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

В начале 60-х годов начали промышленно производиться относительно небольшие, бортовые, мобильные и крупные территориально-распределенные вычислительные системы на базе средств телекоммуникации, функционирующие в реальном времени. Все эти работы проводились в режиме строгой секретности, и каждая функционально законченная система создавалась практически независимо, как от достижений за рубежом, так и от методов и результатов на других отечественных предприятиях.

Ориентация на решение конкретных функциональных задач и конструкционные требования минимизации энергопотребления, веса и габаритов, определяли предельно ограниченные ресурсы памяти и производительности мобильных ЭВМ. Отсутствие избыточности ресурсов заставляло разработчиков и заказчиков искать компромисс между широтой реализуемых функций, сложностью алгоритмов решаемых задач и необходимым качеством результатов функционирования системы. Ограничения ресурсов ЭВМ требовало от разработчиков экономного их использования и поиска архитектурных и технических возможностей совершенствования качества решения задач в пределах имеющихся ресурсов.

Жесткие ограничения, высокие и очень разнообразные требования к климатическим характеристикам и допустимым механическим перегрузкам, а также обычно очень высокие требования, к надежности функционирования принципиально не могли быть удовлетворены одним типом машин. В результате развивалась широкая гамма конструктивов для специализированных ЭВМ военного назначения. Перечисленные выше особенности функциональных задач отражались на архитектуре и структуре операций таких специализированных машин. Вследствие этого к концу 70-х годов сформировался очень широкий спектр (около 300) типов мобильных ЭВМ военного назначения, различающихся архитектурой и структурами команд, ориентированных на особенности функциональных задач, а также конструктивным оформлением, зависящим от областей применения. Эти ЭВМ отличались почти полным отсутствием вспомогательного и периферийного оборудования, не требующегося для непосредственного решения прямых функциональных задач при применении конкретной системы управления и обработки информации.

Развитие в те годы в стране технологии производства и элементной базы специализированных ЭВМ не поспевало за ростом требований к их ресурсам по памяти и производительности, необходимым для реализации всех новых требований и расширяющихся задач заказчиков. Одновременно очень быстро увеличивалась сложность и ответственность задач обработки информации и управления, возлагаемых на ЭВМ, что вызывало рост требований к качеству, надежности функционирования и безопасности применения комплексов программ для военных систем. При этом хронически не хватало вычислительных ресурсов для реализации всех новых и совершенствующихся задач в реальном времени. Для обеспечения решения этих сложных задач в очень ограниченных вычислительных ресурсах, архитектура, и системы команд специализированных ЭВМ приходилось тщательно адаптировать к характеристикам прикладных задач и сфер применения систем оборонного назначения.

Систематически не выдерживались заданные сроки создания специальных вычислительных систем, прежде всего из-за потоков ошибок, выявляемых в программах, которые создавались первоначально в объектном коде без средств автоматизации программирования. Средняя производительность труда при разработке таких программ требуемого качества (по полному циклу разработки со сдачей заказчику) составляла всего 0,1–0,2 команды в день на человека, объем комплексов программ военного назначения уже тогда зачастую достигал и даже превышал 100 тысяч команд, а трудоемкость их создания составляла сотни человеко-лет. Отсутствие отработанной технологии, относительно низкая квалификация и оплата труда большинства программистов не стимулировали повышение производительности, высокое качество результатов программирования и систем в целом.

При разработке программ для первых распределенных вычислительных систем в начале 60 – х годов проявился «заколдованный треугольник» — источники ряда ошибок могли быть с одинаковой вероятностью в: аппаратуре – алгоритмах – программах. Все три источника в опытных образцах систем давали более или менее похожие внешние аномальные эффекты. В результате возникали острые конфликты между специалистами разных направлений, которые не желали признавать свои ошибки и требовались организационные меры и тщательные совместные исследования для определения их причин и источников. Особенно трудно приходилось разработчикам программ, результаты труда которых невозможно было просто «пощупать». Руководителям проектов систем и заказчикам представлялось, что после того, как изготовлена аппаратура – «железо», создать программы – «бумагу» не составляет особого труда, и они долго удивлялись и возмущались непрерывному потоку ошибок и низкому качеству решения функциональных задач.

Вследствие низкой производительности труда разработчиков программ в 60-е годы в мире провозгласили «кризис программирования» и острый недостаток специалистов для разработки программ. В результате приходилось интенсивно обучать новые кадры программистов и увеличивать их численность. Главным конструкторам систем и руководителям проектов таких программных комплексов стало ясно, что необходимо резко повышать производительность труда программистов и создавать новые автоматизированные технологии для разработки и обеспечения жизненного цикла комплексов программ управления и обработки информации военного назначения. Для этого были нужны новые принципиальные решения по методам, технологиям и инструментальным средствам для создания сложных программных продуктов.

4.2. Особенности ЭВМ, ориентированных на задачи в реальном времени

Системы оборонного назначения с самого начала применения вычислительной техники отличались широким спектром принципиально новых и очень разнообразных, преимущественно логических, задач. По мере их апробации, количество и разнообразие задач возрастало катастрофически. Для их решения разрабатывались соответствующие новые алгоритмы, которые должны были ориентироваться на реальные условия применения и доступные ресурсы при реализации в соответствующих специализированных ЭВМ. Алгоритмы частных задач комплексировались в более сложные целостные системы алгоритмов, для координированного решения основных целевых задач соответствующих систем. Для этого необходимо было создание новых методов и алгоритмов объединения и комплексного взаимодействия разнообразных алгоритмов на единой или распределенной вычислительной среде в реальном времени.

Одна из важнейших особенностей систем оборонного назначения состояла в том, что в них большинство процессов протекает очень быстро и для принятия и реализации решений допустимое время реакции исчисляется секундами или даже долями секунды. Поэтому вычислительные средства должны были обеспечивать обработку информации и подготовку управляющих воздействий с высоким темпом, соответствующим динамическим процессам во внешней среде системы. Это определяло требования к ЭВМ и комплексам программ обеспечивать реализацию всех вычислительных процессов в регламенте жесткого реального времени и малого допустимого времени запаздывания реакции на поступающую внешнюю информацию. Эти требования должны были реализовываться с необходимым качеством при любых реальных потоках внешней информации, несмотря на ограниченные вычислительные ресурсы.

В программах специализированных ЭВМ оборонного назначения быстро проявилась принципиальная особенность, состоявшая в наличии двух классов переменных — непрерывных результатов измерения характеристик или пространственных координат и параметров движения внешних объектов, а также логических признаков свойств объектов и особенностей их функционирования. При этом в программах преобладали в большом количестве логические операции и относительно не высокую долю составляли вычислительные процедуры. Анализ состава операций в программах уже первых систем военного назначения выявил, что через 5 – 10 команд следует условный переход и их относительное число составляет до 15–20 %, арифметических операций не более 10 %, а операции с индексными регистрами и пересылки между регистрами достигают 30–40 % от всех одноадресных команд. Подобные распределения доли различных типов операций ЭВМ впоследствии подтвердились в большинстве проектов комплексов программ оборонного назначения.