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

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.

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.

Значительная часть исходных данных в рассматриваемых системах являлась результатом квантованных измерений непрерывных физических величин – координат объектов и их скорости, показаний датчиков напряжения, давления и т. д. Относительно невысокая точность этих данных определяла рациональную разрядность квантования их значений для обработки и хранения на ЭВМ. Поэтому структура разрядной сетки и операции с частью слова выбирались в соответствии с числом разрядов наиболее часто используемых величин, что позволяло экономить объем аппаратуры. Эти же обстоятельства определили практическое отсутствие в специализированных ЭВМ операций с плавающей точкой. Операции с фиксированной точкой были более экономными по использованию оборудования, и вполне удовлетворяли разработчиков программ. В результате были созданы машины с различной базовой разрядностью памяти и основных операций – 12, 16, 18, 20, 24, и т. п. разрядов.

Логические операции в программах производились, как правило, с малоразрядными величинами или даже с отдельными битами. Для их выполнения целесообразно было ориентировать процессоры ЭВМ на удобную и быструю работу с величинами соответствующей структуры и вводить значительное количество специализированных логических операции с различными частями слова. Часть слова памяти (1–6 разрядов) отводилась для различных признаков логических величин. Такая ориентация конструкции машин на особенности основных, функциональных задач позволяла при относительно слабой элементной базе достигать необходимых характеристик по памяти и производительности ЭВМ. Поэтому многие машины только в конце 70-х годов начали приближаться к менее эффективной для конкретных приложений в данной области, универсальной, байтовской структуре операций и обрабатываемых данных.

Специализация систем команд ЭВМ для эффективного решения особых функциональных задач систем, усложняла труд программистов, однако позволяли их решать при минимальных затратах на аппаратуру вычислительной техники. Кроме того, программирование могло начинаться только после полной готовности к применению всей аппаратуры. В результате в крупных системах разработка комплексов программ становилась определяющей совокупные затраты и сроки их производства.