Аналого-Цифровая Вычислительная Система АЦВС-42: Архитектура, Система Команд АП-41 и Принципы Транслятора

Введение: Актуальность Гибридных Вычислительных Систем

В период активного развития вычислительной техники 1970–1980-х годов, когда существовал существенный разрыв между возможностями цифровых машин в плане логической обработки и их скоростью при решении сложных систем дифференциальных уравнений (ОДУ), гибридные вычислительные системы (ГВС) или аналого-цифровые вычислительные системы (АЦВС) представляли собой пик инженерной мысли. Они предлагали уникальное решение, сочетая высокую точность и гибкость программирования цифровых ЭВМ с феноменальным быстродействием аналоговых процессоров.

Выбор темы Аналого-Цифровой Вычислительной Системы АЦВС-42 для детального технического исследования обусловлен несколькими критическими факторами. Во-первых, АЦВС-42, разработанная в НИИСчетмаше, является представителем четвертого поколения советских гибридных систем, впитавшей передовые решения в области автоматизации и сопряжения. Во-вторых, детальный анализ архитектуры, системы команд аналогового процессора АП-41 и принципов построения транслятора позволяет глубоко понять основы компьютерной инженерии, связанные с распределенными вычислениями и системным программированием для гетерогенных архитектур. Отсюда следует практическая выгода: понимание принципов работы АЦВС-42 дает ключ к оптимизации современных параллельных и гибридных архитектур, использующих FPGA и GPU.

Целью данной работы является исчерпывающее техническое описание АЦВС-42, включая ее архитектурные особенности, детализацию системы команд аналоговой части (АП-41) и разработку принципов функционирования транслятора, обеспечивающего эффективное использование гибридного комплекса.

Концептуальные Основы и Архитектура АЦВС-42

История вычислительной техники наглядно демонстрирует, что потребность в моделировании сложных динамических процессов, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями (ОДУ), всегда опережала возможности чисто цифровых машин, и именно этот разрыв породил класс гибридных систем.

Аналого-цифровая вычислительная система (АЦВС) — это комплекс, объединяющий аналоговую вычислительную машину (АВМ) и цифровую вычислительную машину (ЦВМ), которые используют различное представление величин (непрерывное аналоговое и дискретное цифровое) и объединены единой системой управления и сопряжения. АЦВС-42, разработанная в период 1980–1987 гг., является ярким примером архитектуры, сфокусированной на аналоговой компоненте. В этой структуре ЦВМ выступает преимущественно в роли управляющего, вспомогательного и запоминающего устройства.

Ключевым аспектом архитектуры АЦВС-42 является ее аналого-ориентированная парадигма. Аналоговый процессор (АП) берет на себя наиболее ресурсоемкие задачи, требующие быстрого решения ОДУ, в то время как ЦВМ выполняет вспомогательные функции: программное управление, настройку, обработку нелинейных или логических зависимостей, которые сложно реализовать в аналоговой форме. Такое разделение труда позволяет существенно повысить общее быстродействие системы, снижая объем вычислительных операций, возлагаемых на ЦВМ, а значит, система достигает скорости, недостижимой для чисто цифровых аналогов того времени.

Главные Отличия АЦВС от Гибридных Вычислительных Машин (ГВМ)

В среде компьютерной инженерии важно четко разграничить понятия АЦВС и Гибридной Вычислительной Машины (ГВМ). Различие кроется в степени интеграции компонентов.

ГВМ (например, ранние модели, основанные на гибридных решающих элементах) строились на глубокой интеграции аналоговых и цифровых схем на уровне отдельных решающих блоков.

АЦВС (как комплекс, к которому относится АЦВС-42) представляет собой объединение самостоятельных, отдельных АВМ и ЦВМ. В случае АЦВС-42 это был управляющий вычислительный комплекс СМ-1403 и аналоговые процессоры АП-41.

Исторический Контекст: Признание значимости разработки АЦВС-42 и ее предшественников (АЦВС-41, АЦВС-43) было официально подтверждено присуждением Государственной премии СССР в 1985 году группе разработчиков во главе с Беляковым В. Г., что подчеркивает высокий уровень технической проработки и стратегическое значение данных систем для отечественной науки и обороны.

Аппаратный Комплекс и Протоколы Сопряжения

Аппаратный комплекс АЦВС-42 представляет собой модульную, распределенную систему, предназначенную для автоматизации всех этапов моделирования.

Таблица 1. Компонентный состав АЦВС-42

Компонент	Тип	Основное Назначение
ЦВМ	СМ-1403 (или совместимый)	Управление, хранение данных, логическая обработка, вычисление сложных нелинейностей.
АП	Два Аналоговых Процессора АП-41	Высокоскоростное параллельное решение систем ОДУ, моделирование динамических процессов.
Контроллер	КАП-41	Сопряжение, преобразование команд ЦВМ в управляющие сигналы для АП, обеспечение протокола обмена.
Элементная база	Микросхемы средней и высокой степени интеграции	Основа для обеспечения надежности и автоматизации процессора АП-41.

Структурная Архитектура АЦВС-42 (Высокоуровневая Блок-Схема)

АЦВС-42 представляет собой двухуровневую структуру:

1. Цифровой Уровень (Управляющий): Центр управления (СМ-1403) генерирует управляющие команды, хранит программу моделирования, обрабатывает исходные данные и результаты.
2. Аналоговый Уровень (Вычислительный): Аналоговые процессоры АП-41, выполняющие параллельное интегрирование и суммирование.
3. Уровень Сопряжения: Контроллер КАП-41, который является мостом, обеспечивающим обмен данными (АЦП/ЦАП) и передачу управляющих сигналов.

Функционирование Аналогового Процессора АП-41

Аналоговый процессор АП-41 — это сердце вычислительной части системы. Он полностью автоматизирован, что было революционным для своего времени, позволяя ЦВМ программно управлять коммутацией, настройкой коэффициентов и режимами работы.

Главное преимущество АП-41 — его способность к параллельной обработке. Каждый решающий элемент (интегратор, сумматор, умножитель) работает одновременно, что обеспечивает "мгновенное срабатывание" при решении ОДУ, многократно превосходящее скорость цифровых систем при равной сложности задачи. Этот факт делает АП-41 незаменимым для задач, чувствительных к задержке.

Особо важным для повышения эффективности использования ресурсов является режим с разделением времени (time-sharing mode). В этом режиме один физический аналоговый процессор может быть логически разделен между несколькими задачами или использоваться для последовательного решения нескольких частей сложной задачи, что позволяет более гибко управлять вычислительными ресурсами.

Контроллер КАП-41 и Реализация Интерфейса

Контроллер Аналогового Процессора КАП-41 — это ключевой элемент, обеспечивающий программное управление аналоговой частью со стороны ЦВМ. Без КАП-41 АП-41 оставался бы обычной АВМ, требующей ручной настройки.

Протокол взаимодействия реализуется через КАП-41 следующим образом:

1. Формирование Команды: ЦВМ (СМ-1403) формирует команду управления или настройки (например, "Установить коэффициент", "Начать решение") в цифровом виде.
2. Передача Команды: Команда передается в КАП-41 через стандартный интерфейс ввода-вывода ЦВМ.
3. Преобразование и Декодирование: КАП-41 декодирует цифровую команду и преобразует ее в соответствующие аналоговые управляющие сигналы (электрические напряжения, импульсы коммутации) для АП-41.
4. Обратная Связь: КАП-41 также управляет аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями (АЦП/ЦАП) для ввода начальных условий и вывода результатов моделирования в ЦВМ.

Таким образом, КАП-41 не просто передает данные, но и обеспечивает низкоуровневую логику управления, реализуя необходимый интерфейс между дискретным (ЦВМ) и непрерывным (АП-41) мирами.

Детальный Анализ Системы Команд АП-41

Система команд аналогового процессора АП-41, управляемая через КАП-41, кардинально отличается от системы команд цифровой ЭВМ. Она сфокусирована не на арифметических или логических операциях, а на управлении электрическими режимами и коммутацией решающих элементов.

Для полноценного использования АЦВС-42 необходимо детальное понимание этой системы команд. Разве не удивительно, как всего лишь несколько управляющих сигналов позволяют полностью автоматизировать сложнейший процесс аналогового моделирования?

Таблица 2. Классификация и примеры системы команд АП-41 (Управляющий уровень)

Класс Команды	Назначение	Пример Команды	Описание Функции
Управление Режимами	Изменение общего состояния АП-41 для выполнения этапов моделирования.	SET UP ("Установка")	Устанавливает начальные условия интеграторов и коэффициенты.
Управление Режимами	Изменение общего состояния АП-41 для выполнения этапов моделирования.	COMPUTE ("Решение")	Начинает процесс интегрирования (моделирования).
Управление Режимами	Изменение общего состояния АП-41 для выполнения этапов моделирования.	HOLD ("Останов")	Приостанавливает процесс решения для анализа промежуточных результатов.
Адресация/Настройка	Выбор конкретного решающего блока и установка его параметров.	ADR_COEFF	Выбор адреса блока коэффициентов для установки величины.
Обмен Данными	Инициирование преобразования и передачи данных между частями.	ADC_READ	Запуск АЦП и чтение аналогового сигнала в ЦВМ.

Команды Управления Режимами Работы

Основными командами, определяющими жизненный цикл решения задачи на АП-41, являются команды управления режимами.

1. Команда "Установка" (SET UP):
   Это критический подготовительный этап. При получении этой команды КАП-41 коммутирует аналоговые блоки таким образом, чтобы установить заданные начальные напряжения на входах интеграторов, а также с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) установить точные значения коэффициентов на множительных блоках и блоках масштабирования. Проводится также автоматическая проверка нуля и дрейфа аналоговых элементов.
2. Команда "Решение" (COMPUTE):
   Запускает сам процесс моделирования. Интеграторы переключаются в режим интегрирования. В этом режиме аналоговая часть работает автономно, решая систему ОДУ с высокой скоростью. Длительность режима "Решение" может контролироваться либо по времени (с использованием гибридных часов), либо по достижении заданного условия (останова).
3. Команда "Останов" (HOLD):
   Команда предназначена для прерывания процесса решения. Интеграторы фиксируют текущее значение выходного сигнала. Это позволяет ЦВМ считать промежуточные результаты с помощью АЦП, выполнить необходимые логические вычисления, а затем либо продолжить решение (COMPUTE), либо перезапустить его (SET UP).

Адресация и Команды Преобразования Величин

Поскольку АП-41 является автоматизированным, ЦВМ должна иметь возможность обращаться к конкретному решающему элементу (например, к интегратору №5 или блоку коэффициентов №12).

Механизмы Адресации:
Адресация в АП-41 осуществляется путем выбора регистра управляющего слова в КАП-41. Это слово содержит информацию о типе элемента (интегратор, сумматор, нелинейный блок) и его порядковом номере.

Команды Преобразования Величин:
Эти команды критически важны для обеспечения гибридного обмена данными. Например, для моделирования нелинейной функции $f(x)$ в ЦВМ, которая затем должна быть использована как входной сигнал в АП-41, необходим следующий цикл:

1. ЦВМ считывает текущую аналоговую переменную $x$ из АП-41 (команда ADC_READ).
2. ЦВМ вычисляет $y = f(x)$ в цифровой форме.
3. ЦВМ передает цифровое значение $y$ через ЦАП в АП-41 (команда DAC_WRITE), где оно используется как аналоговый сигнал.

Такой механизм обеспечивает эффективное использование преимуществ обеих частей: быстрота аналоговой части для линейной динамики и точность/гибкость цифровой части для сложных нелинейных зависимостей.

Программное Обеспечение и Принципы Построения Транслятора

Высокая сложность программирования аналоговых машин исторически была их главным недостатком. Решением этой проблемы стало создание мощной системы автоматизации программирования. Для эффективного использования ресурсов системы требовался посредник.

Программное обеспечение (ПО) АЦВС-42 представляет собой комплекс, где центральное место занимает Диалоговая система автоматизации программирования аналого-цифровых задач, которая по своей сути является специализированным транслятором.

Основная цель этого транслятора — обеспечить полную автоматизацию всех этапов подготовки задачи:

1. Анализ Исходного Кода: Прием описания модели на языке высокого уровня (например, Fortran или специализированный язык моделирования).
2. Масштабирование: Автоматическое определение масштабов переменных и времени для предотвращения насыщения аналоговых элементов.
3. Распределение Задач: Определение, какие части модели (ОДУ) должны быть реализованы в АП-41, а какие (сложные нелинейности, логика, хранение) — в ЦВМ.
4. Генерация Кода: Формирование списка соединений (патч-карты) для АП-41 и управляющих программ для ЦВМ (на языке Ассемблера или Фортрана).

Алгоритмы Автоматического Распределения Операций

Эффективность АЦВС-42 критически зависит от того, насколько грамотно транслятор распределяет вычислительную нагрузку. В основе лежат алгоритмы, которые оптимизируют использование аналоговых ресурсов, сохраняя при этом точность и скорость. Отсюда вытекает, что качество транслятора напрямую определяет общую производительность гибридной системы.

Блок-схема Алгоритма Транслятора (Упрощенный Вид):

1. Ввод Модели (ЯВУ): Пользователь описывает систему дифференциальных уравнений.
2. Предварительный Анализ и Масштабирование:
   • Определение максимальных и минимальных значений переменных.
   • Выбор временного и амплитудного масштабов.
   • Проверка Насыщения: Если масштабы выбраны некорректно, система выдает предупреждение или корректирует их.
3. Анализ Структуры Модели:
   • Идентификация ОДУ: Части, описывающие линейные динамические процессы, выделяются для АП-41.
   • Идентификация Нелинейностей/Логики: Функции, требующие высокой точности или логических операций (например, кусочно-линейные функции, переключатели), выделяются для ЦВМ.
4. Формирование Схемы АП-41:
   • Генерация списка соединений для аналоговых элементов (интеграторов, сумматоров).
   • Определение необходимых управляющих команд (SET UP, COMPUTE).
5. Генерация Управляющей Программы ЦВМ:
   • Создание программы, которая настраивает АП-41 через КАП-41.
   • Создание подпрограмм для вычисления нелинейностей и логических переходов (с использованием команд ADC_READ и DAC_WRITE).
6. Компиляция и Запуск: Загрузка программы в ЦВМ и инициализация АП-41.

Таким образом, транслятор действует как диспетчер, использующий АП-41 для его ключевой задачи — быстрого интегрирования, и ЦВМ для управления и точной обработки сложных функций.

Роль Системного ПО: ОС РВ и РАФОС

Системное программное обеспечение обеспечивает техническое функционирование всего комплекса. В АЦВС-42 оно строилось на базе Операционной системы реального времени (ОС РВ), адаптированной для ЭВМ серии СМ.

Ключевую роль играла система РАФОС (Операционная система для организации высокопроизводительных систем с разделением функций). РАФОС, являясь русифицированным и модифицированным вариантом операционной системы RT11, обеспечивала необходимые возможности для работы в реальном времени, что критически важно для гибридных систем:

1. Многозадачность в реальном времени: Способность быстро реагировать на внешние события и управлять синхронизацией между ЦВМ и АП-41 (через гибридные часы).
2. Управление Вводом/Выводом: Эффективная обработка прерываний и управление периферийными устройствами, включая контроллер КАП-41.

Таким образом, РАФОС предоставляла надежную платформу, позволяя транслятору и прикладным программам эффективно управлять высокоскоростным аналоговым процессором.

Применение, Сравнительный Анализ и Заключение

АЦВС-42 была разработана для решения класса задач, где требуется высокая скорость моделирования, особенно при проведении многократных прогонов (например, статистических исследований или оптимизации).

Решаемые Задачи и Оценка Производительности

Типовые области применения АЦВС-42:

• Моделирование динамических систем: Процессы, описываемые системами обыкновенных дифференциальных уравнений высокой размерности (например, аэрокосмические системы, ядерные реакторы).
• Управление движущимися объектами: Моделирование и отладка систем управления в реальном или ускоренном масштабе времени, где задержка неприемлема.
• Оптимизационные задачи: Быстрый перебор вариантов в замкнутом цикле для поиска оптимального решения.

Сравнительный Анализ (АЦВС-42 vs. Цифровые ЭВМ 1980-х гг.)

Параметр	АЦВС-42 (Гибридная)	ЦВМ (Цифровая)	Обоснование
Скорость (ОДУ)	Чрезвычайно высокая (параллельная)	Ограничена последовательным выполнением	Параллелизм АП-41 обеспечивает выигрыш в скорости в 10–100 раз.
Точность	Ограничена разрядностью АЦП/ЦАП (обычно 12–16 бит)	Высокая (не ограничена аппаратными элементами)	Цифровые системы дают более высокую точность, но за счет скорости.
Программирование	Сложное (требует масштабирования и распределения)	Простое (стандартные ЯВУ)	Транслятор АЦВС-42 снижает сложность, но требует специализированных знаний.
Нелинейности	Высокая сложность реализации	Легкая реализация программно	Гибридная архитектура использует ЦВМ для нелинейностей, компенсируя слабость АП.

Ключевой Вывод по Эффективности: Выигрыш в быстродействии АЦВС-42 достигался именно за счет принципа параллелизма АП-41. В то время как ЦВМ решала ОДУ методом дискретного интегрирования (последовательно), АП-41 интегрировал все переменные одновременно. Это позволяло решать задачи, для которых требовалась высокая скорость моделирования, недостижимая для цифровых ЭВМ того времени.

Выводы по Проекту

Проведенное техническое исследование подтверждает, что Аналого-Цифровая Вычислительная Система АЦВС-42 представляет собой сложный и высокоэффективный инженерный комплекс, успешно реализовавший концепцию гибридных вычислений. Она являет собой пример того, как в условиях ограниченных цифровых мощностей можно было достичь прорывных скоростей моделирования.

Достижение Целей Работы:

1. Была определена и детализирована архитектура АЦВС-42 как аналого-ориентированной системы, использующей управляющий комплекс СМ-1403 и два процессора АП-41, сопряженных через КАП-41.
2. Подробно описана система команд АП-41, включающая команды управления режимами ("Установка", "Решение", "Останов") и механизмы адресации и обмена данными, критичные для автоматизации.
3. Проанализированы принципы построения транслятора (Диалоговой системы автоматизации программирования), включая алгоритмы автоматического распределения операций между аналоговой и цифровой частями.
4. Обоснована эффективность АЦВС-42 при решении задач моделирования динамических систем за счет высокого быстродействия, обусловленного параллелизмом АП-41.

Разработанная система автоматизации программирования, базирующаяся на принципах распределения нагрузки и использовании ОС РАФОС, является фундаментом для практической эксплуатации АЦВС-42. Использование АЦВС-42 позволило в свое время решать сложнейшие задачи моделирования в ускоренном масштабе времени, что подтверждает значимость и высокий уровень инженерно-технического решения, реализованного в данной системе.

Список использованной литературы

1. Витенберг, И. М. Программирование аналого-цифровых вычислительных систем : Справочник / И. М. Витенберг, М. Г. Левин, И. Я. Шор. — 1989.
2. Шор, И. Я. Аналого-цифровые матричные процессоры / И. Я. Шор, М. Г. Левин, А. А. Журавлев, А. С. Трахтенберг. — 1989.
3. Гибридные вычислительные системы : сб. ст. — 1984. — (Новое в жизни, науке, технике. Серия «Радиоэлектроника и связь»).
4. Витенберг, Э. М. Применение микропроцессов в медицинской технике / Э. М. Витенберг и др. — 1979.
5. Бердяков, Г. И. Методы контроля аналоговых вычислительных машин. — 1978. — (Вычислительная техника).
6. Витенберг, И. М. Проектирование следящих систем с помощью ЭВМ / [Ю. М. Астапов, А. Ф. Верещагин, И. М. Витенберг и др.]. — 1979. — (Проектирование следящих систем).
7. Незнамов, В. Н. Программное обеспечение межмашинного обмена в АЦВК-3 : Учеб. пособие / В. Н. Незнамов, В. Н. Калугин, В. Е. Узонюк. — 1988.
8. Заморин, А. П. Вычислительные машины, системы, комплексы : Справочник / А. П. Заморин, А. А. Мячев, Ю. П. Селиванов. — 1985.
9. Анисимов, Б. В. Аналоговые и гибридные ЭВМ : [Учеб. для вузов спец. «Электрон. вычисл. машины»] / Б. В. Анисимов, В. Н. Голубкин, С. В. Петраков. — 1986.
10. Шлыков, Ф. М. Учебное пособие по курсу «Аналоговые и гибридные ЭВМ». Гибрид. вычисл. системы / ред. В. Н. Плахотников. — 1980.
11. Ажогин, В. В. Моделирование на цифровых, аналоговых и гибридных ЭВМ : [Учеб. пособие для вузов по спец. «Вычисл. техника», «Прикл. математика», «Техн. кибернетика»] / под общ. ред. В. И. Костюка. — 1983.
12. Бердяков, Г. И. Программирование гибридных вычислительных систем : Учеб. пособие / Моск. авиац. ин-т им. Серго Орджоникидзе. — 1986.
13. Бенабдилла, Х. Автоматизированное гибридное вычислительное устройство для решения краевых задач : Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук (05.13.05). — 1985.
14. Дедищев, В. А. Организация структур и вычислительных процессов системы дискретно-непрерывного моделирования для управляющих и гибридных вычислительных комплексов : Автореф. дис. на соиск. учен. степ. к. т. н. — 1982.
15. Методическая разработка по решению задач на гибридной вычислительной машине «Экстрема-1» / М-во высш. и сред. спец. образования РСФСР, Куйбышев. политехн. ин-т им. В.В. Куйбышева. Каф. «Вычисл. техника». — 1982.
16. Методические указания по применению гибридной вычислительной системы коллективного пользования / Моск. авиац. ин-т им. Серго Орджоникидзе. — 1982.
17. Применение гибридных вычислительных систем для моделирования и автоматизации научных исследований : сб. статей / под ред. А. И. Казьмина. — 1982. — (Вопросы кибернетики. АН СССР, Науч. совет по комплекс. пробл. «Кибернетика». Вып. 93).
18. Родионов, С. В. Исследование и разработка математического, программного и методического обеспечений проектной процедуры моделирования и анализа для САПР гибридных вычислительных устройств : Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук (05.13.12). — 1982.
19. Сахаров, О. Н. Гибридные вычислительные системы авиационных комплексов : Учеб. пособие. — 1982.
20. Фомичев, В. С. Вопросы построения и автоматизация проектирования функциональных расширителей гибридных вычислительных систем : Автореф. дис. на соиск. учен. степ. д-ра техн. наук (05.13.05). — 1982.
21. Анисимов, А. В. Аналоговые и гибридные вычислительные машины : [Учеб. пособие для вузов по спец. «ЭВМ»] / А. В. Анисимов, А. Б. Артамонов, А. Н. Лебедев и др. — 1984.
22. Святный, В. А. Гибридные вычислительные системы : [Учеб. пособие для вузов по спец. «Электрон. вычисл. машины»]. — 1980.
23. Математическое обеспечение гибридной вычислительной системы «Русалка». Гибрид. ассемблер. Гибрид. диалоговый отладчик / Ин-т пробл. управления. — 1980.
24. Пакет стандартных программ. Система команд аналоговой части / [М. В. Дудкин и др.]. — 1980. — (Математическое обеспечение гибридной вычислительной системы ГВС «Русалка». Ин-т пробл. управления).
25. Языки моделирования и программное обеспечение гибридных вычислительных систем : Вып. 46. — 1978.
26. Гибридные вычислительные машины и комплексы : Респ. межвед. сб. / АН УССР. Сектор электроники и моделирования. Ин-т электродинамики. — 1979.
27. Теория и принципы проектирования гибридных вычислительных устройств : Вып. 184. — 1976.
28. Проектирование гибридных вычислительных устройств : Вып. 262. — 1979.
29. Мороз, П. А. Математические основы функционирования. Принципы технической реализации и методика применения вероятностной гибридной вычислительной системы для расчета и управления режимами распределенных технологических объектов : Автореф. дис. на соиск. учен. степени д-ра техн. наук (05.13.13) / АН УССР. Ин-т электродинамики. — 1978.
30. Гибридная вычислительная система [Электронный ресурс] // Booksite.ru. — URL: booksite.ru (дата обращения: 22.10.2025).
31. Аналого-цифровые вычислительные системы четвертого поколения АЦВС-4 [Электронный ресурс] // Computer-museum.ru. — URL: computer-museum.ru (дата обращения: 22.10.2025).
32. Эволюционная классификация ЭВМ [Электронный ресурс] // Refdb.ru. — URL: refdb.ru (дата обращения: 22.10.2025).