Jak powstawało K-202: Różnice pomiędzy wersjami

Inicjatorem był inż. Jacek Karpiński, któremu udało się namówić na to ówczesnego Ministra Przemysłu Maszynowego. Mówił, że chce zbudować minikomputer o nazwie K-202.

Sam pomysł takiej umowy wynikał z prostej obserwacji, że na Zachodzie nie brak ani pieniędzy, ani elementów, natomiast w Polsce brak pieniędzy i elementów, za to nie brak dobrze wyszkolonych inżynierów. Gdyby zatem udało się w Polsce stworzyć jakąś wysepkę czy enklawę kapitalizmu, to łącząc te dwie rzeczy można by osiągnąć sukces. Dziwne, że nikt wcześniej na to nie wpadł. Później Jacek Karpiński powiedział w wywiadzie jakiemuś dziennikarzowi, że jemu ten pomysł podsunął Stefan Bratkowski. No więc chwała im obu! Jak się później okazało, elementy dostarczane dla skonstruowania jednego egzemplarza maszyny kosztowały 1200-1500 dolarów, a zmontowana maszyna była sprzedawana za 5000 dolarów, czyli jako business-plan było to bardzo dochodowe przedsięwzięcie.

Pierwszym założeniem strategicznym Jacka Karpińskiego było, że ma to być minikomputer. Było to jednak mylące i wymaga wyjaśnienia. W tym czasie minikomputery były to 4- i 8-bitowe maleństwa. Nie to miał Karpiński na myśli. Zespołowi projektantów (którzy przecież musieli wiedzieć, co mają robić) powiedział, o co chodzi i podał swoją definicję minikomputera: "Minikomputer jest to komputer, który kosztuje mniej niż 10 tys. dolarów". Tak więc nie chodziło o 8-bitowe maleństwo, tylko o porządną maszynę, ale tanią.

Dlaczego więc Jacek używał terminu minikomputer ? Nie wiem, może to był taki wybieg, aby nie nasuwać podejrzenia, że może to być konkurencja dla innych zakładów i że władze łatwiej to przełkną. W każdym razie termin jest nieadekwatny i ja bym wolał, żeby tego przedrostka 'mini' nie używać. Przecież rówieśnika K-202, jakim było PDP-11 nikt nie nazywał minikomputerem, chociaż jego możliwości architektoniczne były dużo mniejsze niż K-202.

Drugie założenie strategiczne postawił Jacek zaraz przy pierwszym spotkaniu. Powiedział "Słuchajcie, robimy tę maszynę w kooperacji z angielskimi firmami i musi ona dać się sprzedawać na zachodzie. Do tego jest konieczne, aby wystawić ją na ekspozycji Olympia w Londynie w przyszłym roku (czyli za 8 miesięcy). Jeśli nie zdążymy, to rok później będzie już za późno, bo inni zajmą rynek". Miał oczywiście rację.

Założeniem było, że nie będzie różnych modeli maszyny: mały, średni, duży itd. Jeżeli użytkownik będzie chciał mieć większą konfigurację, to zostanie ona złożona z większej ilości standardowych modułów, ale moduły te będą zawsze te same niezależnie od wielkości konfiguracji.

Interface pamięciowy: standardowa szyna, poprzez którą są łączone procesory, moduły pamięci operacyjnej oraz kanały pamięciowe, mogące prowadzić samodzielnie transmisje blokowe między pamięcią operacyjną a pamięciami masowymi;

Interface znakowy: standardowa szyna, poprzez którą urządzenia znakowe są dołączane do procesora. Transmisja prowadzona jest przez procesor, znak po znaku.

Wstępna koncepcja Jacka Karpińskiego zawierała schemat blokowy systemu oraz wstępną listę rozkazów. Schemat blokowy przedstawiony jest poniżej.

Te i inne problemy były rozwiązywane w trybie seminaryjnym.  Początkowo każdego dnia rano Jacek Karpiński zwoływał zebranie robocze i podawał temat do dyskusji. Na ogół też (ale nie zawsze) proponował rozwiązanie i zaczynała się 'burza mózgów'. Każdy mógł się wypowiedzieć, chociaż tak naprawdę to Ela i ja mieliśmy najwięcej do powiedzenia, jako że mieliśmy już za sobą udział w projektowaniu 5 komputerów, więc mieliśmy największe doświadczenie. I nie zawsze też było przyjęte rozwiązanie proponowane przez Jacka.

Tak więc podsumowując, Jacek był autorem koncepcji, przedstawionej na schemacie powyżej. Nawiasem mówiąc, był to pierwszy i jedyny schemat, który wyszedł spod jego ręki.  Rozwinięcie koncepcji było dziełem zbiorowym, dokonanym pod jego kierunkiem, a projekt poszczególnych modułów wykonywały poszczególne podzespoły. Do tego Jacek już w zasadzie nie mieszał się i zostawiał wolną rękę projektantom. Miał zaufanie do zespołu.

Organizacja pamięci była tematem jednego z pierwszych zebrań roboczych. Ponieważ tu Jacek miał pomysł zupełnie unikalny, więc dla jasności dobrze będzie pokazać, jak to było robione we wszystkich innych maszynach:

Każdy proces, utworzony i uruchomiony przez system operacyjny, musi mieć pamięć. Oczywiście niedopuszczalne jest, aby każdy proces mógł sobie buszować po pamięci fizycznej, tak jak chce, bo mógłby coś popsuć innemu procesowi.   

Zatem każdy proces działa na segmencie pamięci wirtualnej, to jest na takiej pamięci, co do której proces sobie wyobraża, że ją ma, a która naprawdę nie istnieje. Jedyna istniejąca fizycznie pamięć to ta na pionowej osi z lewej strony. Każde odwołanie procesu do jego pamięci wirtualnej podlega translacji adresu, która przekształca adres wirtualny na adres pamięci fizycznej.

Na pamięć tę należy patrzeć jako na dwu-wymiarową: jeden wymiar to numer bloku, a drugi to adres wewnątrz bloku.

Od razu tez pomyśleliśmy, że można to jeszcze ulepszyć. Jeżeli jest już pamięć dwu-wymiarowa, to zróbmy z niej trój-wymiarową. Inaczej mówiąc, zaproponowaliśmy dopisanie jeszcze jednego lub dwóch bitów do adresu i zapisywanie w nich numeru procesora. W ten sposób można będzie tworzyć konfiguracje wieloprocesorowe. Do koncepcji systemu modularnego dobrze to pasuje, bo jeśli użytkownik zechce zwiększyć moc obliczeniową systemu, to może dołączyć dodatkowy procesor. Jackowi ten pomysł się spodobał i w ten sposób powstała finalna koncepcja maszyny, pokazana na następnym rysunku:

Spostrzegliśmy też, że jeśli zdarzy się odwołanie do nieistniejącego adresu, to żaden adresat nie przyśle sygnału OK ani NOK i sterowanie utknie. Dodaliśmy więc jeszcze time-out, nieco dłuższy niż czas reakcji najwolniejszego modułu w systemie. Po jego przekroczeniu operacja była kończona natychmiast i procesor otrzymywał sygnał przerwania typu 'Nieistniejący adres'.

Jacek proponował, aby każdy klient wysyłał adres na szynę adresową, a następnie sprawdzał, czy na szynie jest ten właśnie adres. Jeżeli nie jest jedynym kandydatem, to na szynie będzie suma logiczna adresów, różna od każdego z nich. Wtedy każdy klient ma wycofać się i za jakiś czas ma spróbować ponownie. Jest to sposób podobny do tego, jaki używa się w sieci Ethernet.

Już w czasie projektowania procesora okazało się, że uda nam się tak go 'upchać', że w module procesora (czyli w jednej obudowie) oprócz samego procesora zmieści się także jeden blok pamięci (blok systemowy o numerze 0) oraz jeden kanał znakowy. Schemat tego modułu przedstawia rysunek poniżej:

* Kanały znakowe nie miały dostępu do pamięci, a to wykluczało DMA (Direct Memory Access). Tego niestety nie da się obejść. Każdy znak z urządzenia musi być odczytany przez procesor (znak po znaku). Byłoby lepiej, gdyby procesor mógł wysłać do kanału polecenie takie, jak np. 'przeczytaj wiersz tekstu z urządzenia i zapisz go do pamięci od wskazanego adresu'. Usterka ta została poprawiona w maszynie Mera-400.

W stanie początkowym, czyli po włączeniu zasilania, pamięć logiczna posiada tylko blok 0 (systemowy). Nie ma żadnych logicznych bloków użytkowych. Cała pamięć fizyczna stanowi pulę wolnych stron, które nie reagują jednak na żadne odwołania do pamięci.

[[File:Az-wirt-m400-1.png|center|frame|Pamięć MERA-400 - jeden blok użytkowy (proces)]]

Gdy system operacyjny chce utworzyć i uruchomić proces użytkowy, to dynamicznie tworzy dla niego segment pamięci wirtualnej. W tym celu bierze odpowiednią ilość stron z puli wolnych stron i przyporządkowuje każdej z nich numer bloku i najstarsze bity adresu wewnątrz bloku. Od tej chwili strony te reagują na polecenia odczytu i zapisu do pamięci.

[[File:Az-wirt-m400-1.png|center|frame|Pamięć MERA-400 - dwa bloki użytkowe (procesy)]]

Przy tworzeniu następnego procesu system operacyjny postępuje podobnie. Użyte wolne strony nie muszą być wszystkie w tym samym bloku fizycznym. Gdy pula wolnych stron w bloku fizycznym wyczerpie się, system operacyjny bierze strony z następnego bloku, jak to jest pokazane na rysunku.

Zauważmy, że jest tu możliwe tworzenie pamięci dzielonej. Nawet w systemie wielo-programowym w danym momencie aktywny jest tylko jeden proces naraz. Zatem przy przełączaniu kontekstu system operacyjny może stronę pamięci dzielonej przełączać z jednego procesu do drugiego.

Po zaprzestaniu produkcji Mery-400 przez zakłady ERA zespól nadal kontynuował rozwój maszyny pod nazwą MX-16 w firmie polonijnej AMEPOL.

O maszynach Mera-400 i MX-16 wspominam tu tylko bardzo krótko, ponieważ są przedmiotem osobnego opracowania.