Очерки истории отечественной программной инженерии в 1940-е – 80-е годы - Владимир Липаев

К ЭВМ, используемым в составе систем управления летательных аппаратов, предъявлялся ряд специфических требований, которые значительно усложняли проектирование бортовых машин. К числу важнейших требований, во многом определявших выбор основных проектных решений, относились ограничения на массогабаритные характеристики и потребляемую мощность, необходимость придания повышенной надежности функционирования, устойчивости к широкому диапазону внешних воздействий (механических, климатических, радиационных), возможность обмена в реальном времени информацией с разнообразными датчиками и исполнительными устройствами систем управления.

Создание БЭВМ на. первом этапе велось на основе ряда принципиальных положений, выработанных с учетом специфических требований к бортовым машинам в результате многочисленных исследований, осуществления эскизных и технических проектов. С самого начала было принято решение проектировать БЭВМ на новой для того времени элементной базе – интегральных схемах (ИС). Только применение ИС давало возможность обеспечить необходимые параметры машин, в первую очередь массогабаритные, энергетические и прочностные. Работы по созданию ряда «Аргон» дали мощный толчок развитию элементной базы для ЭВМ оборонного значения. НИЭМ и его преемники, были инициаторами, заказчиками и соисполнителями разработки ряда выпускавшихся крупными сериями ИС. Некоторые из них получили широкое применение не только в бортовых, но и в стационарных ЭВМ.

Введение программной совместимости между моделями БЭВМ в то время было признано нецелесообразным. Это потребовало бы разработки единой для всех машин сложной системы команд, часть из которых во многих случаях оказалась бы излишней. При достигнутом в тот период уровне технологии производства элементов единственным путем удовлетворения разнообразных, жестких требований к бортовым ЭВМ была специализация систем команд к решаемым задачам. Вместе с тем системы команд и организация вычислений для различных моделей строились на основе общих исходных принципов и являлись достаточно близкими. Для повышения плотности компоновки ИС использовался многослойный печатный монтаж. С целью сокращения сроков разработки и числа ошибок при выполнении ручных операций, основные узлы БЭВМ создавались с применением систем автоматизированного проектирования на базе универсальных ЭВМ.

Машины первого этапа по типу используемой элементной базы разделялись на две группы. К первой, более ранней по времени разработки группе, относились БЭВМ «Аргон-1», «Аргон-10», «Аргон-11А», «Аргон-12А», собранные на гибридных ИС типа «Тропа». Серия гибридных ИС «Тропа-1» была предложена НИЭМ совместно с НИИТТ министерства электронной промышленности для первых БЭВМ ряда «Аргон». Вторую группу составили – БЭВМ «Аргон», выполненные на твердотельных ИС, а «Аргон-17» – на первых микропроцессорных БИС. БЭВМ ракетно-космического назначения в большинстве случаев являлись необслуживаемыми и строились по моноблочному принципу.

Серьезную проблему при проектировании бортовых ЭВМ представляло обеспечение устойчивости к негативному воздействию внешней среды. Ввиду их компактности существенное значение имел отвод тепла. В большинстве машин обеих групп было применено принудительное воздушное охлаждение их внутренних частей. Ракетные машины были помещены в герметизированный корпус, служащий радиатором для отвода тепла в окружающую среду.

Впервые резервирование аппаратуры было использовано в БЭВМ «Аргон 11С» – первой отечественной машине космического назначения, осуществлявшей автоматическое управление полетом космического аппарата, совершившего облет Луны с возвращением спускаемого аппарата на Землю (программа «Зонд»). В ходе исследований, выполненных при проектировании этой машины, оптимальной структурой резервирования, обеспечивающей экономию машинных ресурсов и приемлемый уровень надежности, была признана троированная структура с голосованием по большинству (мажорирование). Эта структура получила дальнейшее развитие в бортовом вычислительном комплексе «Аргон-16» – уникальной разработке в мировой практике создания бортовых ЭВМ. За четверть века эксплуатации на космических кораблях Союз, транспортных кораблях Прогресс, орбитальных станциях Салют, Алмаз, Мир не было отмечено ни одного отказа комплекса в составе системы управления. За это время было выпущено более 300 экземпляров – рекордный показатель для машин космического применения. Высоконадежная троированная структура в модифицированном виде использована в БЭВМ, предназначенной для применения в инерциальной системе управления ракетой комплекса ПРО. Отличительная особенность «Аргон-17» – высокая радиационная стойкость аппаратуры, гарантирующая выполнение задачи в условиях воздействия ядерного взрыва. Работы первого этапа сыграли исключительно важную роль в развитии отечественной бортовой вычислительной техники. При разработке функциональных комплексов программ оборонных систем для ряда типов ЭВМ «Аргон» в 1970 – 80-е годы активно использовалась инструментальная система автоматизации программирования и отладки Яуза-6, адаптированная для соответствующих ЭВМ (см. главу 3) [11, 18].

Многие системы военного назначения на базе специализированных ЭВМ предполагались для производства и применения в относительно небольшом количестве (единицы, десятки, или сотни экземпляров), что ориентировало разработчиков на применение оригинальных технических решений и вызывало пренебрежение унификацией и стандартизацией аппаратуры, комплексов программ и технологий их производства. Практически независимая разработка такого широкого спектра вычислительных машин и комплексов программ, конечно, обходилась очень дорого, однако в результате появлялось множество эффективных технических решений при разработке и применении ЭВМ и комплексов программ. Ведомства заказчиков систем не координировали между собой технические требования к вычислительным средствам, каждое из которых вынуждено, адаптировалось разработчиками к задачам конкретного заказчика.

Использование БЦВМ потребовало определенной унификации радиоэлектронного оборудования самолетов, в результате которой сократились сроки и снизились затраты на разработку и последующую модернизацию. Поэтому на ранних стадиях развития цифровой авионики основное внимание уделялось разработке БЦВМ и средств ее сопряжения с бортовой аппаратурой. Проблема создания программных продуктов обострялась по мере усложнения структуры машин, расширения круга решаемых задач, появления и развития бортовых вычислительных систем.

На основе анализа, проведенного в конце 1970-х – начале 80-х годов, была разработана программа создания семейств, унифицированных БЦВМ для использования на подвижных объектах всех классов. Эта программа была утверждена в 1984-м году решением Государственной Комиссии. В соответствии с ней были начаты работы по созданию унифицированных семейства БЭВМ – СБ3541 и СБ3542 с архитектурой типа «Электроника-32», а в НИИ «Аргон» – СБ5140 с архитектурой «ПОИСК».

На протяжении трех десятилетий БЦВМ качественно изменялись. Их быстродействие увеличилось более чем на три порядка и достигло десятков миллионов операций в секунду, а емкость запоминающих устройств достигает 8 -16 Мб. Одновременно уменьшились вес и энергопотребление. Это было обусловлено совершенствованием элементной базы, архитектуры и структурной организации машин. Замена дискретных компонентов большими интегральными схемами позволила повысить быстродействие машины более чем на два порядка при одновременном снижении на порядок и более энергопотребления и веса. Совершенствование микропроцессоров в 80-х и начале 90 – х годов позволило поднять еще как минимум на порядок быстродействие БЦВМ, также улучшились внутренние и внешние интерфейсы вычислительных машин.

В структуре БЦВМ второго поколения (начало 70-х годов) начинают использоваться элементы конвейеризации, обеспечивающие совмещение в выполнении операций, процессоры, содержащие более совершенные сумматоры и специальные устройства для выполнения операций умножения, деления и вычисления элементарных функций. Структура машин реализуется на интегральных схемах, но остается детерминированной и трудно модернизируемой, т. е., по существу, закрытой. Для написания программ начинают использоваться языки уровня ассемблера, а для их отработки – специальные отладочные комплексы, объединяющие БЦВМ с инструментальной вычислительной машиной. К середине 80-х годов было разработано четыре модификации машины: «Аргон-15» (ОЗУ – 1К, ПЗУ – 24К слов) имеет массу 35 кг и наработку на отказ 500 ч. Быстродействие машины «Аргон-15К» – 500 тысяч, а «Аргон-15-М» – 800 тысяч коротких операций в секунду; имеет наработку на отказ 5000 ч и весит 16,6 кг.