Русский | English   поискrss RSS-лента

Главная  → Документы и публикации  → Материалы конференций  → Материалы Международной конференции - SoRuCom-2011  → Мини-ЭВМ «Электроника-100» – шаг к гражданским системам реального времени

Мини-ЭВМ «Электроника-100» – шаг к гражданским системам реального времени

В 1945 г. побежден фашизм. В том же году в США 200 инженеров создали первую в мире ЭВМ ENIAC (сокр. от Electronical Numerical Integrator and Calculator – Электронный числовой интегратор и вычислитель). В том же году американцы сбросили первые в мире атомные бомбы на Японию. Спустя полгода из Фултона прозвучала речь У. Черчилля, гостившего тогда в США. Так начало эры компьютеров совпало с началом «холодной войны».

Заметим, что ENIAC начали конструировать с 1943 г., и эта машина использовалась [1], в частности, для вычислений, связанных с созданием водородной бомбы.

В 1946 г. появилась информация об ENIAC, созданной под руководством Джона Мочли и Преспера Эккерта. В машине использовалось 18 000 электронных ламп, и она выполняла около 3 000 операций в секунду. Однако машина оставалась десятичной, а ее память составляла лишь 20 слов. Программы в этой первой ЭВМ хранились вне оперативной памяти. В 1949–52 гг. ЭВМ создают ученые Англии (Морис Уилкс, «ЭДСАК», 1949 г.), а в США создается ЭВМ с хранимой в памяти программой (Джон Мочли и Преспер Эккерт, Джон фон Нейман «ЭДВАК», 1952 г.).

Наша страна после разрушений войны оказалась в роли изолированной и догоняющей. Собственные научные разработки, начинавшиеся еще до войны, были засекречены, для получения новейшей научной и технической информации использовались не только научные публикации, но и закупка аппаратов и устройств через третьи страны. В 1948 году организован Институт точной механики и вычислительной техники АН СССР. Работы по созданию вычислительной техники начаты в ведущих научных организациях страны. Только перечисление важнейших этапов этих работ (1941–78 г.г.) заняли несколько страниц в книге Б.Н. Малиновского «История вычислительной техники в лицах» [2]. А вот некоторые детали, описанные в этой книге, и почерпнутые из других источников.

В 1950–1953 г.г. 18 инженеров под руководством акад. С.А. Лебедева создали в Киеве первую в СССР ЭВМ «МЭСМ». Машина заработала практически сразу, ошиблись только в тепловом режиме: «Когда машину включили, 6000 электронных ламп превратили помещение в тропики. Пришлось разобрать часть потолка, чтобы отвести из комнаты хотя бы часть тепла».

Одновременно в Москве под руководством член-корр. И.С. Брука создается ЭВМ «М-1», содержавшая 730 электронных ламп, запущенная в опытную эксплуатацию в начале 1952 г.

Как прямо указывает Б.Н. Малиновский, «вычислительная техника с первых дней возникновения стала использоваться в военных целях». Так акад. С.А Лебедев был засекреченным Главным конструктором противоракетной обороны (ПРО) страны, под его руководством велись работы в интересах Курчатовского института. Позже акад. В.С. Бурцев, один из опытнейших конструкторов советских вычислительных машин, являлся и конструктором систем военного назначения, систем противовоздушной и противоракетной обороны. Спец-ЭВМ ряда «Диана» создавались для РЛС, в 1957-60 г.г. спец. управляющие ЭВМ создавал М.А. Карцев. Разработанные в Ленинграде несколько прорывных для своего времени проектов прошли многолетнюю, а точнее многодесятилетнюю проверку в серийном производстве на многих заводах нескольких отраслей промышленности, а также в процессе эксплуатации в войсках и на кораблях Военно-Морского флота СССР, России и ряда стран мира [3]. В Математическом институте им. В. А. Стеклова, созданном М. В. Келдышем и преобразованном затем в Институт прикладной математики АН СССР (ныне ИПМ РАН им. М.В. Келдыша) первым результатом работы отдела программирования, которым руководил М.Р. Шура-Бура, было создание на ЭВМ «Стрела» программ для расчета энергии ядерных взрывов (1953—1955). В середине 1950-х годов отдел программирования был привлечен М.В. Келдышем к расчетам траекторий искусственных спутников Земли (ИСЗ). Разработанные отделом программы для ЭВМ «Стрела», а затем «М-20», обеспечивали круглосуточный режим обработки траекторных ИСЗ. Они использовались с 1957 года при запуске ИСЗ, полете Ю. А. Гагарина в 1961 году и затем в течение последующих 10 лет.

Стоит упомянуть, что технико-экономические характеристики первых ЭВМ по нынешним меркам были крайне низки, но сам факт появления ЭВМ был оценен по достоинству. Уже в 1952 г. известный математик А.А. Ляпунов, участвовавший в работе Госкомиссии по приемке «МЭСМ», поставил и прочел на факультете МехМат МГУ первый в стране курс о принципах программирования на ЭВМ. В том же году появился первый советский учебник по программированию «Решение математических задач на автоматических цифровых машинах. Программирование для быстродействующих электронных счетных машин», написанный М.Р. Шура-Бурой в соавторстве с Л.А. Люстерником, А.А. Абрамовым, В.И. Шестаковым. В 1951 году физико-технический факультет Московского университета преобразован в Московский физико-технический институт (МФТИ), где студентов старались с младших курсов включить в исследовательский процесс. Московский инженерно-физический институт (МИФИ) тесно сотрудничает с расположенным по соседству Курчатовским институтом и готовит для него кадры инженеров и ученых.

В 1956 г. И.С. Брук выступил с докладом на сессии АН СССР по автоматизации, где изложил главные направления промышленного применения ЭВМ. В 1958 г. под его руководством составлена записка «Разработка теории, принципов построения и применения специализированных вычислительных и управляющих машин». Впервые в отечественной практике рассматривались вопросы применения ЭВМ не только для традиционных областей (физика, математика и др.), но и для управления технологическими процессами и экономикой. В 1956 г. создана Лаборатория управляющих машин и систем АН СССР, а в 1958 г. – Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ), где И.С. Брук стал первым директором.

Однако закрытость разработок, разнородные идеи у первопроходцев компьютерной техники, малое количество ЭВМ – все это сдерживало широкое распространение машин, хотя интерес к ним был огромен, а дорогое машинное время, скупо предоставляемое на уже работающих ЭВМ для «внешних потребителей», расписывалось на много дней вперед. Но на этих ЭВМ первого поколения оттачивались идеи и практика работы с компьютерами. Из своего опыта могу сказать, что при освоении азов программирования в конце 60-х годов мне очень помогла книга М.Р. Шуры-Буры по программированию на ЭВМ М-20 [4].

Низкая технологическая культура отечественного производства и отсутствие стандартизации при производстве столь сложной техники, как ЭВМ с ее тысячами элементов, вели к дороговизне и низкому качеству, как комплектующих изделий, так и машин в целом. Существовала практика дополнительной отбраковки комплектующих прямо на заводе-производителе, и при этом активно использовался административно-командный ресурс. Поэтому, когда в 1964 г. фирма IBM объявила о создании семейства компьютеров System-360, это было воспринято как важнейший шаг к унификации, совместимости и стандартизации компьютеров. Несмотря на активное возражение таких известных ученых, как С.А. Лебедев, Б.И. РамеевВ.М. ГлушковМ.К. Сулим и др., руководством нашей страны было принято повторить («советизировать») американскую систему машин IBM360. Как свидетельствует [5], «это решение, выглядевшее весьма заманчиво – использовать отработанную и апробированную в течение 5 лет и уже хорошо зарекомендовавшую себя серию IBM с целью быстрого и дешевого внедрения ее в народное хозяйство, открывая широкий доступ к весьма богатому программному обеспечению, созданному к тому времени за рубежом. Но все это являлось лишь тактическим выигрышем, стратегии же развития отечественной вычислительной техники был нанесен мощный нокаутирующий удар… Модели ЕС ЭВМ (особенно первые) являлись далеко не лучшими копиями соответствующих оригиналов серии IBM/360».

В 1970-е годы произошло «разрезание» компьютерной промышленности на 3 части: микроэлектронные элементы (производитель Министерство электронной промышленности – МЭП), универсальные ЭВМ (Министерство радиопромышленности – МРП) и управляющие ЭВМ (Министерство приборостроения, автоматики и систем управления ПСА и СУ). В результате каждое из министерств стало разрабатывать полную гамму вычислительных средств, не очень стараясь помогать друг другу. К этому времени в развитии мировой вычислительной техники произошел важный шаг, связанный с появлением миниЭВМ. В 1954 г. в Линкольновской лаборатории Массачусетского технологического института (МТИ) был изготовлен первый транзисторный компьютер TX-0. Предназначался он исключительно для того, чтобы с его помощью спроектировать «серьезную» ЭВМ TX-2, что в конце концов и было реализовано. Главным же в этой истории было то, что в процессе разработки приобрел должный опыт Кеннет Ольсен (Kenneth Olsen, 1926), бывший моряк, прошедший войну, по своему первому образованию – специалист по радарам. В 1957 году он основал собственную компанию DEC (Digital Equipment Corporation), стратегия которой была направлена на создание массовых недорогих ЭВМ.

Как описывает [6], «Первенцем был PDP-1, в котором были реализованы опыт и знания, полученные в Массачусетском технологическом институте в рамках проектов, выполненных там с участием и под руководством Олсена, и в основном, предназначавшиеся для проектов, связанных с созданием ядерного вооружения. Надо сказать, что МТИ был в те годы кузницей кадров и одним из основных исследовательских центров для атомной энергетики, чем сильно напоминает МИФИ, но с более сильной лабораторной базой. Работавший там Олсен предпринял довольно необычный по тем временам шаг: он одним из первых начал преобразовывать университетские разработки в коммерческие продукты, потом его опыт стали повторять другие. Создавая собственное дело, Олсен вознамерился предоставить рынку в качестве альтернативы мэйнфремам IBM небольшие и недорогие компьютеры».

Отметим вновь милитаристскую направленность работ над уже транзисторным, а затем и микросхемным исполнением новых поколений ЭВМ: «Создание мобильных сейсмостанций, используемых для мониторинга ядерных испытаний, стало на тот момент очень актуальной задачей. Нужен был компактный компьютер, и заказ на него поступил в DEC от Конгресса США; компьютер, остававшийся до того безымянным, нарекли Programmed Data Processor (PDP). Затем поступили заказы от NASA, от коммерческих организаций, и в итоге PDP-1 стал выпускаться большой серией. За десять последующих лет было выпущено несколько тысяч компьютеров».

С появлением фирмы DEC и миниЭВМ произошел еще один качественный скачок. Л. Черняк констатирует, что «на тот момент компьютерной индустрии как таковой не существовало, не было никакого разделения труда, почти никто не занимался изготовлением комплектующих изделий. Компьютеры собирались из универсальных радиотехнических элементов кустарным образом, с большой долей ручного труда. Поэтому первые три года с момента основания компании ушли на создание технологии для производства будущих компьютеров. Это был очень точный, оправдавший себя шаг. Благодаря организации серийного производства этой машины компания DEC отработала технологию производства, выработала рациональное отношение к программному обеспечению, причем не на академическом уровне, а с учетом требований конечных пользователей. В частности, компания научилась выпускать великолепную пользовательскую документацию, что стало тоже немаловажным фактором последующего успеха… Влияние DEC распространилось на весь мир; трудно назвать такую сферу применения компьютеров, которая обошлась без продуктов, произведенных DEC или ее последователями. Они клонировались многими странами, в том числе и в СССР».

В апреле 1965 года началось производство PDP-8, 12-разрядных ЭВМ, и эта машина стала первым в мире массовым компьютером, с августа 1968-го начали производить PDP-8/I на интегральных микросхемах. При своих 12 разрядах машина позволяла прямо адресоваться всего к 4К слов, с наращиванием адресного пространства до 32К слов «кубами» по 4К, и как скоро выяснилось, этого было достаточно для решения весьма широкого круга задач управления оборудованием. Хотя «машина PDP-8 была создана по заказу канадской энергетической компании для управления ядерным реактором, … Олсен, получив этот заказ, решил отказаться от традиционного подхода, предполагавшего создание специализированной машины, и спроектировать универсальную, для которой задача данного заказчика была бы одной из возможных»!

Изменился не только размер компьютеров, но и сама идеология их построения и применения, ориентированная на малые фирмы, научно-исследовательские лаборатории, стендовое оборудование. Здесь ценится наличие минимального «ядра», возможность его наращивания по заказу, подключения широкого спектра внешних устройств, в том числе для ввода/вывода разнообразных сигналов, и работа не в пакетном режиме, а в режиме реального времени с использованием прерываний.

Вновь процитируем впечатления Л. Черняка от выставки американской вычислительной техники, проведенной в 1970 году в Сокольниках: «Чаще всего компьютеры использовались для управления технологическими процессами. Работая даже в одном НИИ, мы в каждом отделе лепили десятки разных монстров, несовместимых между собой управляющих машин, одну для химического реактора, другую для магнитно-динамического генератора, третью еще для чего-то, а тут вдруг компактная, красивая универсальная управляющая машина. Это было потрясающе… В СССР клоны «восьмерки» – компьютеры MP12 почти 15 лет находились в составе бортовых регистрирующих станций, которые использовала Центральная комплексная геолого-геофизическая экспедиция. Без всяких сбоев и неполадок они отлетали в самых тяжелых условиях на вертолете МИ-8 тысячи часов, включая полеты над зоной Чернобыльской катастрофы».

Но обратимся не к специальным, а к гражданским применениям аналогов PDP-8. Для промышленного выпуска изделий нужны стенды и высоко автоматизированное оборудование. И в середине 60-х г.г. лидером этого направления признавалась американская фирма DEC. Вполне естественным выглядит решение МЭП воспроизвести у себя хорошо зарекомендовавшую себя модель PDP-8 и использовать ее для автоматизации собственного производства. С одной из таких моделей – «Электроникой-100», воспроизведенной в Воронежском ПО «Электроника» и серийно выпускавшейся в Калининграде – поработал и автор этой статьи. Следует отметить, что вместо американского телетайпа в «Электронике-100» использовали чешскую электрифицированную печатающую машинку «Консул-254», а также встроенные и периферийные устройства (таймер, АЦП), выпускаемые как самим Калининградским заводом, так и поставляемые по кооперации.

На опытно-показательном заводе «Хроматрон», где изготавливались первые в стране цветные кинескопы, создавалась комплексная система автоматизации предприятием, удостоенная в 1974 г. Государственной премии СССР. С использованием «Электроники-100» были разработаны две подсистемы для автоматизации технологических процессов, причем первая заработала уже через 2 месяца. И хотя фактически был задействован один контур управления и распечатка сведений о каждом измерении, эта АСУТП была тиражирована впоследствии на 3 заводах и проработала еще 16 лет, т.к. за счет оптимизации режима травления приносила экономический эффект.

Для второй подсистемы распечатка необходимых сводок «в лоб» с помощью медленного «Консула» не вписывалась во временные рамки решения всех остальных задач подсистемы. А рядом, в другой подсистеме, работала ЭВМ «Электроника К-200», и шепотом говорили, что это – гражданский аналог Боевой Информационно-Управляющей Системы «УЗЕЛ» для подводных лодок. Подумалось, что для таких-то систем наша скромная задача диспетчирования – просто пустяк! Попросили показать документацию, сопровождавшую ЭВМ «Электроника К-200» на заводе «Хроматрон». В документации относительно этой задачи значилось следующее: работа организована по принципу: «Первым пришел – последним вышел»!

Пришлось нам самим за несколько месяцев разработать для «Электроники-100» так называемую «программу-диспетчер», фактически реализовавшую важнейшие функции операционной системы реального времени (мультипрограммный режим работы, работа по прерыванию, наличие служб времени, ввода/вывода, учет приоритетов и др.). На базе этой универсальной программы удалось решить еще немало задач по созданию АСУТП как в Москве, так и в Зеленограде.

Сейчас можно только удивляться, как эту программу, какой не было и у американского прототипа машины, удалось реализовать в 2К 12-разрядной ЭВМ, оставив еще 2К для всех остальных задач! По современным меркам [7], говоря словами Академика РАН, директора Института системного программирования РАН, заведующего кафедрой системного программирования ВМиК МГУ, председателя Российской ассоциации свободного программного обеспечения (РАСПО) В.П. Иванникова «Операционная система – небольшая программа. Ну, семь миллионов строк… Нужно делать микроядро операционной системы, которое состояло бы не из семи миллионов строк, а скажем, из нескольких десятков тысяч, но чтобы код этот действительно не содержал ошибок. Это безумная задача. Но для маленьких программ она может быть решена».

И мы эту задачу решили, а свой опыт (все алгоритмы и даже коды программы-диспетчера) изложили в книге [8]: Акушский И.Я., Трояновский В.М. «Программирование на «Электронике-100» для задач АСУТП», изданной в 1978 г. «Советским радио» тиражом 23 тыс. экз., т.е. практически для каждого программиста, работающего на выпущенных миниЭВМ. Первая часть книги – фактический учебник по этой новой тогда ЭВМ, вторая часть книги содержит описание новых научных и технических результатов по применению статистических методов в управлении производственными процессами и построению программ реального времени.

О важности такой открытости я впоследствии получил два подтверждения. Первый раз это случилось на конференции в Северодонецке в том же 1978 г., где рассматривались вопросы разработки миниЭВМ ряда «Параметр», «М-600», «М-7000», которые воспроизводились в Минприборе с американских аналогов фирмы HP. Круг обсуждавшихся вопросов уж очень близко соприкасался с рассмотренными в моей книге. Самой книги у меня с собой не оказалось, и я пошел в книжный магазин, чтобы иметь отработанный материал для дискуссий. И что же? В городе, где разрабатывались машины совсем иной архитектуры, книги не оказалось, сказали – давно распродана!

В другой раз свою книгу про «Электронику-100» я увидел в конце 90-х годов в руках у студента-вечерника в МИЭТ, который на мой вопрос: «Зачем ему эта книга – ведь ЭВМ-то уже давно не выпускается?» ответил: «Здесь ценные алгоритмы!». Уместно вспомнить, что для АСУТП стандарты предусматривают наличие 5 минимальных компонент: техническое обеспечение, программное обеспечение, информационное обеспечение, организационное обеспечение и обслуживающий персонал. Практически всем этим компонентам и их открытым, гражданским применениям послужила наша книга.

Был еще один аспект применений «Электроники-100». Для технического обеспечения АСУТП важную роль играют устройства связи с объектом (УСО). В СКБ Калининградского завода для этой цели выпускались отдельные устройства. Но миниЭВМ выпускались уже десятками в месяц (против единиц – для больших ЭВМ), а надвигавшиеся микроЭВМ – уже сотнями и даже тысячами в месяц. Тут МЭП выступал своеобразным локомотивом научно-технического прогресса в нашей стране. Но как быть с периферийными устройствами для ЭВМ и УСО?

Во всем мире эти вопросы тоже остро стояли, и решение, как ни странно, предложили физики-ядерщики. В международном ядерном исследовательском центре (Цюрих, Швейцария), где ставилось самое лучшее и передовое оборудование, включая разнородные ЭВМ, возникла проблема унификации устройств сопряжения ЭВМ с научным оборудованием. Специальный комитет на протяжении ряда лет выработал концепцию создания безлицензионного оборудования CAMAC (Computer Aided for Measurement And Control – Контроль и измерение с помощью ЭВМ). И такое оборудование, выполняющее фактически роль модульного УСО, легко сопрягаемого с любыми ЭВМ, стало разрабатываться и выпускаться в разных странах. Термин «CAMAC» в нашей стране легко преобразовали в «КАМАК», а за выпуск аппаратуры взялся тот же Калининградский завод. Первой отечественной ЭВМ, к которой КАМАК был подключен, оказалась «Электроника-100». Однако КАМАК, принятый в нашей стране за стандарт в академических учреждениях, оказался слишком изящным для задач АСУТП, о чем мне пришлось написать специальную статью [9], кстати – первую публикацию о КАМАКе на русском языке.

В ходе работ с «Электроникой-100» был приобретен бесценный и многогранный опыт, использованный при разработке программного обеспечения для первых отечественных микроЭВМ. За счет применения первых микроЭВМ ряда «Электроника-НЦ» удалось повысить эффективность использования импортного прибора для научных исследований в 20 раз. Автоматизированная система оперативно-диспетчерского управления для цеха производства микросхем на пластинах, за счет удачных архитектурных и аппаратно-программных решений, а также научно-обоснованного подхода, обрела высокую надежность и живучесть, несмотря на наличие в системе потенциально ненадежных элементов.

Автор является Главным конструктором по оснащению всего семейства отечественных диалоговых вычислительных комплексов (ДВК) базовым программным обеспечением и их применению в САПР изделий электронной техники системы «Кулон-III». В СССР к 1985 г. было изготовлено и внедрено ДВК больше, чем всех остальных ЭВМ, вместе взятых. Работы по созданию ОС ДВК дали экономический эффект в миллионы рублей.

И это все – просто следующие шаги от первых применений «Электроники-100». Конечно, они становились все увереннее, привлекали все больше молодежи, переросли в преподавание в вузе и написание учебных пособий [10]. Но, может быть, преувеличена значимость гражданских применений ЭВМ? Увы, опыт фирмы DEC свидетельствует об обратном. Архитектура 16-разрядной ЭВМ PDP-11 оказалась столь простой, надежной и удачной, что была принята в качестве стандарта для военных применений в США. Ряд PDP-11 постоянно пополнялся, включив в себя с одной стороны микроЭВМ LSI-11/03, а с другом стороны – супер-миниЭВМ PDP11/70[1]. Вслед за PDP-11 появились вычислительная сеть DECnet и совместно с Intel и Xerox создан Ethernet, разработаны 32-разрядные VAX и микроVAX, но…

Обращает на себя внимание тот факт, что открытый фонд программного обеспечения для DEC-программ был создан только в 1987 году. Военные приложения сыграли c ЭВМ фирмы DEC злую шутку, ограничив круг общения программистов. Для сравнения укажем, что фирма IBM тщательно готовилась к выходу на рынок персональных компьютеров, и когда в 1984 году вместо ожидаемых $ 5 млрд. получила только $ 4 млрд., сочла недостаточным развитие программного обеспечения для своих компьютеров. Именно тогда появились нынешние программные гиганты Microsoft и Borland, взявшиеся за создание прикладных программ для IBM-совместимых компьютеров. Через несколько лет число таких программ насчитывало десятки тысяч наименований, в то время как каталог программ для DEC-машин ограничивался 800 наименований. В результате с 90-х годов фирма DEC отказалась от производства своих оригинальных компьютеров, перешла на архитектуру Intel и вновь стала специализироваться на выпуске высокоскоростных микросхем и рабочих станций для их проектирования. В свете изложенного можно констатировать, что опыт открытых применений «Электроники-100» и широкое освещение этих приложений, дополненные освоением и выпуском на заводе-изготовителе ЭВМ системы КАМАК, сыграли важную роль в развитии отечественных работ по широкому внедрению систем реального времени на мини- и микроЭВМ.

Примечание

1. Среди других зарубежных фирм, связанных с миниЭВМ, а позднее – и с микроЭВМ (начало-середина 70-х г.) и персональными компьютерами (середина 80-х г.) следует указать HP, Intel, Apple, IBM.

Список литературы

  1. http://www.compgramotnost.ru/istoria-computera/poyavilas-pervaya-evm
  2. Б.Н. Малиновский. История вычислительной техники в лицах.
  3. Гальперин М.П. Прыжок кита. – СПб.: Политехника-сервис,2010–352 с.
  4. Шура-Бура М.Р. Интерпретирующая система ИС-2 для М-20 / В кн.: Стандартные программы для машин типа М-20, I, М., 1963, с. 3-20.
  5. http://www.wikiznanie.ru/ru-wz/index.php/%D0%AD%D0%92%D0%9C
  6. Леонид Черняк. Памяти Digital Equipment Corporation / «Открытые системы», № 03, 2002.
  7. Разрабатывать собственную операционную систему нет резона. http://yarcenter.ru/content/view/24709/79/
  8. Акушский И.Я., Трояновский В.М. «Программирование на «Электронике-100» для задач АСУТП. М.: Советское радио, 1978 г.
  9. Трояновский В.М. Система КАМАК и задачи ее применения в АСУТП. «Приборы и системы управления», № 3, 1976.
  10. Трояновский В.М. Информационно-управляющие системы и прикладная теория случайных процессов: Учебное пособие. М.: Гелиос АРВ, 2004. 304 с.

Об авторе:

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
troy40@mail.ru


Материалы международной конференции SORUCOM 2011 (12–16 сентября 2011 года)
Помещена в музей с разрешения автора 20 Ноября 2013

Проект Эдуарда Пройдакова
© Совет Виртуального компьютерного музея, 1997 — 2017