Вычислительная техника в МИНЭЛЕКТРОНПРОМЕ СССР

Архитектура микропроцессора

В первых зеленоградских микропроцессорах получила дальнейшее развитие отработанная на мини-ЭВМ и минисистемах архитектура НЦ, адаптированная к специфике микропроцессоров.

Главный принцип архитектуры был сформирован как «три М» (или МММ) – Модульность-Микропрограммность-Магистральность:

• Одним из основных постулатов проекта было стремление создать универсальный комплект БИС, на основе которого можно было бы проектировать ЭВМ с максимально широким спектром параметров: разрядности данных, архитектур, функциональных возможностей, производительности и т.п. Поэтому была выбрана секционная, модульная структура БИС комплекта. Каждый модуль должен был максимально использовать возможности микроэлектронной технологии того времени. Модульность – это первое «М».

• Комплект микропроцессорных БИС должен обеспечивать возможность реализации различных систем команд, что определило выбор микропрограммного управления. Микропрограммность – это второе «М»,

• Создание на основе комплекта БИС ЭВМ различной сложности должно обеспечиваться путём простого комплексирования стандартных асинхронных модулей (БИС) без применения дополнительных элементов, что возможно только при магистральной структуре. Магистральность – это третье «М».

Сейчас это представляется тривиально простым решением, но тогда это было новое слово в микроэлектронике.

В рамках проекта разрабатывались не только микропроцессорные БИС, но и вся совокупность средств для их создания. Проектирование велось на наивысшем для того времени уровне. Фактически были заложены основы Систем автоматизированного проектирования БИС (САПР БИС) на ЭВМ. В отчёте по НИР «Юз-1» этого термина ещё нет: тогда его ещё не придумали.

Создание и применение зачатков САПР для проектирования микропроцессоров позволили значительно сократить сроки и стоимость разработки и повысить качество проекта за счёт значительного снижения вероятности ошибок.

Были разработаны, отлажены и использованы многочисленные пакеты программ, например:

• Логического и схемотехнического проектирования,

• Логического моделирования каждой БИС в отдельности и их взаимодействия,

• Генерации контролирующих тестов,

• Библиотеки базовых элементов (транзисторов, диодов и т.п.) с конструктивно-технологическими ограничениями,

• Прорисовки топологии и корректировки принципиальной схемы,

• Разработки микропрограмм (язык написания микропрограмм, программы минимизации булевых функций, моделирования и т.п.),

• Программы изготовления перфолент для изготовления фотошаблонов

и ряд других программных пакетов.

Однако наиболее трудоёмкая операция – топологическое проектирование выполнялось тогда ещё вручную.

В ходе выполнения разработки складывался творческий коллектив единомышленников, проработавший впоследствии многие годы.

Рабочая группа

Руководство НЦ также живо интересовалось проблемой создания отечественных микропроцессоров. Когда идеология создания микропроцессорных БИС была определена, проработана архитектура и схемотехника БИС, проведено их моделирование и выполнено множество других работ, наступил момент, требующий подключения топологов, технологов, разработчиков контрольно-измерительного и технологического оборудования и т.п. С этой целью руководством НЦ в 1974 г. была создана рабочая группа из ведущих специалистов предприятий Зеленограда, которая подключилась к работам, выполняемым в СВЦ. В состав группы входили:

• Председатель – заместитель по науке – главный инженер НЦ А.А. Васенков;

• От СВЦ – П.В. Нестеров, Ю.Е. Чичерин, В.Л. Дшхунян, Н.М. Воробьёв, В.А. Меркулов, Б.М. Малашевич, Ю.М. Петров;

• От НИИТТ – В.С. Баранов, Э.Е. Иванов, Е.И. Кузнецов, Г.В. Колобков, Л.К. Минкин, Л.М. Можаров, Ю.А. Платонов, В.И. Рыженков, В.О. Филиппенко;

• От НИИ МЭ – В.Я. Контарёв, В.М. Гусаков, А.И. Березенко, В.В. Трушин, Б.В. Орлов;

• От НИИ ТМ – Л.А. Богородицкий, Л.М. Попель;

• От ДНЦ – Ю.В. Терехов, В.П. Козидубов, В.А. Кундин, В.И. Трифонов.

Рабочая группа еженедельно собиралась под председательством А.А. Васенкова и решала все возникающие проблемы.

Как только рабочая группа окончательно определилась с основами архитектуры микропроцессоров, приказом НЦ от 6.9. 1974 г., № 656 была открыта комплексная ОКР «Микропроцессор» (ГК А.А. Васенков) по схемотехническому, технологическому и конструктивному проектированию первого асинхронного микропроцессорного комплекта на основе высокопороговой КМОП технологии, а также микро-ЭВМ на его основе. Была определена специализация предприятий и сроки изготовления опытных образцов:

• СВЦ (зам. ГК Д.И. Юдицкий):

; по разработке архитектуры, структуры, математического обеспечения микро- и мини-ЭВМ и схемотехнической разработке БИС АЛУ и ПЛМ – август 1975 г.,

; по разработке и изготовлению двух образцов микро-ЭВМ на основе БИС АЛУ, ПЛМ и ОЗУ – май 1975 г.

• НИИТТ (зам. ГК А.К. Катман):

; по разработке БИС АЛУ (арифметическо-логического устройства) – май 1975 г.,

• НИИМЭ (зам. ГК А.Р. Назарьян):

; БИС ПЛМ (программируемой логической матрицы) – май 1975 г.,

; БИС ОЗУ 256 бит – май 1975 г.,

; БИС ПЗУ 1024 бит – декабрь 1975 г.

ОКР была объявлена особо важной, оплата труда – аккордной.

В июне 1975 г. НИР «Юз-1» была успешно завершена. Была разработана базовая архитектура универсального асинхронного секционного микропроцессорного комплекта. В ней на новом технологическом уровне были реализованы многие решения, апробированные на предыдущих разработках СВЦ. ППЗУ накопителя микрокоманд трансформировалось в БИС управляющей памяти и т.п.

В отчёте НИР «Юз-1» приведены варианты реализации устройств различных ЭВМ на основе разработанных БИС:

• 4 варианта арифметико-логических устройств, в т.ч.: 4- и 4n-разрядного, с плавающей запятой, с ускоренным умножением и делением и др.,

• 6 вариантов устройств микропрограммного управления ЭВМ,

• 6 вариантов микропроцессоров разной разрядности и вычислительной мощности,

• 3 варианта устройств ввода/вывода.

И это только малая часть того, что было реально сделано.

Работы по комплексной ОКР «Микропроцессор» выполнялись предприятиями НЦ быстрыми темпами. Однако вскоре НИИМЭ вышел из этой кооперации. Как вспоминает А.А. Васенков: «К.А. Валиев (директор НИИМЭ) по ряду причин, в том числе и в связи с перегруженностью НИИМЭ заданиями по ТТЛ и ЭСЛ программам для ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ и «Эльбрусу», решил, что тематикой КМОП на этом этапе заниматься нецелесообразно и работы по ней прекратил». В результате окончательно сформировалась сохранявшаяся в советский период специализация зеленоградских предприятий: НИИМЭ занималась биполярными технологиями (ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ), а НИИТТ – униполярными (N–МОП, КМОП). Это решение руководством НЦ и МЭП было одобрено и разработку БИС ПЛМ и ЗУ передали в НИИТТ, в котором теперь сконцентрировались все БИС микропроцессорного комплекта. На момент регистрации БИС в ЦКБ "Дейтон", для обозначения микропроцессоров в классификаторе ещё не было соответствующей группировки. Поэтому БИС комплекта сначала было присвоено обозначение серии К532, изготавливались они в покупных 48-выводных корпусах с планарными выводами.

А после закрепления за микропроцессорами группировки "58" (цифра "8" до того была в резерве), комплекту было присвоено окончательное обозначение – серия (К, КР, Н)587. В процессе разработки и по результатам первого применения состав комплекта несколько трансформировался, они стали помещаться в 42-выводные корпуса собственного производства и в окончательном варианте выглядел следующим образом:

• БИС АУ, К587ИК2 – 4-разрядная секция арифметического устройства для построения операционных блоков ЭВМ с разрядностью обрабатываемых данных, кратной 4 бит. Кристалл размером 4,9;4,8 мм содержал 2543 транзистора.

• БИС АР, К587ИК3 – 8-разрядная секция арифметического расширителя для построения арифметических сопроцессоров с разрядностью данных, кратной 8 бит, аппаратно выполняющих операции умножения, деления и др. Кристалл размером 4,9;4,5 мм содержал 3934 транзистора.

• БИС ОИ, К587ИК1 – 8-разрядная секция обмена информацией для построения блоков внутреннего и внешнего обмена в ЭВМ и иных устройствах. Кристалл размером 5,3;5,9 мм содержал 3500 транзисторов.

• БИС УП, К587РП1 – секция управляющей памяти для построения блоков микропрограммного управления ЭВМ и иных устройств (ранее называлась «БИС ПЛМ»). Кристалл размером 5,0;4,6 мм содержал 5500 транзисторов.

БИС ОЗУ К564РУ2 ёмкостью 256 бит и К565РУ1 ёмкостью 4096 бит формально в комплект не включались, поскольку это были стандартные схемы памяти.

Ряд технических решений, реализованных в БИС комплекта, были признаны Авторскими свидетельствами СССР как изобретения и запатентованы в ведущих странах. Д.И. Юдицкий был одним из авторов основного изобретения "Микропроцессорная система", запатентованного в СССР, США, Великобритании и ГДР. Позже были получены ещё ряд других Авторских свидетельств и патентов на более частные решения.

Комплект имел 4 модификации, отличающиеся корпусами и стойкостью к внешним воздействиям. Две модификации для общепромышленного применения в корпусах с планарными выводами с возможностью их формовки типа КВИП (К587 в металлокерамических и КР587 в пластмассовых корпусах). И две модификации для применения в военной технике в металлокерамических корпусах (587) и микрокорпусах (Н587) с двумя вариантами выводов. Корпуса серий 587 и К587 идентичны.

Комплект обеспечивал возможность построения самых разнообразных устройств обработки данных, с разрядностью, кратной четырём бит: простейших микроконтроллеров, микро-ЭВМ, мини-ЭВМ, многопроцессорных и многомашинных систем и многого другого.

Это был один из первых в стране микропроцессорный комплект, созданный специалистами СВЦ и НИИТТ (В.Л. Дшхунян, П.Р. Машевич, В.В. Теленков, Ю.И. Борщенко, В.Р. Науменков, И.А. Бурмистров и др.), и весьма удачный. Он нашёл широкое применение и до сих пор работает во многих системах, особенно в военной технике.

Семейство микропроцессоров

Впоследствии созданная архитектура была положена в основу четырёх микропроцессорных комплектов на основных для тех времён микроэлектронных технологиях:

• Высокопороговый (9-вольтовый) КМОП – серия К587, СВЦ, НИИТТ и Ангстрем,

• Низкопороговый (5-вольтовый) КМОП – серия К588, СВЦ, НИИТТ и НПО «Интеграл»,

• ТТЛШ – серия К1802, СВЦ, НИИТТ, НИИ МЭ и Микрон,

• NМОП – серия К1883 (в ГДР – U-83), СВЦ, НИИТТ и Роботрон (ГДР).

Все эти серии представляли собой секционированные микропроцессорные комплекты с однотипной архитектурой открытого типа, позволяющей строить на них разнообразные микро-ЭВМ и системы в довольно широком спектре архитектур.

Научно-технический семинар «Микропроцессоры»

Летом 1975 г. в СВЦ поступило информационное сообщение Института электроники и вычислительной техники (ИЭ и ВТ) АН Латвийской ССР о проведении в Риге осенью того же года первой в стране всесоюзной конференции по микропроцессорам. Из проекта программы следовало, что организаторы строят работу конференции исключительно на материалах зарубежных источников. Попытки Д.И. Юдицкого согласовать с директором ИЭ и ВТ Э.А. Якубайтисом совместную программу работы конференции с преимуществом информации об отечественных микропроцессорах и микро-ЭВМ не нашли понимания, и Давлет Исламович выступил с инициативой о проведении в те же сроки альтернативной конференции в Зеленограде исключительно на отечественных материалах.