О развитии отечественной вычислительной техники для военных систем управления
ВОЕННАЯ МЫСЛЬ № 6(11-12)/2001
О развитии отечественной вычислительной техники для военных систем управления
Полковник в отставке В.В.ЛИПАЕВ,
доктор технических наук
ИСТОРИЯ создания и применения ЭВМ в отечественных системах и средствах вооружения почти не известна поколению современных специалистов в области информационных технологий. Между тем созданные в 50-80-е годы вычислительные машины и комплексы программ для военной техники имели множество оригинальных решений и обеспечивали паритет с Западом в этой области обработки информации и управления сложными системами. Поэтому целесообразно обратиться к истории, с тем чтобы иметь возможность использовать накопленный опыт в настоящее время.
В 50-е годы, на начальном этапе развития отечественной вычислительной техники, основное внимание разработчиков было сосредоточено на создании ЭВМ, предназначенных для решения сложных математических задач. Это были стационарные машины, ориентированные на последовательное или пакетное решение задач вне связи с реальным масштабом времени и динамическим изменением параметров объектов внешней среды. Именно они впоследствии образовали наиболее широкий класс универсальных ЭВМ, нашедших применение в самых различных областях.
К концу 50-х годов в оборонных отраслях промышленности и в организациях Министерства обороны страны возник интерес к использованию вычислительных машин для обработки информации и управления в военных системах. Однако на этом пути было немало трудностей. Во-первых, новые задачи, которые предстояло решать ЭВМ, значительно отличались по своему характеру от традиционных. Кроме того, выявилась невозможность применения универсальных ЭВМ в военных системах для решения задач управления в реальном масштабе времени. Поиски решения данной проблемы привели к созданию мобильных ЭВМ, размещаемых на подвижных или перемещаемых объектах.
Особенности функциональных задач, специфика сферы применения, а также жесткие межведомственные барьеры и ограничения по секретности привели к тому, что обмен информацией о разработках специализированных мобильных ЭВМ между специалистами разных отраслей и предприятий был резко ограничен. Почти отсутствовала информация о технических характеристиках и принципиальных особенностях зарубежных машин данного класса. В результате были сконструированы сотни типов ЭВМ с различной архитектурой и характеристиками. Такая обособленность при разработке широкого спектра вычислительных машин вела к большим финансовым затратам, что, безусловно, являлось минусом. Но, с другой стороны, она имела и свои плюсы, так как в результате появилось множество оригинальных и очень эффективных технических решений, и это способствовало сохранению паритета с Западом в различных областях военной техники.
Отсутствие в 50-70-е годы развитой централизованной промышленности электронных компонентов приводило к тому, что их разработка велась зачастую теми же предприятиями, которые создавали архитектуру ЭВМ и системы управления в целом. Вследствие этого элементная база часто выполнялась полукустарно, была разнотипной, не отличалась высоким качеством и технологическим уровнем. Многие предприятия оборонных отраслей вели разработку систем по полному циклу, начиная с создания элементной базы ЭВМ и кончая созданием программного обеспечения. В результате возникало множество параллельных, неунифицированных разработок, а также значительно увеличивались длительность разработки и стоимость проектов. Впоследствии это усложнило производство множества разнотипных ЭВМ, привело к трудностям в сопровождении и модернизации военных систем управления в целом.
Традиционно руководители проектов военных систем уделяли основное внимание разработке аппаратуры, это касалось и вычислительных средств. Поэтому появление в конце 50-х годов принципиально нового вида изделий - программного обеспечения, в котором сосредоточивались интеллектуальная сущность методов и процессов управления, а также значительная доля факторов, определяющих качество и эффективность военных систем, многими руководителями недооценивалось. Для разработки программ не выделялось необходимое количество специалистов, не оценивались должным образом необходимые затраты и ресурсы. Труд программистов считался простым, не требующим специального технологического оснащения. Заказчики и руководители проектов никак не хотели понимать, что на создание программ необходимого качества требуются затраты, соизмеримые с затратами на аппаратуру. В 60-е годы производительность труда специалистов при полном цикле разработки сложных программных комплексов объемом в сотню тысяч команд составляла в среднем 0,1 - 0,3 команды в день на человека. В результате на создание такого комплекса с учетом всех вспомогательных работ и испытаний затрачивалось до тысячи человеко-лет. Отсутствие отработанной технологии, относительно низкая квалификация и оплата труда большинства программистов не позволяли увеличить производительность труда и повысить качество программирования.
В 60-70-е годы заказчики военных систем непрерывно расширяли номенклатуру задач, решаемых ЭВМ, и повышали требования к качеству их выполнения. Этому сопутствовал быстрый рост объема и сложности программ. Из-за низкой производительности труда приходилось увеличивать численность разработчиков программ, интенсивно обучать новые кадры.
Развитие технологии производства военных ЭВМ и их элементной базы не поспевало за ростом требований к их ресурсам по памяти и производительности, необходимым для реализации новых задач. Одновременно возрастала сложность задач управления, возлагаемых на ЭВМ, что вызывало необходимость повышения качества, надежности функционирования и безопасности применения систем управления.
Многие системы управления военного назначения, оборудованные мобильными ЭВМ, производились в небольшом количестве (единицы, десятки или сотни экземпляров), что ориентировало разработчиков на применение оригинальных технических решений и вызывало пренебрежение унификацией и стандартизацией аппаратуры, программ и технологии их производства. Ведомства заказчиков не координировали между собой технические требования к вычислительным средствам. Каждое из них адаптировали к задачам конкретного заказчика. В результате появилось множество разнотипных программно-аппаратных комплексов, нередко решающих одни и те же задачи. Особенно это было характерно для авиационных и ракетных систем.
Системы военного назначения с самого начала применения вычислительной техники отличались широким спектром задач, количество и разнообразие которых по мере их апробации резко возрастало. Для их решения разрабатывались соответствующие алгоритмы, которые позволяли действовать в реальных условиях, используя доступные ресурсы.
Принципиальная особенность программ специализированных управляющих ЭВМ военного назначения заключалась в наличии и выделении двух классов переменных - квазинепрерывных результатов измерения характеристик или координат внешних объектов и логических признаков объектов или процессов. При этом преобладали логические операции, а вычислительные составляли относительно небольшую долю.
Функциональные задачи многих военных систем управления в реальном времени характеризовались интенсивными случайными потоками неоднородных данных, длительность обработки которых во многом зависела от типов поступающих данных и моментов их обработки. Необходимости накапливать и хранить продолжительное время большие объемы информации не было, поэтому базы данных о состоянии внешней среды имели сравнительно небольшой объем и практически отсутствовали специальные системы управления ими. Только некоторые стационарные военные системы (штабные) располагали довольно крупными базами данных, но для них допускалась работа в менее напряженном режиме с более длительной задержкой отклика.
Ограниченное целевое назначение рассматриваемых систем выдвигало относительно простые требования к управлению процессами решения задач на ЭВМ в реальном времени. Вследствие этого операционные системы мобильных военных ЭВМ не содержали универсальных компонентов, предназначенных для различных вспомогательных, в том числе технологических задач. Такие компактные специализированные операционные системы обеспечивали только минимум необходимых функций по диспетчеризации процессов решения задач, обмену информацией с внешними абонентами, контролю вычислительного процесса, а также содержали специальные средства для повышения надежности функционирования.
Ориентация на решение конкретных задач и конструкционные требования минимизации веса и габаритов обусловливали предельную ограниченность ресурсов памяти и производительности военных ЭВМ. Отсутствие избыточности ресурсов заставляло разработчиков и заказчиков искать компромисс между широтой реализуемых функций, сложностью алгоритмов решаемых задач и необходимым качеством результатов функционирования системы. Ограничение ресурсов ЭВМ требовало от разработчиков предельно экономного их использования, что, как правило, обеспечивалось за счет оригинальных архитектурных решений.
Жесткие ограничения по массе и габаритам, высокие требования к климатическим характеристикам и допустимым механическим перегрузкам, к надежности функционирования не могли быть реализованы в одном типе машин. Таким образом, к концу 70-х годов существовал широкий спектр (около 300 типов) мобильных ЭВМ военного назначения, различающихся архитектурой и структурами команд, а также конструктивным оформлением, зависящим от области применения. В них почти полностью отсутствовало вспомогательное и периферийное оборудование, не требующееся для непосредственного решения функциональных задач конкретной системы управления.
Только в начале 80-х годов началась унификация архитектуры мобильных военных ЭВМ, вызванная необходимостью внедрения систем автоматизации программирования, для реализации которых не хватало ресурсов памяти и производительности на управляющих машинах. Их архитектуру стали ориентировать на наиболее распространенные в стране ЭВМ типа СМ или ЕС. Предполагалось, что это позволит полностью отрабатывать комплексы программ на универсальных ЭВМ, а затем переносить их без изменений на управляющие. Однако специфика управляющих ЭВМ реального времени не нашла своего полного отражения в универсальных, вследствие чего окончательную комплексную отладку и испытания приходилось проводить на реальных управляющих ЭВМ. Этот процесс развивался очень медленно вследствие огромного объема «унаследованных» программ, уже используемых в реальных системах. Поэтому одновременно шло совершенствование старых ЭВМ в направлении повышения производительности и увеличения объема памяти. Это позволяло сохранять испытанные и эксплуатируемые программы и вводить новые без полной разработки всего комплекса программ системы управления.
Таким образом, принципиальной особенностью автоматизации программирования в военных системах управления в реальном времени явилось использование универсальных технологических ЭВМ с большими ресурсами, отличавшимися по конструкции и структуре команд от управляющих ЭВМ. Технологические ЭВМ имели соответствующие операционные системы широкого назначения и более или менее развитую периферию.
Первыми технологическими инструментами стали простейшие трансляторы-интерпретаторы, обеспечивающие исполнение на универсальных ЭВМ программ управляющих вычислительных машин. Такие инструментальные комплексы получили название «кросс-системы». Они существенно ускорили и облегчили разработку и автономную отладку модулей и небольших программ и частично автоматизировали выпуск программной документации.
К концу 70-х годов разработкой программ для систем военного назначения в нашей стране занималось около 100 тыс. специалистов, которые создавали одновременно сотни сложных программных комплексов. К этому времени их производительность труда существенно повысилась (до 1-3 команд в день на человека). Особенно острыми стали проблемы борьбы с программными ошибками и обеспечения высокой надежности функционирования комплексов программ в реальном времени. Высокая стоимость и риск аварий при использовании реальных объектов для комплексной отладки программ заставили активно создавать стенды для имитации внешней среды в реальном времени с использованием технологических ЭВМ.
Кросс-системы обеспечивали первичную разработку и автономную отладку относительно небольших программ. Комплексная отладка в реальном времени крупных программ на технологических ЭВМ была невозможна, так как интерпретаторы замедляли их исполнение в сотни раз. Поэтому начали применяться гибридные системы, в которых исполнение программ осуществлялось на реальных управляющих ЭВМ во взаимодействии (по каналам связи) с технологическими ЭВМ, которые использовались для имитации внешней среды и генерации тестов.
Специализированные имитаторы на универсальных ЭВМ позволяли создавать необходимые потоки сообщений от внешних объектов и обрабатывать результаты реакции отлаживаемых комплексов программ на эти сообщения в реальном времени. Тем самым обеспечивалась высококачественная комплексная отладка и испытание реальных программ в адекватной внешней среде без привлечения натурных объектов. Примером может служить первый успешный полет в автоматическом режиме «Бурана», программы которого были отлажены и предварительно испытаны на имитационном стенде.
Современное поколение молодых отечественных специалистов в области информационных систем пользуется импортной вычислительной техникой и импортными типовыми программными средствами, а потому считает, что все достижения в этой области пришли к нам из-за рубежа. На самом деле усилиями множества специалистов предприятий отечественного военно-промышленного комплекса в течение сорока лет было обеспечено поступательное и многостороннее развитие вычислительной техники систем управления и обработки информации, что позволило длительное время сохранять паритет с Западом в различных областях военной техники. Создание специализированных мобильных вычислительных машин и эффективных программ для них еще долго будет оставаться актуальным, в частности, когда речь идет о их применении в космосе, авиации, морском флоте. Поэтому может быть полезным объективный анализ и использование опыта отечественных ученых и конструкторов, многие десятилетия успешно работающих в этой области.
