АЛУ для проведения определённой операции, записать в ОЗУ промежуточный результат, завершить вычисления, запросить из ОЗУ результат, направить его для отображения на дисплей и т.д.

Процессор. Названные узлы -- АЛУ, небольшая "для служебных целей" оперативная память и устройство управления - образуют основу ЭВМ, её процессор. В "Агате" микропроцессор, как уже говорилось, восьмиразрядный и реализован в виде трёх интегральных схем - одной К588 ВС2 и двух К588 ВУ2. Электронная промышленность выпускает и однокристальные микропроцессоры - в одной интегральной схеме практически целая ЭВМ.

Коммутаторы и дешифраторы. Это главные работники компьютера, в машинах их тысячи, и делают они всё то, что скрыто за словами "записать в память", "запросить по заданному адресу", "изменить режим АЛУ" и т.д. Дешифратор - это несложное транзисторное устройство (в интегральной схеме всё оно умещается в микроскопическом участке кристалла), которое распознает комбинации нулей и управляет транзисторным коммутатором-переключателем. Если, например, придёт команда 10110110 - включится одна схема, если 10110111 - другая; разбираясь в адресах, дешифраторы с коммутаторами могут подключаться к разным хранилищам ОЗУ, извлекая из них только те байты, которые заданы адресом.

- Я, признаться, начал с игровых программ, целыми вечерами гонял по экрану красных и синих футболистов за жёлтым мячом. Благодаря играм привык к машине. Уже имею неплохую библиотеку магнитных дисков с деловыми программами.
- Больше не играете?
- Играю, и ещё как! Я экономист, вся моя деятельность - игра с хаосом. Выигрываю для предприятия деньги, фонды. Официально это называется повышением эффективности производства.

Накопитель на гибких магнитных дисках, НГМД. Разработав какую-либо программу, не нужно каждый раз вводить её в "Агат", нажимая клавиши, программу записывают на гибком пластиковом диске с тонким ферромагнитным слоем, как у магнитофонной ленты. По команде машина считает информацию с диска и запишет её в ОЗУ. Во внешней магнитной памяти можно хранить в большом объёме справочную информацию - на диске диаметром 133 мм записано как минимум около 125 кбайт (шахматная программа "средней квалификации" занимает 10 кбайт), запись ведётся по кольцеобразным дорожкам. Шаговый двигатель точно смещает считывающую магнитную головку с дорожки на дорожку, и можно, не просматривая всей записи, сразу попасть в нужный массив информации. Управляет работой накопителя электронный автомат, его скромно называют контроллером. Кстати, внешней памятью для "Агата" может служить и обычный магнитофон.

- Все только и говорят о персональных компьютерах, можно подумать, что это какая-то вершина вычислительной техники. А ведь наша промышленность выпускает целые семейства прекрасных машин - больших, средних и малых. Не за горами сверхбольшие машины. У создателей ЭВМ давние традиции и очень интересные планы.
- И в них отдельная строка для ПК...
- Для промышленности это одна из многих строк в планах.

Устройство отображения информации, дисплей. Его роль может исполнять цветной телевизор, существует приставка, позволяющая вводить сигнал в телевизор прямо в гнездо "Антенна". Но буквы и картинки получаются более чёткими, если использовать специальный дисплейный блок (в габаритах того же телевизора). Чтобы писать или рисовать на экране, нужно достаточно сложное управление электронными лучами, делает это контроллер дисплея. На экране размещается 32 строки текста; цифры, рисунки могут появляться в 8 или 16 цветах. Картинка может иметь 256х256 элементов, чёткость не на много хуже, чем на газетной фотографии.

Печатающее устройство, принтер. Печатающий элемент - управляемые электромагнитами иголочки (см. "Наука и жизнь", N10, 1980 г.), различные их комбинации формируют нужную букву или цифру. Системой управляет контроллер принтера.

- Детей к ПК надо приучать, школьников. Я в свои 57 лет научился программировать на языке Бейсик за неделю, детям все даётся легче и быстрее.
- Но не сделает ли компьютер детей сухими, слишком расчётливыми?
- Если нас телевизор не сломил, то компьютера бояться нечего. Он в личную жизнь не вторгается, голубое небо не перекрашивает и запах полыни не забивает. А работать действительно надо чётко, расчётливо.

Нынешний "Агат" (конструкция машины предусматривает её совершенствование, установку новых плат) скорее всего будет массовым нашим персональным компьютером, но наверняка не единственным. Уже создаются ПК, в которых, например, будет 16- и даже 32-разрядный микропроцессор, то есть информация за каждый такт будет обрабатываться большими порциями. И к тому же эта обработка будет идти быстрее - высокое быстродействие элементов в микросхемах позволит поднять частоту тактового генератора до 5-10 мегагерц. Всё это обеспечит машине важные достоинства, она, в частности, будет активнее, быстрее общаться с пользователем.

- Персональный компьютер - хороший секретарь, большой микрокалькулятор, записная книжка, педагог, картотека, шахматный партнёр, редактор. Но главное не в этом.
- А в чём?
- Главное в том, что человек, работающий с компьютером, - это совсем другой человек. Другой по стилю, по характеру мышления, по самому подходу к тем задачам, которые он решает. И в итоге по умению обозначить проблему и найти правильное решение. Это касается всех: врачей, экономистов, строителей, транспортников, педагогов. Одним словом, всех.

И вот здесь мы подошли к самой интересной особенности ПК, к тому, с чего и начали. Читатель, мало-мальски знакомый с устройством ЭВМ, прочитав наш микрорассказ об "Агате", скорее всего удивится - все названные узлы есть и в других вычислительных машинах. В чём же тогда состоит "феномен ПК"? Он скорее всего в совершенно новой технологии общения пользователя и ЭВМ. Когда-то это делалось так - программист скрупулёзно выписывал машине все предписания, из какой ячейки памяти взять число, какой код команды задействовать, в какую ячейку направить результат и т.д. Потом появились языки программирования, более простые, компактные и логичные способы описания инструкций для машины, их перевод на язык, понятный машине ("из такой-то ячейки взять"... "такую-то команду включить"), поручили программе, зашитой в ПЗУ, - транслятору.

А теперь технология взаимодействия с персональным компьютером: простыми словами, в некоторых языках программирования (Бейсик, Паскаль и др.) английскими, в других (Рапира, Робик и др.) - русскими, вы, человек, только что освоивший клавиатуру, сообщаете машине задание, а она выписывает на экране дисплея набор возможных ваших действий или отмечает вашу ошибку. Вы даёте следующее указание или делаете запрос, машина вновь вам отвечает и в диалоговом режиме, при высоком, как говорят специалисты, уровне интерактивности, или, проще, взаимодействия, вы общаетесь с машиной, решаете нужную вам задачу или извлекаете нужную вам конкретную информацию. Именно поэтому пишут о дружественном программировании в персональном компьютере и считают ПК наиболее удобным информационно-вычислительным устройством для "непрограммирующих специалистов".

Рис. Ю.Чеснокова. Группа сайта просит вас связаться с нами! (ЗАЧЕМ ЭТО?)

* * *

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

Наука и Жизнь 10/84. Нужен ли персонально Вам персональный компьютер?

* * *