16、《Electrologica X8与BOL系统的探索之旅》

《Electrologica X8与BOL系统的探索之旅》

1. 检测单元与数据特点

在核反应研究中，检测单元的正常工作至关重要。由于绕束轴的旋转对称性，测量存在大量冗余，这在很大程度上弥补了缺失的检测单元。虽然与其他使用较少探测器的测量相比，单个数据在统计和系统上往往不够准确，但它能连续覆盖所研究核反应的几乎所有运动学终态，这是其独特之处。这种特性对于“少体反应”的研究尤为重要。通过将实验数据与模拟数据进行对比，若存在差异，就能指出实验与理论的偏差之处，例如一次完整的4D实验与理论模拟的对比。

实验结果可能会澄清已知问题，但也常常会引发新问题，从而需要后续实验来解答。为规划新实验，开发了一个用ALGOL 60编写的关键程序，该程序应用了核反应的相对论运动学。

2. 小型计算机网络节点软件

在X8的背景下，两个网络PDP8（A和B）的硬件和软件功能非常关键。用汇编语言PAL/8为PDP8开发的程序，对X8软件的选择有重要影响，反之亦然。由于PDP8的中断处理能力原始，且编程处于基础水平，在与外设交互时，除了追踪功能外，通常采用“等待”每个设备的“就绪标志”的方式。

物理学家们围绕一个链表构建了名为Monikor的操作系统，该链表包含所有活跃的等待点和累加器寄存器中的相应值，程序继续运行时这些值会被恢复。这样就创建了一个紧凑且原始的多任务系统，无需使用中断，多年来，通过后续的I/O扩展，它将所有测量数据从BOL系统传输到磁带和/或X8。

Monikor系统具备动态存储分配、二进制程序分配、支持分时和内存共享的多作业处理、带有信号量机制的异步数据流、动态程序追踪以及计算机 - 计算机（A↔B）对话方案等功能。与当时小型计算机的可用软件相比，这些机制大多处于领先水平。

在网络中，PDP8 - A负责读取BOL的事件，同时包含值班物理学家的信息，将数据转换为BOL格式，写入磁带，和/或发送到X8和/或带有“光笔”的自主显示器。在飞利浦NatLab的帮助下，对踢选器的M（内存）单元进行了一些更改，使得PDP8 - A能够直接控制显示器之前手动操作的功能。使用光笔可以独立于PDP8标记通道，M单元与显示示波器之间的接口支持“轮廓”和“等距”3D显示模式，还可以根据内存内容选择通道地址和/或通道内容，并调整每个显示点的光强度。稍后，一个带有硬拷贝读出功能的存储示波器与PDP8 - B连接，使其成为主要的显示设备。

PDP8的内存由32个“页面”组成，每个页面包含128个12位的字，允许在同一页面内直接寻址。异步程序的内存共享需要合适的动态存储技术，因此将核心内存分为空闲区域和占用区域，它们之间的边界是动态的，甚至可能在页面级别重叠。管理工作由“get - page”和“put - page”两个函数控制，这两个函数的调用必须配对，以确保每个作业在运行结束时释放所有预留空间。

为X8实现的数据流格式，需要为PDP8构建一个类似但简化的窗口处理层（WSP）。软件团队为此构建了一个通用的输入 - 输出文件处理系统，该系统涵盖了BOL设置、磁带单元、显示单元和X8等所有信息通道。异步输入和输出进程可以在文件级别在一个输入通道和任意一组输出通道之间“切换”信息，数据流可以通过“窗口程序”，这些程序可以在最高协议级别检查和处理输入和输出之间的数据。不同的I/O进程可以同时运行，等待输入信息的输出作业不会占用处理器时间，通过I/O信号量函数实现同步，WSP系统表现出足够的灵活性和强大功能。

X8的追踪器采用了与PDP8类似的“延迟自中断”方法，由一个外部中断诱导标志（位）组成，在追踪中断子程序的入口处清除，出口前设置，具有约5μs的固有延迟。选择这个延迟时间是为了确保在追踪程序时，只有一条指令能够执行，执行完成后，标志会提供一个新的程序中断。追踪程序时，中断子程序可以根据个人需求进行调整，例如当所选寄存器或内存地址的内容满足预设条件时停止程序，这为内部软件开发提供了出色的测试工具。

大约在1970年，受Wammes设计的启发，Anton Mars、Jan Visschers和Ruud van Wijk为PDP8开发了真正的分时操作系统AIDA。对于这样一台小型机器来说，这是前所未有的。它可以通过字母数字终端为多达12个用户提供时间和内存共享服务。由于PDP8与X8相连，这些终端也可以为在Wammes下运行的程序服务，从而增加了X8的同时用户数量。与Monikor中描述的可重定位用户程序一样，这些程序可以在PDP8上独立且同时运行。这一切得益于IKO数字组根据软件组的规格设计的PDP8处理器硬件扩展——内存保护单元，该单元可以阻止I/O和停止指令以及所有在核心内存特定动态指定区域外写入的内存引用指令，出现阻塞时会生成中断，使操作系统能够采取相应措施。AIDA让程序员和用户都非常满意，一直使用到DEC - system 10出现。

以下是PDP8相关软件功能的表格总结：
| 软件系统 | 功能 |
| — | — |
| Monikor | 动态存储分配、二进制程序分配、多作业处理、异步数据流、动态程序追踪、计算机 - 计算机对话 |
| WSP | 通用输入 - 输出文件处理，支持信息切换和同步 |
| AIDA | 分时操作系统，支持多用户、可重定位程序运行 |

下面是一个简单的mermaid流程图，展示PDP8 - A的数据处理流程：

graph LR
    A[读取BOL事件] --> B[包含物理学家信息]
    B --> C[转换为BOL格式]
    C --> D{数据处理方向}
    D -->|写入磁带| E[磁带存储]
    D -->|发送到X8| F[X8处理]
    D -->|发送到显示器| G[显示器显示]

3. 合作与系统优势

飞利浦公司与IKO进行了长达数十年的宝贵合作，涵盖了回旋加速器的建造与支持、电子加速器的建设与维护，以及核探测器的开发与生产。20世纪60年代上半叶，数学中心满足了IKO不断增长的计算需求，IKO的物理学家和技术人员通过使用X1计算机，每年能够完成数百小时的计算机工作。

随着数学中心计算机的持续发展，Electrologica生产了一系列X8计算机，其中一台被引入IKO。IKO凭借其回旋加速器、85MeV线性加速器、规划中的300MeV电子加速器以及BOL项目的迫切需求，成功获得了资金支持。同时，作为荷兰第一家计算机制造商，Electrologica生产的一流计算机，以及其提供IKO所需特殊软硬件的能力和意愿，也是重要因素。

X8计算机使我们能够参与当时的现代编程发展，并与Electrologica共同创建了一个具有前卫数据处理软件的在线网络。使用ELAN汇编语言编程给我们带来了极大的满足感，因为它结构合理且功能强大。

随着X8的到来，IKO成立了软件小组，他们与物理学家和硬件技术人员一样热情和有抱负。主要成果之一是Wammes系统，分时功能在很多方面变得不可或缺。它不仅让我们在实验紧急情况下能够及时使用计算机，还便于进行高效分析、程序开发和在线测试。此外，它还让我们有机会学习和应用新的技术，如列表处理和公式操作，从而提高了工作效率和质量。Wammes可能是欧洲第一个完全投入使用的分时系统，尽管它仅适用于EL - X8计算机，但在某些方面可与几年后广泛使用的AT&T Unix操作系统相媲美。

BOL网络的建设和运行没有出现重大问题，这十分了不起，因为涉及到两个供应商，即负责X8的Electrologica团队和负责PDP8的IKO（BOL团队），这两个团队配合得非常出色。

在数据处理和分析方面，Electrologica编程的主要软件包中，X8窗口系统最为通用和不可或缺。它由一组子程序和规则组成，可使用任何计算机语言进行编程。遗憾的是，Electrologica、Wammes和窗口系统未能持续发展。但值得注意的是，我们是早期从事“大数据”和“数据挖掘”工作的团队，部分成员还有机会学习和应用早期的人工智能理念，而如今，这三个领域已紧密交织在一起。

4. 项目挑战与成果

尽管BOL项目有诸多积极方面，但也面临着一些挫折和挑战。部分项目的进展比预期要长，甚至有些未能实现。回旋加速器的束流强度不足，无法像预期那样精确聚焦在目标上。电子设备的复杂性和规模导致维护工作耗时巨大。由于检测单元需要维修，或者在安装后检查时发现细微错误，我们总是有一些检测单元无法正常工作。不过，由于测量空间存在大量冗余，并且通过将实验数据与充分模拟的理论数据进行比较，我们能够应对这些问题。

尽管存在诸多问题，但BOL项目的整体概念是可行的，其多维结果树立了新的标准，令人着迷。为了在文章和会议上向不熟悉BOL的同行清晰报告这些多维结果，我们不得不开发特殊的展示方法。

BOL团队的物理学家们具有一种属于20世纪60年代的精神和态度，他们认为一切皆有可能，至少应该有可能。这意味着在物理、电子和编程领域进行大胆实验时享有自由和合作的氛围。他们聪明、努力、敬业，在完成一整天的工作后，还会在回旋加速器或计算机前进行夜班工作。他们渴望站在科学和技术的前沿，阅读大量专业文献，拥有自己的研讨会和工作组。在选择学习和实验的主题时，他们享有很大的自由度，即使这些主题与项目的关联并不明确。他们习惯了“跳出框框”思考，偶尔还会与朋友一起度过夜晚，听着当代流行音乐，浪漫的故事也可能在美酒和大麻的催化下发生。总之，团队多方面的开放思维精神，加上所积累的专业知识，以及一定的运气，为BOL项目的成功做出了巨大贡献。

1971年，BOL团队的三位成员Karel Mulder、Jona Oberski和“我”在阿姆斯特丹大学成功地依次通过了博士论文答辩，论文内容基于BOL项目的研究成果。实验工作一直持续到1973年，此时测量工作停止，留下了近2000盘数据磁带。随后，主要由三名研究生和几名本科生继续进行数据分析。1974年，X8计算机被Digital Equipment Corporation（DEC）的10型计算机取代，X8软件的主要功能由DEC的工作人员用Fortran重新编程。数据分析和论文发表准备工作一直持续到1977年，最后一篇论文于1982年发表。

BOL项目虽然困难重重，但取得了成功，在少体核物理前沿领域具有重要意义。它在国际科学期刊上发表了二十篇论文，获得了三项专利，产生了六篇博士论文以及许多硕士论文、会议文章和实验室报告。

从整体来看，BOL及其完整的基础设施可以被视为现代粒子物理实验装置的早期先驱。它具有围绕碰撞区域的4π型检测、用于“精确”撞击位置测量的硅探测器、大量的电子通道、与实验在线连接的计算机网络以及复杂的软件。这些特点在当今高能粒子物理实验中以极大的规模和更高的水平得到了体现。

1977年，BOL探测器被放置在校园中作为“纪念碑”，并保留了25年。世纪之交后不久，它被拆除，系统的核心部分和主要元件的示例在Nikhef的展示柜中展出，并配有持续运行的展示说明，直到2016年。同年，BOL的剩余部分和相关档案被转移到莱顿的荷兰科学国家博物馆Boerhaave。2018年，该博物馆决定将另一台保存于别处的X8计算机也纳入收藏。半个世纪后的今天，BOL和X8能够被保存下来供后人研究，令人欣慰。

以下是BOL项目发展历程的表格总结：
| 时间 | 事件 |
| — | — |
| 1971年 | 三位成员通过博士论文答辩 |
| 1973年 | 测量工作停止，留下近2000盘数据磁带 |
| 1974年 | X8被DEC的10型计算机取代，X8软件功能用Fortran重新编程 |
| 1977年 | 数据分析和论文发表准备工作结束，BOL探测器成为“纪念碑” |
| 1982年 | 最后一篇论文发表 |
| 世纪之交后不久 | BOL探测器拆除，部分元件在Nikhef展出 |
| 2016年 | BOL剩余部分和档案转移到Boerhaave博物馆 |
| 2018年 | Boerhaave博物馆收藏X8计算机 |

下面是一个mermaid流程图，展示BOL项目的整体发展阶段：

graph LR
    A[项目启动] --> B[实验开展]
    B --> C[数据积累]
    C --> D[数据分析]
    D --> E[论文发表]
    E --> F[设备退役与保存]