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

Важной особенностью машины явились аппаратные и программные средства для обеспечения мультипрограммного режима. К ним относятся виртуальная адресация памяти со страничной организацией, система прерывания и соответствующие программы операционной системы, наличие нескольких режимов выполнения команд в процессоре. Высокая скорость преобразования виртуальных адресов в физические обеспечивалась размещением таблицы их соответствия в регистровой памяти. Имелись аппаратные механизмы защиты памяти для команд и операндов. Все это обеспечивало возможность динамического распределения памяти в процессе вычислений средствами операционной системы.

По уровню производительности и степени согласования аппаратных средств с архитектурой, а также архитектуры – с алгоритмами научно-технических задач, БЭСМ-6 может быть отнесена к классу суперЭВМ. БЭСМ-6 за счет многочисленных нововведений архитектурного и структурного плана при основной тактовой частоте 10 МГц выполняла в среднем один миллион операций в секунду над 48-разрядными операндами. В начале 60-х годов отечественной промышленностью были созданы высокочастотные транзисторы и диоды, на основе которых была разработана элементная база машины (в машине было использовано около 60 тыс. транзисторов и 180 тыс. диодов).

Назначение машины, ее архитектурные и структурные особенности, отвечающие современным идеям, потребовали создания соответствующей операционной системы и системы программирования, удовлетворяющих требованиям пользователей. БЭСМ-6 стала первой отечественной ЭВМ, которая была принята государственной комиссией и поставлялась как система аппаратных средств совместно с ее системным программным обеспечением (см. главу 3). Работы по исследованию и разработке операционных систем, стратегий распределения ресурсов и планирования вычислений в нашей стране начались широким фронтом с появлением БЭСМ-6 [7, 11].

В 1968-м году на Московском заводе счетно-аналитических машин (САМ) началось производство ЭВМ БЭСМ-6. Полностью новый компьютер на основе транзисторов и интегральных схем был разработан под руководством С.А. Лебедева, В.А. Мельникова и Л.Н. Королева. При его разработке была поставлена серьезная задача – достичь производительности порядка 1000000 операций в секунду (один мегафлоп). БЭСМ-6 сильно опередила свое время, став началом второго поколения ЭВМ. Она вобрала в себя много оригинальных идей. Систем подобного класса в мире не было. Одно из основных отличий и главных новшеств – «лебедевская водопроводная структура» процессора, позволяющая совмещать обработку различных команд на разных стадиях их выполнения.

Уже позже западные коллеги придумали для этого метода термин «конвейер» (все процессоры на сегодняшний день используют конвейерную архитектуру). Отныне к разным блокам памяти можно было обращаться одновременно, появился прообраз кэш-памяти – сверхбыстрое устройство хранения часто используемых данных и команд. Все эти улучшения обеспечили качественный скачок производительности. Коллеги и современники называли С.А Лебедева настоящим гением— при всей сложности собранной системы, он сумел отсечь все ненужное, оставив самые необходимые блоки. В период с 1968-го по 1987-й год было выпущено порядка 400 машин БЭСМ-6, которые использовали в самых разных, преимущественно оборонных отраслях. Важной особенностью БЭСМ-6 считается программное обеспечение – впервые с момента появления отрасли, ЭВМ начали поставлять с необходимым софтом прямо с завода. Для БЭСМ-6 была разработана полноценная операционная система, над ней трудились лучшие советские умы из Института прикладной математики АН СССР, Вычислительного центра Академии наук и Московского государственного университета (см. главу 3).

С.А. Лебедев одним из первых понял значение системного программирования, значение совместной работы программистов-математиков и инженеров при создании вычислительных систем, включающих как неотъемлемую часть технологическое программное обеспечение, состав и качество которого определяет удобство использования и эффективность работы систем в целом. По инициативе С.А. Лебедева в ИТМ и ВТ в 60-е годы была создана лаборатория математического обеспечения, выполнявшая разработку системного программного обеспечения для всех вычислительных систем: ЭВМ БЭСМ-6, многомашинного информационно-вычислительного комплекса АС-6, ЭВМ серии «Эльбрус», ЭВМ специального назначения.

Математики-программисты принимали полноправное участие в разработке архитектур создаваемых машин, математическом моделировании их структурной организации, создании системы автоматизации проектирования ЭВМ. Все схемы БЭСМ-6 по инициативе С.А. Лебедева были записаны формулами булевой алгебры, что открыло широкие возможности для автоматизации проектирования и подготовки монтажной и производственной документации. Она выдавалась на завод в виде таблиц, полученных на «инструментальной» ЭВМ БЭСМ-2. В разработке БЭСМ-6 были впервые применены методы проектирования и описания, которые в дальнейшем стали широко использоваться при создании новейших суперЭВМ. В годы становления вычислительной техники далеко не у всех было понимание важности системного, технологического программного обеспечения и системного (инженерного) программирования. Программирование систем жесткого реального времени (например, в системах ПВО) являлось одной из самых сложных задач программирования, с наиболее высокой ценой каждой допущенной ошибки, которые, тем не менее, проявлялись даже при натурных испытаниях. Надежность в значительной степени обеспечивается большим запасом мощности основных элементных блоков (диоды и транзисторы были нагружены на 25–40 % от допустимого номинала). Время наработки на отказ достигало нескольких сотен часов.

Влияние машины БЭСМ-6 на развитие отечественной вычислительной техники определялось не только длительностью эксплуатации, сколько тем, что заложенные при создании машины идеи оказались весьма плодотворными. Несколько поколений инженеров и программистов, работавших на БЭСМ-6, были воспитаны на этих идеях. Разработка БЭСМ-6, составившей целую эпоху в отечественном вычислительном машиностроении, явилась примером творческого подхода к созданию ЭВМ, учитывающего все возможности, предоставляемые технической базой, математическим моделированием структурных решений, а также возможности производства для достижения наилучших характеристик машины.