История развития авиационных бортовых цифровых вычислительных машин в России

История развития авиационных бортовых  
цифровых вычислительных машин в России.

Цифровые вычислительные средства в составе бортового  оборудования самолетов появились  на рубеже 60-х годов и за относительно короткий срок практически полностью  заменили используемые ранее аналоговые вычислители, поскольку обеспечивали более высокую точность решения задач, характеризовались большей универсальностью применения и обладали широкими логическими возможностями.

Эти качества бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ) позволяют использовать ее практически во всех подсистемах бортового оборудования самолета, обеспечивают устойчивость БЦВМ к усложнению алгоритмов и позволяют применять более сложные, а значит, и более совершенные законы управления самолетом и его подсистемами. Они позволили осуществить информационное взаимодействие между отдельными (ранее непосредственно не взаимодействовавшими) подсистемами бортового оборудования и образовать единый комплекс бортового оборудования (КБО), что в конечном счете повысило эффективность выполнения полетного задания и безопасность полета.

Использование БЦВМ потребовало определенной унификации радиоэлектронного оборудования самолета, в результате которой сократились  сроки и снизились затраты  на разработку и последующую модернизацию КБО и затраты на его эксплуатацию.

Для эффективного применения средств  цифровой вычислительной техники в  составе бортового оборудования самолетов необходимо было решить следующие  проблемы:

разработать БЦВМ, максимально удовлетворяющие  по всем параметрам требованиям конкретного применения;

создать системы обмена информацией, обеспечивающие как сопряжение БЦВМ с бортовой аппаратурой (датчиками  и исполнительными органами), так  и взаимодействие машин между  собой в составе бортовой вычислительной системы;

разработать ПО, включающее средства создания и отладки программ и средства, обеспечивающие вычислительный процесс и функционирование машины.

Необходимость решения двух первых проблем была очевидна изначально, а вот создание ПО казалось делом  второстепенным. Поэтому на ранних стадиях развития цифровой авионики основное внимание уделялось разработке БЦВМ и средств ее сопряжения с бортовой аппаратурой. Проблема создания ПО обострялась по мере усложнения структуры машины, расширения круга решаемых задач, появления и развития бортовых вычислительных систем, и в настоящее время затраты на разработку ПО превышают затраты на создание аппаратных средств.

Разработка средств цифровой вычислительной техники для бортового оборудования самолетов началась в СССР во второй половине 50-х годов. В это время подавляющее большинство НИИ и приборостроительных КБ Минавиапрома (OКБ "Электроавтоматика" – ЛНПОЭА, МИЭА, ГосНИИАС, НИИП) и Минрадиопрома (НИИ "Аргон" – НИЦЭВТ, ВНИИРА, НПО "Вега", МНИИ "Агат") (везде использованы современные названия) и ряд других предприятий начали разработку макетов различного рода цифровых вычислительных устройств (ЦВУ), бортового оборудования самолетов, а затем и ракет. К началу 60-х годов были созданы бортовые ЦВУ, специализированного и универсального типов, большинство из которых практически не были востребованы. Исключение составляла БЦВМ "Пламя-ВТ" (НПО "Вега"), которую можно рассматривать как прототип машин серии "Орбита".

К середине 60-х годов определились три предприятия – ЛНПОЭА (ОКБ "Электроавтоматика", С.-Петербург), НИЦЭВТ (НИИ "Аргон", Москва), и ХК "Ленинец" (С.-Петербург), на три последующих десятилетия ставшие основными разработчиками БЦВМ авиационного применения. Позднее разработку БЦВМ проводили и другие предприятия, такие, как МИЭА (Москва), МНИИ "Агат" (Жуковский), ОКБ "Авиаавтоматика" (Курск), 3-й МПЗ МНПК "Авионика" (Москва) и др. В начале 90-х годов в число разработчиков БЦВМ вошло Раменское приборостроительное КБ (РПКБ), НИИСИ РАН, ОАО "Русская авионика" (Жуковский). Основным разработчиком БЦВМ для ракет, используемых в качестве авиационного вооружения, стал НИИ приборостроения (Москва), который за этот период разработал серию бортовых вычислительных устройств (БЦВУ-201, БЦВУ-301, БЦВУ-305-10, БЦВУ-305-12, БЦВУ-350, БЦВУ-400) и серию встраиваемых БЦВМ ("Заря-30", "Заря-32", "Заря-32M", "Заря-35", "Заря-37M", "Заря-38" и "Заря-32МК"), а также автономные БЦВМ "Заря-40" и "Заря-41".

С появлением серийно выпускаемых  микропроцессоров (МП) разработка различных  БЦВМ пошла широким фронтом. В  это время были созданы: БЦВМ серии "Интеграция", Ц-175, Ц-176 (ХК "Ленинец", БЦВМ "Молния" и "Молния-Д" (МНПК "Авионика"), БЦВМ "Алиса" (МНИИ "Агат"), БЦВМ МПО (ОКБ "Авиаавтоматика"), БЦВМ "Сигма" (НПЦ "Синис") и ряд других. Однако большинство этих разработок не получило практического применения. В 90-х годах создаются БЦВМ на основе i80386 и i80486, в числе которых можно отметить семейство БЦВМ-386/486 (АО РПКБ), БЦВМ МВК (ОАО "Русская авионика") и БЦВМ МБ-5 (АО НТЦ "Модуль").

Уже в начале 70-х годов БЦВМ используются практически во всех подсистемах КБО. Эти подсистемы создавались на предприятиях различных министерств. Например, радиоэлектронные комплексы разрабатывались Минрадиопромом и оснащались БЦВМ, созданными в НИИ "Аргон", навигационно-пилотажные комлексы и системы индикации разрабатывались Минавиапромом и оснащались БЦВМ, созданными в ЛНПОЭА. На борту самолетов использовались БЦВМ с различной архитектурой, что серьезно затрудняло отработку аппаратуры и программного обеспечения КБО, увеличивало сроки создания комплексов, повышало затраты на их разработку и эксплуатацию.

На основе анализа, проведенного в  конце 70-х – начале 80-х годов  была разработана программа создания семейств унифицированных СБЭВМ  для использования на подвижных  объектах всех классов. Эта программа была утверждена в 1984 г. решением Государственной Комиссии. В соответствии с ней в ЛНПОЭА были начаты работы по созданию унифицированных СБЭВМ – СБ3541 и СБ3542 с архитектурой типа "Электроника-32", а в НИИ "Аргон" – СБ5140 с архитектурой "ПОИСК". К сожалению, эта программа нe была выполнена. Были разработаны лишь отдельные машины (и то со значительным oтставанием по срокам) – СБ3541 на базе МПК1839, СБ5140 и СБ5580 на основе БМК 1537ХМ2. Опыт работ по созданию СБЭВМ был учтен, а сама идея межвидовой унификации получила логическое завершение в разработках ЭВМ семейства "Багет" (головной разработчик НИИСИ РАН), в состав которого входят также и машины авиационного применения "Багет-53", "Багет-52", "Багет-63" и "Багет-62"

Одновременно с машинами общего назначения велись работы по созданию специализированных процессоров для обработки сигналов. В ХК "Ленинец" был создан первый промышленный программируемый процессор сигналов Ц200 и разрабатывается новый процессор Ц300. НИИСИ РАН (КБ "Корунд-М") представил свой образец сигнального процессора "Багет-55-02" (Ц400), который выполняет операции "бабочка" со скоростью 40 млн. оп/с. В настоящее время разрабатывается более совершенный процессор Ц600.

На протяжении трех десятилетий  БЦВМ качественно изменялись. Их быстродействие увеличилось более чем на три порядка и достигло десятков миллионов операций в секунду, а емкость запоминающих устройств достигает 8–16 Мб. Одновременно уменьшились вес и энергопотребление. Это обусловлено совершенствованием элементной базы, архитектуры и структурной организации машин.

Если в начале для построения БЦВМ использовались дискретные компоненты, то по мере развития элементной базы они  заменялись интегральными схемами (ИС), затем схемами со средней  и большой интеграцией (СИС и  БИС) и наконец микропроцессрными комплектами БИС (МПК БИС).

Замена дискретных компонентов  большими интегральными схемами  позволила повысить быстродействие машины более чем на два порядка  при одновременном снижении на порядок  и более энергопотребления и  веса. Совершенствование микропроцессоров в 80-х и начале 90-х годов позволило поднять еще как минимум на порядок быстродействие БЦВМ, также улучшились внутренние и внешние интерфейсы вычислительных машин.

В первых БЦВМ использовались неунифицированные  шины, обеспечивающие взаимодействие между блоками машины и преобразователи "код – аналог" и "аналог – код" для связи с абонентами. По мере развития структуры БЦВМ в качестве внутреннего интерфейса сначала использовался интерфейс "общая шина", ГОСТ 26765.51–86, а затем и системная шина VME, которая уже является открытым интерфейсом. Аналоговый внешний интерфейс дополняется радиальными каналами для передачи последовательных кодов с пропускной способностью 48 кбит/с (ГОСТ 18977–79), затем в состав внешнего интерфейса вводятся мультиплексные каналы с пропускной способностью 1 Мбит/с (ГОСТ 26765.52–87). В дальнейшем, по мере совершенствования структуры, в составе внешнего интерфейса можно использовать каналы по ГОСТ50832–95 (20 Мбит/с), сетевые интерфейсы типа AS4074 (HSDB), а в перспективе и интерфейс типа SCI (в варианте для систем реального времени – 1394) с пропускной способностью 1 Гбит/с и 1 Гб/с.

Проанализировав этапы развития элементной базы, архитектуры, структуры БЦВМ, ее ПО, можно сформулировать основные признаки, характеризующие поколения бортовых цифровых вычислительных машин.

Хотя любая БЦВМ может быть лишь условно отнесена к какому-либо конкретному  поколению, так как некоторые  ее параметры могут соответствовать  или предыдущему, или последующему поколениям.

Для БЦВМ первого поколения были характерны относительно низкий информационно-вычислительный потенциал и довольно примитивная (с современной точки зрения) структура, реализуемая с применением дискретных компонентов. Структуру этих БЦВМ составляли арифметическое устройство (АУ), оперативное и постоянное запоминающие устройства (ОЗУ и ПЗУ), устройство управления (УУ) и вторичный источник питания (ВИП). Память машин была одноуровневой. Закрытая архитектура этих машин строилась на основе функциональных блоков, которые разрабатывались специально для каждого конкретного случая. Любая модернизация требовала дополнительной разработки соответствующих функциональных блоков с нужными характеристиками. Программирование производилось в машинных кодах, а для отработки программ использовались интерпретирующие системы и пульты контроля и индикации.

К типовым представителям БЦВМ первого  поколения относятся созданные  в ЛНПОЭА ЦВМ-263 и ЦВМ-264, которые  выпускались серийно с 1964 г. Машины имеют быстродействие 62 тыс. оп/с (для  операций регистр – регистр) и 31 тыс. оп/с (для операций регистр – память), ОЗУ емкостью 256 16-разрядных слов и ПЗУ емкостью 8Кx16 бит. Наработка на отказ – 200 ч, масса – 330 кг, потребляемая мощность – 2000 Вт.

В структуре БЦВМ второго поколения  начинают использоваться элементы конвейеризации, обеспечивающие совмещение в выполнении операций, процессоры, содержащие более совершенные сумматоры и специальные устройства для выполнения операций умножения, деления и вычисления элементарных функций. Структура машин реализуется на интегральных схемах, но остается детерминированной и трудно модернизируемой, т. е., по существу, закрытой. Для написания программ "начинают использоваться языки уровня ассемблера, а для их отработки – специальные отладочные комплексы, объединяющие БЦВМ с инструментальной вычислительной машиной.

Взаимодействие с абонентами БЦВМ первого и второго поколений  производилось через устройство сопряжения (УС), которое содержало  необходимый набор преобразователей "аналог – цифра" и "цифра  – аналог", так как бортовая аппаратура имела в основном аналоговый интерфейс.

Это устройство конструктивно  выполнялось или в виде автономного  блока, взаимодействующего с машиной  по цифровому каналу, или интегрировалось  с БЦВМ, образуя устройство ввода-вывода. Уже для БЦВМ первого поколения была сделана попытка унификации введением нормали 847АТ, которая регламентировала параметры аналоговых каналов. Для обмена последовательными кодами и разовыми командами в бортовых машинах второго поколения вводятся каналы ARINC-429 (ГОСТ 18977–79).

Ко второму поколению  условно можно отнести БЦВМ семейств "Орбита-10" и "Орбита-20", созданные  в ЛНПОЭА, а также БЦВМ "Аргон-15" разработки НИИ "Аргон" (НИЦЭВТ).

Серийный выпуск БЦВМ семейства "Орбита-10" начат в 1970 г. В составе семейства – более десяти модификаций, имеющих одинаковое быстродействие и различающихся составом УВВ и емкостью памяти.

БЦВМ семейства "Орбита-10" – 16-разрядные, их быстродействие в  формате R-S и R-R равно 62,5 и 125 тыс. оп/с. В  базовой модели используется ОЗУ емкостью 1024 слова, ПЗУ емкостью 16К слов и ЭЗУ емкостью 256 слов. Наработка на отказ, вес и энергопотребление зависят от конфигурации машины и находятся в пределах 250–500 ч, 90–60 кг и 1500–500 Вт соответственно.

Программирование БЦВМ семейства осуществлялось на уровне машинных кодов, делались попытки создания языка программирования на уровне ассемблера. Для отладки ПО ГосНИИАС предложил комплекс отработки программ (КОП) в составе бортовой машины, инструментальной ЭВМ и аппаратуры, обеспечивающей их сопряжения.

Серийное производство БЦВМ семейства "Орбита-20" (ЛНПОЭА), объединяющего более 50 различных  модификаций, начато в 1974 г. Поныне БЦВМ этого семейства остаются самыми массовыми вычислительными машинами авиационного применения.

Все машины семейства  имеют одинаковое быстродействие, равное 200 тыс. оп/с (операции сложения) и 100 тыс. оп/с (операции умножения). Базовая модель включает ОЗУ емкостью 512 слов и ПЗУ емкостью 16К слов.

Диапазон изменения  основных характеристик машин семейства "Орбита 20":

Емкость памяти, кило слов: ОЗУ 0,5–4,5; ПЗУ 16–64; ЭЗУ 0–1

Входные аналоговые каналы 6–64; Выходные аналоговые каналы 1–36;

Разовые входные команды 16–96; Разовые выходные команды 16–96;

Входные каналы по ГОСТ 18977–79 0–14; Выходные каналы по ГОСТ 18977–79 0–2;

Энергопотребление, Вт  65–600

Наработка на отказ, ч  4000–300

Масса, кг  8,5–76; Время  непрерывной работы, ч  6–25

Бортовая цифровая вычислительная машина "Аргон-15", разработана  в начале 70-х годов. Она поставлялась пользователям как вычислительное устройство, состоящее из центрального процессора (ЦП) с быстродействием 200 тыс. оп/с (операции сложения), ОЗУ емкостью 2К слов, ПЗУ емкостью 32К слов (четыре блока по 8К слов) и энергонезависимого ЗУ (ДЗУС). Средства сопряжения машины с бортовой аппаратурой (УВВ) создавал разработчик соответствующей подсистемы.

К середине 80-х годов  было разработано четыре модификации  машины: "Аргон-15", "Аргон-15А", "Аргон-15К" и "Аргон-15-М". БЦВМ "Аргон-15" (ОЗУ – 1К, ПЗУ – 24К  слов) имеет массу 35 кг и наработку  на отказ 500 ч. Быстродействие машины "Аргон-15К" – 500 тысяч, а "Аргон-15-М" – 800 тысяч коротких операций в секунду. БЦВМ "Аргон-15-М" при общей емкости памяти 86К слов (ОЗУ – 5К, ПЗУ – 80К и ДЗУС – 1К слов) имеет наработку на отказ 5000 ч и весит 16,6 кг.