Проектирование аппаратуры систем автоматического управления. В 2 ч. Ч. 2. Создание БЦВС

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

В. М. Антимиров

Проектирование аППаратуры  
систем автоматиЧескоГо уПравления  
для работы в экстремальных условиях

Часть 2
СОЗДАНИЕ БЦВС

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом УрФУ 
для студентов, обучающихся по программе магистратуры 
по направлению подготовки 220400 — Управление  
в технических системах

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2018

2-е издание, стереотипное

УДК 681.51:629.7(042.4)
ББК 39.62-5-05
А72
Рецензенты: д-р техн. наук, проф. кафедры «Электрические 
машины» УрГУПС Б. С. Сергеев; канд. техн. наук, зам. ГД по 
РКТ АО «НПО автоматики» Л. Н. Бельский
Научный редактор — зам. зав. кафедрой В. В. Телицин

А72
Антимиров, В. М.
Проектирование аппаратуры систем автоматическо
го 
управления 
[Электронный 
ресурс]: 
учебное 
пособие : в 2 ч. Ч. 2 : Создание БЦВС / В. М. 
Антимиров. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во 
Урал. ун-та, 2018. — 72 с.

Во второй части учебного пособия приводятся основные технические решения по реализации аппаратуры систем автоматического 
управления (САУ) и их основного звена — бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ) и систем (БЦВС), работающих полностью в автономном режиме в экстремальных условиях. Приводятся 
технические решения по архитектуре и структуре вычислительных 
систем, сформулированы основные принципы обеспечения и повышения надежности БЦВС. Для оценки качества таких систем приведена функция технической эффективности. Рассмотрены принципы 
и направления повышения производительности БЦВС.
Пособие может быть полезно студентам электротехнических специальностей, преподавателям технических вузов, а также специалистам научно-исследовательских и проектных институтов.

Библиогр.: 24 назв. Рис. 22.
УДК 681.51:629.7(042.4)
ББК 39.62-5-05

© Уральский федеральный 
      университет, 2015

ISBN 978-5-9765-3528-2 (ФЛИНТА, ч. 2)
ISBN 978-5-9765-3529-9 (ФЛИНТА, общий)
ISBN 978-5-7996-1555-0 (Изд-во Урал. ун-та, ч. 2)
ISBN 978-5-7996-1553-6 (Изд-во Урал. ун-та, общий)

ISBN 978-5-9765-3528-2 (ФЛИНТА, ч. 2)
ISBN 978-5-9765-3529-9 (ФЛИНТА, общий)
ISBN 978-5-7996-1555-0 (Изд-во Урал. ун-та, ч. 2)
ISBN 978-5-7996-1553-6 (Изд-во Урал. ун-та, общий)

1. развитие бЦвс

Все основные характеристики, а также сама возможность создания бортовых цифровых вычислительных машин 
(БЦВМ) и систем (БЦВС) на их основе существенно определяются имеющейся и создаваемой элементной базой. По сути, 
сам процесс создания БЦВМ является процессом создания 
элементной базы. Рассмотрим этапы развития БЦВС с учетом 
создания новых поколений элементной базы.
В развитии БЦВС НПОА с учетом применяемой элементной базы можно выделить шесть поколений.
ПЕРВОЕ ПОКОЛЕНИЕ (1965–1970 гг.) было создано на 
основе бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ), 
которые назывались просто по своим порядковым номерам 
разработки. Это были ЦВМ3 и ЦВМ4. ЦВМ3 была создана для 
системы управления изделием 4К–18, а ЦВМ3 — для изделия 
4К–75. Особенности структуры и архитектуры первых БЦВМ 
и первых БЦВС рассмотрим на примере ЦВМ3.
При разработке первых БЦВМ на предприятии, да и в стране, не было опыта по введению цифровых вычислительных машин в состав систем управления (СУ) ракет-носителей (РН). 
Системы управления РН были в основном аналоговыми и состояли из двух контуров:
– контура управления стабилизацией;
– контура управления дальностью.
Необходимость введения в состав СУ цифровой вычислительной машины была вызвана объективными причинами. В комплексе 4К–18 был введен режим самонаведения на 
движущуюся цель, которая опознавалась системой обнаружения радиолокационных станций кораблей и в первую очередь 

Проектирование аппаратуры систем автоматического управления  
для работы в экстремальных условиях

авианосных соединений. По информации системы обнаружения необходимо было провести расчет параметров движения 
и изменить траекторию. Эти расчеты могла выполнить только 
БЦВМ. К комплексу 4К–75 были предъявлены повышенные 
требования по точности выведения полезной нагрузки. Для 
повышения точности путем компенсации ошибок, связанных 
со стартом с подвижного основания, а также ошибок бортовых 
гироскопических систем в состав СУ было введено астровизирующее устройство. В определенный точно известный момент 
времени определялись видимые угловые координаты навигационных звезд, по которым можно было определить ошибку 
фактического углового положения РН относительно расчетного и ввести поправки в траекторию движения. Эти расчеты по 
коррекции траектории могла выполнить тоже только БЦВМ. 
Таким образом, необходимость введения БЦВМ была обусловлена требованиями проведения в процессе полета расчетов параметров движения по информации, полученной в процессе 
полета от дополнительных подсистем.
К моменту начала разработки первых БЦВМ у разработчиков Научно-производственного объединения автоматики 
(НПОА) был опыт создания и внедрения в состав СУ цифровых устройств. В частности, для работы в контуре управления 
для формирования требуемой траектории полета и выдачи 
команд на исполнительные органы изделия вместо шагового 
двигателя был создан цифровой автомат, который назывался 
счетно-решающий прибор автомата дальности (СРПАД). При 
этом в контуре управления стабилизацией работало устройство аналогового типа — счетно-решающий прибор автомата 
стабилизации (СРПАС). Этот прибор, хоть и назывался «счетно-решающим», был реализован как аналоговое устройство. 
Необходимо отметить, что контур управления стабилизацией, несмотря на быстрое развитие цифровых вычислительных 
устройств, достаточно длительное время оставался аналоговым. Причиной этого, помимо здравого консерватизма разработчиков алгоритмов управления РН, была также плохая на

Часть 2. Создание БЦВС

дежность первых электронных вычислительных машин общего назначения (ЭВМОН), ремонт которых шел практически 
непрерывно. Так, например, при эксплуатации в середине 60-х 
годов прошлого века первых ЭВМ типа «Урал» в Уральском политехническом институте ежедневный запуск ЭВМ начинался 
с ремонта, который в течение часа велся заменой отказавших 
блоков. Поэтому решение задачи контроля и диагностики 
было крайне важным, что, к сожалению, затемнило решение 
основной проблемы создания БЦВМ, а именно обеспечения 
высокой надежности. Замена решения проблемы обеспечения 
надежности решением задачи диагностики отказов надолго 
стала слабым местом в создании ЭВМ общего назначения и по 
наследству перешла к специализированным вычислительным 
средствам, входящим в состав наземных и корабельных систем 
управления. Для последних это было оправдано, так как в отличие от бортовых систем их аппаратура могла ремонтироваться, для чего имелся комплект запасных элементов (приборов, 
блоков и модулей). Уровень замены определялся эффективностью и глубиной диагностики. Такая возможность несколько 
расслабляла разработчиков этих систем, поэтому продолжение 
отработки систем на объектах заказчика нередко имело место, 
что исключалось для БЦВМ, для которых обеспечение безотказности, как в основной работе, так и при хранении, было 
главной задачей.
При выборе архитектуры первой БЦВМ — ЦВМ3 — были 
рассмотрены известные решения, выработанные создателями 
первых ЭВМОН. Кроме того, использовался опыт и знания 
специалистов НПОА, приобретенные в процессе создания 
СРПАД. В результате архитектура ЦВМ3 заимствовала некоторые решения, примененные в ЭВМОН. Такими решениями 
были наличие запоминающего устройства, а также вычислительного устройства (процессора), реализующего программу, 
записанную в виде команд, размещенных в запоминающем 
устройстве. Для обмена с внешними устройствами в систему 
команд процессора были введены специальные команды при

Проектирование аппаратуры систем автоматического управления  
для работы в экстремальных условиях

ема информации (ПИ) и выдачи (списывания) информации 
(СИ). Прием и списывание информации производились последовательным кодом путем сдвига информации в арифметико-логическом устройстве (АЛУ) процессора, который во 
время обмена с внешними устройствами не мог выполнять никаких других операций. Основным отличием от ЭВМОН в реализации размещения команд было то, что они хранились не 
в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Это отличие было обусловлено тем, что в процессе эксплуатации БЦВМ нет необходимости изменять программы. В наследство от СРПАД первой 
БЦВМ достался принцип построения устройства управления 
процессора на основе жесткой схемной логики. Это, с одной 
стороны, обеспечивало высокое быстродействие выполнения 
команд, но, с другой стороны, практически исключало возможность оперативного развития (расширения) системы команд процессора, так как для введения новых команд требовалась серьезная схемная переработка аппаратуры. При этом 
необходимо отметить, что система команд ЦВМ3 была достаточно полной и включала в свой состав помимо рядовых операций типа сложения, логических и операций перехода быстрые 
операции умножения и деления.
Для ЦВМ4 была сделана попытка реализовать устройство 
управления на основе микропрограммного ЗУ. Однако из-за 
больших аппаратурных затрат на реализацию отдельного запоминающего устройства для микропрограмм они были размещены совместно с рабочими программами в основном ПЗУ. 
Такое расположение кодов микрокоманд не позволило в полной мере использовать преимущества микропрограммного 
построения устройства управления БЦВМ и полноценное 
применение микропрограммное управление нашло в БЦВМ 
только начиная с третьего поколения (ЦВМ7 и следующие). 
Всего в системе команд было 14 операций, которые благодаря 
схемной реализации устройства управления были достаточно 
короткими. Например, операция сложения двух чисел, разме

Часть 2. Создание БЦВС

щенных в ОЗУ, с отсылкой результата в ОЗУ выполнялась за  
4 микросекунды. Умножение выполнялось за 12 мкс, деление — за 14 мкс, операции условного и безусловного перехода 
выполнялись за 4 мкс, т. е. быстродействие при выполнении 
арифметических и логических операций было достаточно высокое. Значительно хуже обстояло дело с операциями обмена, в которых на выдачу и прием последовательным кодом на 
каждый бит затрачивалось 4 мкс. В результате прием или выдача одного 16-разрядного слова занимали 64 мкс. Такое быстродействие определялось быстродействием внешних подсистем — источников и потребителей информации.
Учитывая сложную систему адресации операндов, когда в команде и ее адресе содержались адреса и источника, и приемника 
информации, в систему команд ЦВМ3 были введены операции 
групповой пересылки (переадресации) данных из одной зоны 
ОЗУ в другую. Была введена «смешная» операция траты времени, во время выполнения которой никаких действий с данными 
не производилось, апроцессор просто простаивал заданное вкоманде количество тактов и приступал к выполнению следующей 
команды только после окончания операции траты. Операция 
траты широко использовалась в двух случаях. В первом она обеспечивала подгонку начала операций обмена (ПИ и СИ) в строго определенные такты относительно начала цикла программы, 
которые должны быть кратны 16. ЦВМ3 работала в 16-разрядной шкале, и обмен с внешними устройствами выполнялся также 16-разрядным последовательным кодом. Для распределения 
списываемой информации по выходным устройствам и формирования входной информации в формате 16-разрядного кода 
дополнительно к процессору был введен преобразователь кодов 
(ПРК), который, распределяя данные по внешним устройствам, 
частично помогал процессору выполнять обмены. Для этого он 
имел собственное устройство управления, реализованное на 
основе 16-разрядного счетчика. Наличие в ПРК собственного 
тактирующего устройства требовало начала операций обмена 
процессором в строго определенный такт работы, кратный 16. 

Проектирование аппаратуры систем автоматического управления  
для работы в экстремальных условиях

Задачу установки требуемого времени начала операций обмена 
и помогала решить операция траты времени.
Вторым применением операции траты было формирование нужной длительности цикла выполнения программ. Цикл 
фиксированной длительности был нужен для организации вычислений в реальном масштабе времени, которое считалось 
в циклах программы БЦВС с опорой на стабильность тактового генератора.
Особенностью создания первых БЦВМ было то, что базовые 
элементы для построения цифровых устройств разрабатывались 
на предприятии и изготавливались в собственном производстве 
на основе дискретных компонентов — диодов, резисторов, конденсаторов, ферритовых элементов и транзисторов.
Для цифровых блоков были созданы два типа логических 
элементов:
1. Динамический триггер (ДТ), содержащий транзисторный 
усилитель, на входе которого в качестве элемента памяти устанавливалась линия задержки на LC звеньях. Чтение состояния 
триггера осуществлялось питанием транзистора усилителя от 
импульсного напряжения, при подаче которого на выходе усилителя появлялась информация, поступающая на дальнейшую 
обработку в диодно-резисторную логику.
2. Ключевой усилитель (КУ), задачей которого являлось 
усиление сигналов, прошедших логическую обработку на диодно-резисторной логике или после динамического триггера. 
Этот усилитель выполнял одновременно и функцию инвертирования сигнала.
Запитка динамического триггера осуществлялась от синхронизирующих импульсов, формируемых кварцевым задающим 
генератором (КЗГ). Эти импульсы являлись, по сути, тактовыми и шли с приходом около 4 мкс. Этот период определялся выбором кварцевого резонатора с частотой, кратной 2, для упрощения задачи деления частоты. Наиболее близким к требуемому значению оказался резонатор с номиналом частоты 256 кГц. 
Длительность периода являлась важным параметром, так как 

Часть 2. Создание БЦВС

входила в расчет реального времени работы системы управления. Расчет времени как параметра велся путем подсчета программных циклов решения задач управления. Длительность 
цикла формировалась из времени выполнения команд процессора БЦВМ, а длительность выполнения команд указывалась 
в количестве тактов. Таким образом, нестабильность работы 
тактового генератора БЦВМ непосредственно входила в ошибку расчета одного из основных параметров — текущего времени 
работы системы управления и, как следствие, нестабильность 
тактового генератора входила составляющей в основную характеристику работы системы управления — точность доставки полезной нагрузки в заданную точку или район.
Структура любого цифрового блока содержала ДТ, диоднорезисторную логику (ДРЛ) и ключевой усилитель (КУ), выполняющий одновременно функцию инверсии (см. рис. 1.1).

ДТ

КУ
КУ

ДРЛ (И, ИЛИ, НЕ)

ДТ
ДТ
...

+

+
+


Рис. 1.1. Обобщенная структура системы  
логических элементов цифровых блоков

Проектирование аппаратуры систем автоматического управления  
для работы в экстремальных условиях

Для запоминающих устройств использовались ферритовые сердечники: для ОЗУ — многоотверстевые пластины, для 
ПЗУ — ферритовые кольца. Электроника ЗУ набиралась на 
дискретных элементах. Таким образом, основу ЭРИ первых 
БЦВС составляли дискретные элементы — диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы и ферритовые сердечники различного конструктивного исполнения.
Разработка ЦВМ3 и бортового цифрового вычислительного 
комплекса (БЦВК) велась в лаборатории, которой руководил 
В. Д. Трифонов. Основными участниками разработки были 
Г. Н. Зубарева, Н. Н. Безбабный, Л. Е. Лекант, В. С. Калганов, 
Б. В. Тюрнин, Ю. Н. Агеев, В. Пивоваров, В. Аникин, 
П. С. Шабашов и пришедший в лабораторию после окончания 
УПИ молодой специалист В. М. Антимиров.
Разработка ЦВМ4 и соответствующего БЦВК велась в лаборатории К. Д. Табачника. Основными разработчиками были 
А. А. Турченко, А. А. Ануфриев, В. А. Зимин, К. И. Кутуков и др.
Как уже отмечалось ранее, введение БЦВМ в состав СУ происходило с большим недоверием к надежности их работы. Для 
выполнения одного из основных требований к надежности 
СУ — обеспечения работоспособности при одной возможной 
неисправности (ОВН) — было принято решение подключить 
выходы БЦВМ к исполнительным устройствам через узел мажоритации (УМ). Структура резервированной БЦВС с мажоритацией выходных сигналов БЦВМ приведена на рис. 1.2.
Для организации такого резервирования вместо одной 
БЦВМ, необходимой для решения функциональных задач, 
устанавливалось три БЦВМ. С целью минимизации затрат 
оборудования УМ устанавливался в шине выдачи информации 
последовательным кодом на внешние устройства. Такое его 
расположение сокращало количество элементов, необходимых 
для построения узла мажоритации. Однако для правильной 
работы узла мажоритации требовалась синхронная и синфазная работа всех трех БЦВМ. Для обеспечения такой работы на 
все БЦВМ подавались сфазированные синхроимпульсы, фор