I. советская ядерная программа
Основоположником советской ядерной программы следует считать академика В. И. Вернадского. Он еще в 1910 г., понимая как никто другой глубинный смысл радиоактивности, открытой Беккерелем, представил конкретную программу геологического поиска урановых руд и овладения энергией атомного распада. В 1922 г.
в Петрограде на открытии Радиевого института, директором которого В. И. Вернадский был до 1939 г., он говорил: “Мы подходим к великому перевороту в жизни человечества, с которым не может сравняться все им пережитое. Недалеко время, когда человек получит в свои руки атомную энергию — такой источник, который дает ему возможность строить свою жизнь, как он захочет.
Именно в институте В. И. Вернадского проявилось дарование еще молодого тогда И. В. Курчатова, будущего руководителя советской ядерной программы [7].
В 1943 г. незадолго до начала Сталинградской битвы И. В. Сталин принял на даче в Кунцево двух крупнейших ученых В. И. Вернадского и А. Ф. Иоффе. Они убедили вождя в необходимости и реальной возможности создания атомного оружия. Конечно, у Сталина и до этого были донесения советских разведчиков об американском и английском атомных проектах, попытках создать “оружие возмездия” в Третьем рейхе, были письма ученых АН СССР, в том числе Г. Н. Флерова.
Начало советской ядерной программы относится к 1943 г., когда по решению ГКО было создано первое в стране научно-исследовательское учреждение, призванное заниматься атомной проблемой, — Лаборатория измерительных приборов № 2 АН СССР (ЛИПАН — ныне Российский научный центр “Курчатовский институт”).
Атомная проблема выросла из фундаментальных физических проблем. Будущий нобелевский лауреат Н. Н. Семенов предсказал в 1926 г. в своей первой публикации по цепным химическим реакциям два возможных пути протекания таких реакций: цепной взрыв (как в урановой бомбе) и тепловой взрыв (как в термоядерной бомбе). В 1935 г. Н. Н.
Семенов сделал свой знаменитый доклад о разветвленных реакциях с участием нейтронов. В 1939-1940 гг. физики Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон опубликовали в “Журнале теоретической и экспериментальной физики” три работы, которые стали впоследствии классическими и легли в основу атомной бомбы и атомной энергетики.
Таким образом, в стране к началу ядерной программы был создан мощный фундаментальный задел, позволивший СССР самостоятельно и в кратчайшие сроки ликвидировать монополию США на обладание атомным оружием. Этот задел существовал не только в физике, но и в вычислительной математике, гидродинамике, химии.
Как известно, наукоемкость проекта атомной бомбы связана с необходимостью исследовать большое число вариантов физических и технологических принципов построения бомбы на основе урана-235 или плутония, который мог быть получен в результате управляемой ядерной реакции при облучении нейтронами ядер урана-238.
Проект создания атомной бомбы в фашистской Германии столкнулся именно с этой научной и технической трудностью, так как немецким физикам пришлось одновременно исследовать и разрабатывать семь вариантов построения бомбы. Это произошло из-за принципиальной ошибки в начале работ, когда был отвергнут графит как материал для замедления нейтронов при облучении урана и был сделан выбор в пользу “тяжелой воды” (ведь затянись война еще на два-три года, и неизвестно, кто бы сделал и применил первым атомную бомбу, а если бы она появилась в фашистской Германии, то катастрофа для человечества стала бы неизбежной).
Ясно, что для сокращения числа возможных вариантов было необходимо применять математические основы моделирования ядерных взрывов, прежде всего для расчетов мощности ядерных зарядов. Такие расчеты были организованы в ЛИПАН С. Л. Соболевым и в Отделении прикладной математики МИАН (ныне ИПМ им. М. В. Келдыша РАН) А. А.
Самарским, еще до появления первых отечественных компьютеров, с помощью бригад расчетчиков на настольных счетно-клавишных машинах. Уже тогда они предложили эффективные алгоритмы численного решения уравнений математической физики, которыми описывались процессы ядерного взрыва. В 1953 г. вышло второе издание монографии А. А.
Поддержка исследований физиков со стороны вычислительной математики оказалась чрезвычайно важной на первой стадии советской ядерной программы, когда коллектив И. В. Курчатова стоял перед необходимостью принимать безошибочные решения. Как считает академик Е. П.
Велихов, “если бы нам не удалось в августе 1949 г. испытать атомную бомбу, физики в СССР больше не было бы. По-видимому у Сталина была уже «запасная» команда физиков, готовая сменить коллектив, которым руководил И. В. Курчатов”. Это предположение выглядит весьма правдоподобным, потому что в стране тогда политическим руководителем ядерной программы был нарком внутренних дел Берия.
Физическое уничтожение людей, объявляемых “врагами народа”, было ведь в 40-х годах в порядке вещей. Любопытно отметить, что подобная ситуация наблюдалась и в США. Ведь первая официальная бумага генерала Л. Гровса, отвечавшего в США за Манхэттенский проект, — письмо генеральному прокурору США об аресте физиков Энрико Ферми и Лео Сцилларда как якобы иностранных шпионов.
Первые программы для машины “Стрела”, реализующие алгоритмы численного решения задач моделирования ядерного взрыва, были разработаны в ИПМ АН СССР. Хотя производительность и, главное, надежность этой машины для решения таких задач не были достаточными, первые задачи были решены благодаря виртуозной работе программистов. Крупнейший специалист по программированию М.Р. Шура-Бура по этому поводу образно высказался: “Как мы победили «Стрелу»«.
В 50-х годах А. А. Самарский и А. Н. Тихонов активно развивали теорию разностных схем, позволявшую сводить численное решение дифференциальных и интегральных уравнений математической физики к решению алгебраических разностных уравнений. Эти результаты, опубликованные в Докладах АН СССР в 1956-1959 гг.
[2] в дальнейшем использовались при алгоритмизации и программировании задач советской ядерной программы на машинах М-20 и М-220, БЭСМ-6 в Институте прикладной математики АН СССР, Институте атомной энергии, ВНИИ экспериментальной физики (»Арзамас-16”), ВНИИ технической физики (Снежинск, “Челябинск-70”).
Основные события истории советской ядерной программы представлены на сайте музея ядерного оружия ВНИИЭФ (г. Саров) [3].
В 1953 г. в СССР было произведено испытание первой в мире водородной бомбы. Она была разработана ВНИИЭФ (“Арзамас-16”). Для работ по численному моделированию ядерного оружия, расчетов конструкций бомбы этого типа в ВНИИЭФ были привлечены в 1953-1956 гг. ведущие математики М. А. Лаврентьев, Д. В. Ширков.
Еще задолго до этого М. А. Лаврентьев предложил гидродинамическую трактовку явления кумуляции. Основная (и на первый взгляд парадоксальная) идея М. А. Лаврентьева состояла в том, что при достаточно высоких давлениях, которые возникают при взрывах, можно рассматривать металл как идеальную несжимаемую жидкость, а образование кумулятивной струи — как задачу о взаимодействии струй жидкости.
М. А. Лаврентьев вместе с В. С. Владимировым, Л. В. Овсянниковым и Д. В. Ширковым выполнили расчеты конструкций атомных снарядов для артиллерии, которые обеспечивали возможность применения ядерного оружия на поле боя (а не бомбометанием “по площадям”) — “пушечного сближения”, как называли тогда в США эту возможность.
За выполнение этой работы М. А. Лаврентьев и все трое упомянутых участников были удостоены Ленинской премии.
В 1961 г. на Новой Земле было произведено атмосферное испытание самой мощной в истории термоядерной бомбы мощностью 58 мегатонн тротилового эквивалента, а в 1962 г. СССР произвел на Новой Земле свое последнее воздушное испытание ядерного оружия. После этого основным методом испытаний ядерного оружия стали математические модели или подземные ядерные взрывы.
В 1970 г. на вооружение Советской Армии были поставлены первые межконтинентальные ракеты с разделяющимися ядерными боевыми головками.
Проблемы “миниатюризации” ядерного оружия решались во ВНИИ технической физики (Снежинск) под руководством К. Н. Щелкина. Именно они легли в основу разделяющихся головных частей ракетного вооружения Советской Армии в 70-х годах. Как писал академик А. Д.
Сахаров в книге “Воспоминания”, “большое” изделие (мощностью 100 мегатонн тротилового эквивалента) в военном смысле — дело пустое, так как для него не было подходящей ракеты-носителя, а бомбардировщик, несущий это изделие, может быть легко сбит. Идея для военных — торпеда, запускаемая с подводной лодки“. Такие морские ракеты, включая ракеты с разделяющимися головками, разрабатывало КБ академика В. П. Макеева в г. Миасс.
В 1979-1987 гг. на вооружение Советской Армии поступило новое поколение стратегических ракетных комплексов стационарного и подвижного (в том числе на подводных лодках) базирования.
В течение некоторого времени в российских средствах массовой информации (в газетах и на телевидении) муссировался миф о том, что советская атомная бомба была копией американской, чрезмерно преувеличивавший роль научно-технической разведки в решении ядерной проблемы.
В действительности это было не так — “ученые и разведчики делали общее дело” [6]. От американских физиков из атомной лаборатории в Лос-Аламосе, действовавших по убеждению, а не за плату, Клауса Фукса и Теодора Холла (кличка по данным разведки “Персей”) советские разведчики получили не чертежи атомной бомбы (по которым И.В.
Курчатов якобы сделал нашу бомбу), а схему устройства ядерного заряда с указанием его размеров и используемых в нем материалов [8]. Конечно, эта информация вместе с ответами на вопросы, которые систематически ставил И. В. Курчатов перед научно-технической разведкой, во многом способствовали отсечению неперспективных вариантов и принятию И. В.
Курчатовым безошибочных решений, о чем было сказано выше. Однако не меньшую роль сыграло и применение математического моделирования. Об этом подробно рассказал академик А. А. Самарский на симпозиуме “Российская Академия наук и первое испытание отечественного ядерного оружия”, посвященном 275-летию Российской Академии наук и 50-й годовщине первого испытания советской атомной бомбы [5].
Стремление показать партийно-политическому руководству страны свою значимость было характерно для советских спецслужб. Не избежали этого соблазна и службы научно-технической разведки. П. А. Судоплатовым была сочинена легенда о том, что Нильс Бор передал нашим разведчикам ценнейшие сведения. На самом деле это были общие данные, известные нашим физикам и без обращений к Н. Бору [4].
Рассказ о советской ядерной программе будет неполным, если не упомянуть о применении компьютеров для расчетов реакторов атомных энергоблоков. Наиболее весомый вклад в этом направлении был сделан Г. И. Марчуком в 1953-1962 гг. во время его работы в Физико-энергетическом институте (ФЭИ) в г. Обнинске.
Г. И. Марчук опубликовал результаты своих работ в двух монографиях: “Численные методы расчета ядерных реакторов” (1959 г.) и “Методы расчета ядерных реакторов” (1961 г.). За работы в области атомных реакторов Г. И. Марчук в 1961 г. был награжден Ленинской премией.
Наконец, нельзя не сказать о применении универсальных вычислительных машин для глобального моделирования климата Земли. Модели так называемой “ядерной зимы” были разработаны в ВЦ АН СССР В. В. Александровым и Г. Л. Стенчиковым под руководством академика Н. Н. Моисеева.
Расчеты, выполненные с помощью машины БЭСМ-6, показали, что ждет человечество, если случится ядерная катастрофа. Они послужили серьезным предостережением для политиков и в США, и в СССР в период “холодной войны” и стимулом для переговоров о сокращении запасов ядерного оружия, запрещении ядерных испытаний в атмосфере, открытом космосе и под водой.
Iii. достижение стратегического оборонного паритета между ссср и сша
В противостоянии США и СССР в период “холодной войны” переломным оказался 1949 год. 29 августа 1949 г. была испытана первая отечественная атомная бомба. В США первая атомная бомба была испытана 16 июля 1945 г., а в августе 1945 г. США подвергли атомным бомбардировкам японские города Хиросиму и Нагасаки.
Эти бомбардировки не имели никакого значения для непосредственных результатов войны с Японией. Они были только демонстрацией силы со стороны американской военщины, адресованной СССР, тогдашнему союзнику США и потенциальному противнику в преддверии “холодной войны”.
Вопрос о том, готовили ли США агрессию против СССР или нет, долгое время обсуждался в среде политиков и ученых. Разные мнения на этот счет высказывали авторитетные ученые. Так, академик Л. А. Арцимович скептически оценивал развитие событий по такому варианту, а академик А. П.
С осени 1955 г. торпедами с ядерными боеголовками начали вооружаться советские дизель-электроходные подводные лодки. А с конца 50-х — начала 60-х годов в боевой состав ВМФ СССР начали поступать первые стратегические подводные лодки с ядерными двигательными установками и ядерным оружием (баллистическими ракетами) на борту.
Главным конструктором первой советской атомной подводной лодки (АПЛ) был В. Перегудов, 100-летие со дня рождения которого отмечалось в июне 2002 г. В СССР первая атомная подводная лодка “Ленинский комсомол” была создана СКБ “Малахит” в 1957 г., всего на четыре года позже, чем в США была создана АПЛ “Наутилус”
Прототипом реактора для советской АПЛ был реактор атомной электростанции в Обнинске.
После того как стало ясно, что достигнут паритет в обладании ядерным оружием, важнейшим стал вопрос о наличии средств его доставки, т. е. ракет-носителей, способных доставлять ядерные заряды заданной мощности. Паритет в этой области был достигнут к середине 80-х годов (см. раздел II статьи).
“За несколько дней до переговоров Горбачева с Рейганом в Рейкъявике наша ракета (”Сатана“), выпустив десять разделившихся боеголовок, пролетела над Гавайскими островами, чтобы американцы знали, с кем имеют дело!” — рассказывал один из участников разработки системы управления ракетой 15А18М (СС-18 “Сатана”) главный инженер НПО “Киевский радиозавод” Б. Е. Василенко.
Стратегический оборонный паритет между СССР и США обеспечивался также наличием систем противоракетной обороны (ПРО). 26 мая 1972 г. был подписан договор об ограничении ПРО. По нему разрешалось каждой стороне развернуть не более двух систем ПРО, одна из которых могла быть использована для прикрытия столицы, а вторая — для защиты района пусковых установок баллистических ракет. В 1974 г. был подписан протокол к этому договору, которым количество разрешенных систем ПРО было уменьшено до одной, а район развертывания каждая сторона могла выбрать по своему усмотрению. В СССР решили “раскрыть зонтик” ПРО над Москвой, в США — над военной базой Гранд-Форкс (штат Северная Дакота).
Работы по созданию системы ПРО в СССР были начаты в 1958 г. под руководством Генерального конструктора Г. В. Кисунько. Она получила кодовое название “Система А-35”. Основу этой системы составлял универсальный вычислительный комплекс на базе машин М-40 и М-50, разработанных в ИТМ и ВТ АН СССР в 1956-1961 гг.
Для М-40, самой быстродействующей в то время в стране серийной вычислительной машины, В. С. Бурцевым впервые были предложены принципы распараллеливания вычислительного процесса на уровне аппаратных средств. Все основные устройства машины (арифметики, управления, оперативной памяти, внешней памяти) имели автономные узлы управления и работали параллельно.
Впервые был использован принцип мультиплексного канала, благодаря которому удалось без замедления вычислительного процесса осуществить прием и выдачу информации с десяти асинхронно работающих линий обмена с радиолокационными станциями при общей пропускной способности 1 млн. бит/с.
За создание вычислительных комплексов ПРО на базе М-40 и М-50 С. А. Лебедев и В. С. Бурцев были удостоены Ленинской премии.
В 1961-1968 гг. в ИТМ и ВТ были разработаны для системы ПРО высокопроизводительные вычислительные машины второго поколения — 5Э92б и ее модификация для вычислений с плавающей точкой 5Э51. Главным конструктором 5Э92б и 5Э51 был С. А. Лебедев, его заместителем — В. С. Бурцев.
Впервые появилась возможность применять в системах ПРО двухпроцессорные вычислительные комплексы с общим полем оперативной памяти, строить многомашинные комплексы с общим полем внешних запоминающих устройств. Межведомственные испытания 5Э92б состоялись в 1964 г., а многомашинный вычислительный комплекс системы ПРО из восьми машин 5Э92б был испытан в реальной работе в 1967 г.
Создание системы ПРО обеспечило паритет СССР с США в “холодной войне” и сыграло важнейшую политическую роль в заключении договора по ограничению ПРО в 1972 г., о котором было сказано выше.
Второй вариант российской ПРО — “Система А-135” был принят на вооружение к 1994 г. Его ядром стали многофункциональная радиолокационная станция “Дон” и высокопроизводительный вычислительный комплекс, размещенные вблизи подмосковного города Софрино, как “зонтик” защиты столицы от ракетно-ядерного нападения.
Договор о сокращении ядерных потенциалов, подписанный президентами России и США В. В. Путиным и Дж. Бушем, фиксирует их уровень в 1700-2200 ядерных зарядов на стратегических ракетах-носителях. Однако этот уровень все еще очень велик. Как считает директор Института проблем международной безопасности РАН А. Н.
Кокошин, “на самом деле никто и никогда не будет знать наверняка, как работает целая система ПРО или система стратегических наступательных вооружений (СНВ). При попытке это проверить может просто не остаться тех, кто должен оценить эффективность их применения”.
Поэтому не следует переоценивать возможностей американской национальной ПРО, которую США намерены создать вслед за своим выходом из договора по ПРО. Ведь понадобится спрятать всю Америку не под “зонтик”, а в бетонные бункеры, так как отбить 1700 боеголовок никакой противоракетный “зонтик” пока не в состоянии.
В течение безудержной гонки вооружений были произведены запасы ядерного оружия, теперь подлежащие уничтожению. Но и это требует значительных усилий и расходов. Снова нужны модели, алгоритмы и программы, чтобы с помощью компьютеров просчитать режимы и условия, необходимые для сооружения хранилищ материалов от ядерных зарядов, снимаемых с вооружения, без нанесения непоправимого ущерба окружающей среде.
Компьютерный тренажер-эмулятор учебной цифровой вычислительной машины
Компьютерный тренажер-эмулятор учебной цифровой вычислительной
машины
О.Е. Молчанов, А.С. Васильев, Т.И. Белая
Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
Аннотация: в работе рассмотрена проблема приближения теоретических знаний, обучающихся к практическим навыкам и умениям путем модернизации и оснащения учебных лабораторий в ВУЗе. Выделены основные подходы для решения поставленной задачи. Проанализированы их достоинства и недостатки. На основании проделанного анализа предложен вариант обеспечения учебной лаборатории компьютерным тренажером-эмулятором. Разработан и реализован тренажер-эмулятор учебной ЭВМ. Состав устройств и принципы функционирования разработанного эмулятора УЦВМ соответствует составу основных устройств и принципу программного управления функционирования реальных ЦВМ. Эмулятор обладает развитой системой индикации состояния элементов и узлов, малой скоростью работы, что в целом повышает наглядность его работы и эффективность использования в учебном процессе. Объем памяти и система команд УЦВМ позволяет реализовать на эмуляторе простейшие программы, иллюстрирующие основные приемы техники программирования.
Ключевые слова: компьютерный тренажер, учебная цифровая вычислительная машина, виртуальный тренажер, виртуальная лаборатория, тренажер-эмулятор, требования к тренажерам-эмуляторам, автоматизированный обучающий комплекс.
Одним из направлений развития высшей школы в настоящее время является задача максимального приближения теоретических знаний, обучаемых к практическому применению. При этом время профессиональной адаптации выпускника-специалиста и вхождение его в производственный процесс должно быть минимальным(Приказ Минобрнауки России от 12 марта 2022 года № 219 «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению подготовки 09.03.02 информационные системы и технологии (уровень бакалавриата)». Для решения поставленной задачи используют два основных подхода [1]:
использование реальных лабораторных установок и стендов в
процессе отработки практических умений и навыков. Данный подход является наиболее эффективным решением поставленной задачи, так как позволяет будущим специалистам проверить свои теоретические знания на практике и преодолеть психологический дискомфорт при освоении новой
техники [2, 3]. Следует отметить, что достоинствами данного подхода являются: знакомство с реальной техникой, используемой на производстве; возможность проведения различных натурных экспериментов; высокая степень наглядности отображения реальных процессов; программная и конструктивная адекватность; доведение до автоматизма профессиональных навыков. К недостаткам следует отнести: стареющая элементная база; ограниченность парка лабораторных установок; высокая стоимость лабораторного оборудования; высокая стоимость эксплуатации оборудования;
использование виртуальных компьютерных тренажеров —
компьютерные тренажеры предназначаются для отработки практических умений и навыков, а также развития творческих способностей, профессиональной интуиции и умения работать в команде. Кроме этого, компьютерные тренажеры используются для отработки умений и навыков решения задач. В этом случае они обеспечивают получение обучающимися краткой информации по теории, тренировку на различных уровнях самостоятельности, контроль и самоконтроль [4, 5 — 8]. К достоинствам данного подхода относят: неограниченное (в разумных пределах) время функционирования тренажеров; возможность тиражирования программы под реальное количество обучающихся; возможность индивидуального обучения; возможность контроля занятия и оценки результатов выполнения задания; возможность дистанционного обучения. К недостаткам данного подхода следует отнести: высокая стоимость разработки тренажера; очень часто система работает по принципу черного ящика; высокие требования к производительности аппаратных средств.
Для повышения эффективности процесса обучения и приближения теоретических знаний к практическим умениям и навыкам на кафедре была разработана аппаратная модель универсальной цифровой вычислительной
машины в «разрезе», которая была реализована на интегральных микросхемах и позволяла наглядно обучать принципам построения и функционирования любого вычислительного средства с программным управлением [2, 5]. Данная установка более четырех десятилетий использовалась в учебном процессе, но в настоящее время потеряла свою работоспособность и восстановлению не подлежит. Поэтому встал вопрос о сохранении «обучающего потенциала» установки и разработки ее новой модели в виде аппаратно-программного эмулятора на основе современных компьютерных технологий. Требования к тренажеру-эмулятору состоят в следующем: наглядность архитектуры; наглядность отображения программного управления вычислительным процессом; реализация дополнительных механизмов программного управления; простота управления; наличие системы индикации; отображение состояния и работу машины в «разрезе».
В соответствии с этими требованиями был разработан компьютерный тренажер-эмулятор «Учебная ЦВМ», который выполняет две основные функции — обработку информации и управление этой обработкой [5, 9, 10].
На левой вертикальной панели (рис.1) изображена структурная схема устройства управления, на средней вертикальной панели — структура запоминающего устройства, на правой вертикальной панели изображена структура арифметического и выходного устройства УЦВМ. Все элементы и узлы на структурных схемах содержат индикаторы [5, 10].
Рис. 1. — Лицевая панель компьютерного тренажера-эмулятора
Запоминающее устройство УЦВМ предназначено для хранения кодов команд программы и чисел, и представляет собой адресное ЗУ с произвольным доступом, построенное по одномерной схеме. В состав ЗУ входят: блок хранения кодов (БХК); группа разрядных формирователей; группа усилителей; группа клапанов (К); триггер восстановления (Тр. В); регистр адреса (РА); дешифратор адреса; группа адресных формирователей.
Арифметическое устройство УЦВМ предназначено для выполнения двух арифметических операций (сложения и вычитания) и двух посылочных операций — приёма кода в АУ и выдачи кода из него. Операнды, используемые в операциях представляются дробными в форме с фиксированной запятой. В арифметическом устройстве операция сложения и операция вычитания выполняются с использованием модифицированных обратных кодов. Число, являющееся результатом выполнения операции,
выдается из АУ в ЗУ или в выходное устройство в прямом коде. В состав АУ входят: регистр числа (РЧ); параллельный накапливающий сумматор (См); пять групп клапанов (К¡, К2, К3, К4 и К5); триггер регистра числа (Тр.РЧ).
Устройство управления УЦВМ выполняет две функции:
1) формирует адрес очередной команды, извлекаемой из ЗУ и поступающей в УУ для исполнения;
2) вырабатывает управляющие сигналы, под воздействием которых происходит извлечение команды из ЗУ и исполнение команды, принятой в УУ.
В устройстве управления УЦВМ используется естественный порядок выборки команд. Адрес очередной команды образуется путём прибавления единицы к адресу предыдущей команды. Для нарушения естественного порядка выборки команд используются команды передачи управления: условный и безусловный переходы.
В состав устройства управления входят: регистр команд (РК); счетчик команд (СчК); дешифратор кода операции (ДКО); блок управления операциями (БУО); временной распределитель (ВР); генератор тактовых импульсов (ГТИ); триггер пуска (ТрП); триггер регистра команд (ТрРК); пять групп клапанов (К¡, К2, К3, К4 и К5). С устройством управления связан пульт управления, с помощью которого осуществляется пуск машины и занесение на счётчик команд адреса первой команды программы.
Входное устройство УЦВМ предназначено для ввода прямых кодов чисел и кодов команд программы в блок хранения кодов ЗУ. В УЦВМ используется входное устройство простейшего типа, состоящее из двух групп ключей. С помощью одной группы ключей набирается двоичный номер ячейки памяти, в которую должен быть введён код. С помощью другой группы ключей набирается двоичный код, вводимый в ячейку памяти. Ввод
набранного кода в заданную ячейку памяти осуществляется при нажатии кнопки «Ввод».
Выходное устройство УЦВМ предназначено для вывода из машины прямого кода числа, являющегося результатом выполнения текущей команды. В УЦВМ используется выходное устройство простейшего типа, состоящее из регистра выхода (РВ) и группы клапанов К, используемых для приёма на регистр выхода кода числа из сумматора АУ. Клапаны К открыты при единичном состоянии триггера регистра выхода (ТрРВ).
Состав устройств и принципы функционирования разработанного эмулятора УЦВМ соответствует составу основных устройств и принципу программного управления функционирования реальных ЦВМ. Эмулятор обладает развитой системой индикации состояния элементов и узлов, малой скоростью работы, что в целом повышает наглядность его работы и эффективность использования в учебном процессе. Объем памяти и система команд УЦВМ позволяет реализовать на эмуляторе простейшие программы, иллюстрирующие основные приемы техники программирования.
Разработанный тренажер имеет следующие особенности:
• порядок выполнения машинных операций определяется программой. Программа состоит из совокупности определенного числа команд, в каждой из которых содержатся указания о том, какую операцию и над какими исходными данными требуется выполнить.
• совокупность действий, совершаемых элементами, узлами и блоками машины при извлечении кода команды из запоминающего устройства и исполнение данной команды, называется циклом работы машины. Цикл работы машины разбивается на такты. В каждом такте выполняется вполне определенное действие;
• в ЦВМ с естественной выборкой кодов команд из запоминающего устройства и их исполнение осуществляется в порядке номеров ячеек
памяти запоминающего устройства, в которых они хранятся. Адрес очередной команды образуется путем увеличения на единицу адреса предыдущей команды. При возникновении необходимости нарушения естественного порядка выполнения команд предусматриваются специальные команды — команды условной и безусловной передачи управления. В этих случаях адрес очередной команды указывается в адресной части команды передачи управления; • команды, исходные данные и результаты операций в машине представляются в виде цифровых кодов и хранятся в запоминающем устройстве машины. Если цифровой код из ячейки ЗУ поступает в арифметическое устройство, то он интерпретируется машиной как код числа (код операнда). Эта особенность ЦВМ позволяет в процессе решения задачи внутри машины формировать новые команды.
Достоинствами разработанного комплекса являются: неограниченное время и высокая надежность функционирования тренажера; возможность тиражирования программы для проведения практических занятий с требуемым числом обучающихся; возможность индивидуального обучения с контролем этапов выполнения занятия, тестированием и оценкой результатов выполнения индивидуального задания обучающимися; возможность дистанционного обучения с использованием компьютерных сетей и систем дистанционного обучения; возможность гибкой модернизации эмулятора с учетом предъявляемых к нему новых требований путем изменения или введения в программу необходимых дополнительных команд; отсутствие затрат на обслуживание и поддержание программы в работоспособном состоянии; возможность работы с эмулятором в одном из желаемых режимов: «Такт», «Цикл», «Автомат».
Таким образом, разработанный эмулятор учебной ЦВМ позволит при проведении лабораторных и практических занятий овладеть практическими
навыками по следующим учебным вопросам: двоичная и восьмеричная системы счисления; представление числовых данных в разрядной сетке ЦВМ в естественной форме; образование и использование прямых и специальных кодов чисел при выполнении машинных операций; структура и форматы команд ЦВМ; способы адресации данных в ЦВМ; структура и состав универсальной ЦВМ; организация взаимодействия элементов, узлов и устройств ЦВМ в цикле её работы; программирование в машинных кодах линейных, разветвляющихся и циклических алгоритмов; работа с подпрограммами; особенности работы машины при выполнении команд управления и переполнении разрядной сетки; исследование особенностей построения и реализации алгоритмов машинных операций, определенных системой команд машины.
На основании вышеизложенного можно сделать следующий вывод: предлагаемый тренажер-эмулятор отвечает всем поставленным требованиям и может эффективно использоваться в учебном процессе при подготовке специалистов.
Литература
1. Осипова В.А., Даныкина Г.Б. Повышение эффективности обучения операторов технологических процессов на базе компьютерных тренажеров // Системы. Методы. Технологии.2022. № 3 (11).С. 106-114.
2. Аверьянов А.В., Молчанов О.Е., Белая Т.И. Имитационное моделирование процесса функционирования универсальной цифровой вычислительной машины с программным управлением // Научный обозреватель (научно-аналитический журнал).2022. № 3 (51).С. 35-39.
3. Кузнецов Д.Б., Полевщиков И.С., Лясин В.Н. Методика автоматизированного контроля знаний студентов по дисциплине «Теория
вычислительных процессов»// Инженерный вестник Дона, 2022, №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2022/2041.
4. Ong C.M. Dynamic simulation of electric machinary using MatlabSimulink, New Jersey, Prentice Hall PTR, 1998, 626 p.
5. Белая Т.И., Молчанов О.Е., Казанцев Д.И. Моделирование различных режимов работы ЭВМ на имитационной модели «УЦВМ» // Журнал научных и прикладных исследований. 2022. №5 (май). С.116-118.
6. Богачева Е.С. Социальные и профессиональные потребности нового качества профессиональной подготовки и проблемы его модернизации // Инженерный вестник Дона, 2022, №2 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2022/426/.
7. Fayzrakhmanov R.A., Polevshchikov I. S. Increased of Efficiency in the Automated Training of Fuelling Machine Operators Using Iterative Simulation Learning // World Applied Sciences Journal, 2022. №22 (Special Issue on Techniques and Technologies). pp. 70-75. URL: idosi.org/wasj/wasj22 (tt) 13/12.pdf.
8. Файзрахманов Р.А., Полевщиков И. С. Оценка качества выполнения упражнений на компьютерном тренажере перегрузочной машины с использованием нечетких множеств // Инженерный вестник Дона, 2022, № 4 (часть 1) URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2022/1265.
9. Учебная ЦВМ. Руководство к практическим занятиям.-СПб.: ВИКА имени А.Ф. Можайского, 1980. 78 с.
10. Основы теории вычислительных машин, часть 3. В.В. Гребнев, Молчанов О.Е. — Л.: ВИКИ имени А.Ф. Можайского, 1979. 125 с.
References
1. Osipova V.A., Danykina G.B. Sistemy. Metody. Tehnologii. 2022. № 3 (11). pp. 106-114.
2. Aver’janov A.V., Molchanov O.E., Belaya T.I. Nauchnyjobozrevatel’ (nauchno-analiticheskijzhurnal) .2022. № 3 (51).pp. 35-39.
3. Kuznecov D.B., Polevshhikov I.S., Ljasin V.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2022, № 4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2022/2041
4. Ong C.M. Dynamic simulation of electric machinary using MatlabSimulink, New Jersey, Prentice Hall PTR, 1998, 626 p.
5. Belaya T.I., Molchanov O.E., Kazancev D.I. Zhurnalnauchnyh I prikladnyhissledovanij. 2022. №5 (maj). pp.116-118.
6. Bogacheva E.S. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2022, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2022/426/.
7. Fayzrakhmanov R.A., Polevshchikov I. S. Increased of Efficiency in the Automated Training of Fuelling Machine Operators Using Iterative Simulation Learning // World Applied Sciences Journal, 2022. №22 (Special Issue on Techniques and Technologies). pp. 70-75. URL: idosi.org/wasj/wasj22 (tt) 13/12.pdf.
8. Fajzrahmanov R.A., Polevshhikov I. S. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2022, № 4 (part 1) URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2022/1265.
9. Uchebnaja CVM. Rukovodstvo k prakticheskimzanjatijam [Educational COMPUTER. The management to a practical training]. SPb.: VIKA imeni A.F. Mozhajskogo, 1980. 78 p.
10.Osnovyteoriivychislitel’nyhmashin, chast’ 3 [Bases of the theory of computers, part 3]. V.V. Grebnev, Molchanov O.E. L.: VIKI imeni A.F. Mozhajskogo, 1979. 125 p.
