寄予厚望的Ⅳ型机

——激光照排系统研制回忆之七  

    1984年9月我开始投入Ⅳ型机的总体设计，Ⅳ型机的照排控制器称为TC86，预计1986年完成(实际上1987年才基本完成样机的调试，1988年成为可靠的商品，所以后来也改称TC88)。当时我已强烈感受到Ⅱ型机TC83没有整版点阵缓冲引起的下述缺点： ① 碰到一些复杂表格的版面，当小字很多时会出现点阵迟到，这是无法补救的；② 无法实现文字与黑白图片、照片的合一输出，也无法输出带有底纹的版面，而Monotype系统是有可能做到的，因为它采用了走走停停的照排机。另外TC83毕竟是1979年开始设计的，元器件较多，未采用80年代中期的国外最新硬件技术。在上一代产品即将成熟之际，就开始下一代产品的研制，是我们一贯的方针，今天北大方正面对国际竞争，更加要注意这点。

双极型微机与门阵列相结合的光栅图像处理器(RIP)

    1984年Am29116已经宣布，尽管当时尚无产品。这是16位的双极型微机，与Am2901位片微处理器相仿，但性能和集成度明显提高。这种芯片包含大量寄存器—寄存器操作，均在一拍内完成，具有RISC的某些特点。80年代中期门阵列技术已经完全成熟，5000门以下的半定制门阵列芯片的开发价和销售价都已降到可以接受的地步，开发工具也逐步成熟。这种情况下我们决定把大量的外围逻辑基本上都做到门阵列中去。由于当时门阵列门数和引腿数的限制，我决定做成两块芯片称为WA和WI。1985年4月我完成了芯片设计，吕之敏参加了讨论和修改，并协助审查芯片的逻辑图。潍坊计算机公司的同志未参加芯片设计，WA和WI芯片的权版归北大所有。1985年5月我和吕之敏又完成了TC86逻辑图的设计，并提供给潍坊计算机公司。

    80年代中期DRAM集成度已较高，我和吕之敏决定用20MB存储器作整版点阵缓冲，考虑到将来分辨率提高到1016 DPI，所以把缓冲设计成容量可以扩充到40MB。

    由于设计了WA、WI两块门阵列和只用了一片Am29116和一片Am2910, TC86的芯片数量大幅度下降，而微程序地址空间却增加了几倍。TC86支持倾斜字、立体字、空心字、翻白字、半阴半阳字、勾边字和任意角度的旋转字，支持底纹、图形和黑白照片处理，整个版面作90°、180°、270°的旋转时基本不影响速度。这些功能当时在国外的中文、日文照排系统中是闻所未闻的。1987年Autologic公司的一位负责技术的美国人访问北大时，非常赞赏这种双极型微机与门阵列相结合的做法，认为是控制器(RIP)的一种******方案，并说这种方案过去在技术上是不现实的，只有今天才有可能实现。由于TC86支持图形、图像，所以已经属于光栅图像处理器(RIP)了。TC86除支持精密照排外，还支持激光打印机，组成廉价的轻印刷系统，这是市场上所急需的，而且轻印刷可现场升级成精密照排系统。

    WA、WI两块芯片是TC86的关键，当时门阵列的设计和验证工具远不如今天，设计错误引起的投片返工代价也不低，一次成功是我努力的目标。WA和WI的图纸经仔细审查后于1985年5月提供给Ferranti公司，于1986年5月拿到样片，调试证明芯片研制一次成功。

    美国50年代末的小型计算机LGP30曾对我从事逻辑设计的习惯产生过重大影响。1960年夏我去七三八厂合作，以LGP30为蓝本，协助该厂研制一台小型电子管计算机。LGP30是一台电子管计算机，以磁鼓为主存，所有的寄存器，包括累加寄存器，均放在磁鼓上，所以整机只用了100多个电子管！要注意，当时一个最简单的触发器就需要两个电子管。LGP30的全部逻辑图均用布尔表达式表示，只占A4幅面的一页纸，被美国杂志称为第一台全部逻辑均用布尔表达式表示的计算机。只要看懂这一页纸，就掌握了LGP30的全部图纸。LGP30灵巧的设计和整机逻辑严格而紧凑的表示令人拍案叫绝！受了LGP30风格的影响，从此我养成了“不画图，先写逻辑表达式，然后严格审查，最终再根据表达式画正式逻辑图”的习惯。1960年在七三八厂协作时我就开始这样做，当时已写完全部逻辑表达式，也即基本上完成了整机的逻辑设计，只是尚未画图。七三八厂的部门领导觉得没有任何图纸，似乎什么都没有做，判为“没有完成任务”，将影响七三八厂与我们合作的同志的荣誉、甚至奖金。于是我们连夜突击，按七三八厂采用的前苏联M3(即七三八厂生产的103机)的标准，把表达式翻成苏联模式的逻辑图，厂里立刻表扬我们在这么短的时间内完成一台计算机的逻辑设计。

    布尔表达式描述的逻辑易于审查和修改，有利于设计者把思路集中在严格的逻辑关系上。应该感谢参加七四八工程照排控制器和RIP研制的北大和协作单位的同事们，所有画正规逻辑图的任务都由他们主动承担了，我只负责审查他们画的图纸是否与表达式一致，特别是审查门级延迟时间的不一致是否会引起逻辑上的竞态。

    1985年初我们就预计Ⅳ型机将来会在照排和轻印刷领域内占领大片市场，Ⅳ型机是我1985～1988年的精神支柱。

系统主机的选择

    1982年起我和陈堃銶一直想摆脱NOVA系列，因为NOVA机上编程太麻烦，RDOS操作系统太落后。当时UNIX已经流行，我们看中了美国Altos高档微机系统，该型号在美国销量很好，Altos到中国来介绍和展示系统，我对他们生产中的品质保障措施印象很深，Altos也已在香港找了代理商，主管中国大陆的销售维护。为此我们买了几套Altos系统，并开始熟悉UNIX。不久IBM PC机渐露锋芒，我们已感到它的未来势头，所以就放弃了Altos和UNIX，并由宋再生负责在PC机DOS和dBase上开发北京大学财务处的财务软件。整个照排系统要从NOVA系列移植到PC机上，工作量是很大的，而我们又希望尽快完成科技版和大报版。正在我们左右为难之时，1984年7月30日我去清华大学参加美国DG公司(即生产NOVA的厂商)的新产品介绍会，看到了DG的Desktop机，体积与PC机差不多大，指令与NOVA机兼容，我非常高兴，回来与陈堃銶商量，决定用DG的Desktop作Ⅲ型系统主机以大大减少移植工作量，新的前端排版软件则在PC机上开发，排版结果允许在Desktop主机系统发排。1984年入学的硕士生王小波、冯坚后来就分配作PC机上表格排版软件的开发。当时陈堃銶已开始构思功能更强的页面描述语言，使各种前端排版软件的结果能在后端汇总输出，这就是后来广为流传，差不多成为某种标准的.S2文件格式的前身，90年代国内一些开发商按.S2格式推出了与方正、华光兼容的前端组版或后端发排输出系统。用Desktop作主机的Ⅲ型机系统仍采用TC83作照排控制器，Ⅲ型实际上只是一种过渡机型，我们的真正目标是前端和主机均采用PC机的Ⅳ型系统，但由于有了.S2格式的页面描述语言，Ⅲ型机上所有的PC机前端排版软件的结果将来均可在Ⅳ型上输出。

“需求”刺激出第一个“照排机和印字机共享的字形发生器和控制器”

    1979年10月我们开始设计Ⅱ型机TC83时，国内的激光打印机研制尚无眉目，国外的激光打印机则很昂贵，例如IBM的产品高达30多万美元，所以TC83设计时并未考虑与激光打印机相连。1981年底杭州通信设备厂研制的激光打印机已能输出样张，清晰度也达到可接受的水平。为了适合已经完成的TC83，我们把杭州的激光打印机分辨率定为371 DPI，正好是该厂照排机分辨率的一半，这样便于TC83的修改。1982年初我开始在TC83上增加杭州激光打印机的接口和相应的微程序。由于激光打印机和激光照排机均是逐线扫描方式，分辨率又正好1∶2，所以可以共享绝大部分设备和微程序，因而代价很低。1984年初给新华社Ⅱ型机配套的激光打印机系统是世界上第一台普通纸输出的中文大样机，扩充后的TC83成了世界上第一台照排机和大样印字机共享的字形发生器和控制器，领先于西文和日文同类系统。Ⅳ型机TC86中又进一步发展了这种思想，把照排机和印字机共享的逻辑放在专用芯片WA和WI中，从而大大降低成本。这些设计于1985年4月申请了首批中国专利CN8510275“照排机和印字机共享的字形发生器和控制器”。

    我们领先于欧、美、日同行的原因又是“最早得到需求刺激”，具体分析如下： 

    (1) 1986年前西方流行的是逐字扫描的第三代照排机，逐字扫描与激光打印机的逐线扫描不宜合用一个字形发生器和控制器(RIP)。

    (2) 西方国家的照排是从六七十年代和80年代初的贴毛条排版发展起来的，1985年我去德国访问时，Hell公司介绍我们参观的Hell用户还都是三代机贴毛条。台湾80年代的照排几乎是清一色的贴毛条，90年代初台湾的电脑杂志还在争论整页组版效率是否高的问题，因为80年代港、台用户已积累了一套手工快速贴毛条成版的“技巧”。出毛条、人工贴版，显然用的都是相纸，所以相纸比底片更加常用得多，底片只在贴完版最后一次人工翻拍时才用。西方和日本上述落后的毛条方式使消耗量很大的相纸比较便宜，用户也习惯于先出小样校对，然后出相纸毛条、人工贴版的工艺，对普通纸大样机的需求迫切程度不如我们。1975年开始研制照排系统时，我们就决心跳过贴毛条的阶段，直奔整页组版，另外我国当时只生产照排底片而没有研制和批量生产氦氖感光相纸。上述两个“可喜”的因素使大样机成为1985年新华社项目中必不可少的设备，我们得到了强烈的需求刺激。

    (3) Monotype和北大是两家最早搞激光照排系统的公司，Linotype, Hell, Autologic和Compugraphic都比我们晚。上述所有这些外国公司均只搞精密照排，而不发展基于激光打印机的轻印刷系统。这与欧美照排的发展史有关，因为这些先进国家的印刷术发达，从二代机、三代机过来，印刷品的质量早就很高了。80年代的西方正式出版物绝不会满足于300 DPI、400 DPI这种激光打印机分辨率的。上述这些公司只管高档照排，另一些公司如惠普、苹果、施乐等则致力于办公用轻印刷系统，于1985年后推出了HP Laserjet, Apple Writer等销量很大的激光打印系统。上述分工使外国照排厂商开发的RIP一般不能接激光打印机，不能同时支持在普通纸上出大样。例如1987年《光明日报》购买的Monotype系统，1988年在《人民日报》装备的美国HTS系统，1989年台湾《中央日报》购买的Monotype系统，都需要另外装备一套昂贵的输出大样的系统，而且还不能确保大样和照排输出的高度一致。

    中国印刷工业和印刷机械落后，400 DPI激光打印机输出配上胶印，质量有时不亚于铅印，而效率高得多。1988年以后我国很多中小印刷厂一下子买不起照排系统，往往先上400 DPI轻印刷，后来再升级成精密照排。

    上述因素使我们领先于西方同行，最早实现一个RIP同时支持照排和普通纸大样输出。这一做法降低了成本和用户的材料消耗，明显增强了市场竞争能力。今天字形发生器的共享已经发展到崭新的地步： MS Windows上的True Type字库不仅用作屏幕显示，也可用作激光打印机(即Windows驱动的打印机)和任何分辨率的照排机输出；一个PostScript RIP既可驱动照排机，也可连接彩色打样机。

连接佳能激光打印机

    杭州通信设备厂生产的激光打印机输出清晰度不够，连续走纸而不是单张纸输出，使用不方便，另外可靠性较差，维护量较大，这些缺点使它无法作为Ⅳ型机轻印刷的输出设备。80年代以来我就不断关注国外激光打印机的发展，1984年在北京的惠普公司办事处看到了即将推出的基于佳能LBP机芯的HP Laserjet激光打印机的产品广告，体积很小，价格之低使我吃惊。惠普的工作人员说，佳能机芯采用了一种新技术，但具体不清楚。1984年我认识了一位日本朋友。他小时候在天津呆过，说一口标准的普通话。他告诉我，佳能的激光打印机在美国获得了巨大成功。我就请他买两台佳能LBP CX(即打印机芯)。随后不久他又一次来到北京，带来了LBP CX，并且把该机的视频接口手册送给我。这大概是最早进入中国的佳能LBP机。我们就按手册在TC83上设计了LBP CX的接口和对应的微程序，调试工作主要由潍坊计算机公司的同志承担。有了TC83上连接LBP机的经验，TC86就比较顺利了。从1987年起到现在，随北大的RIP，共销售了3万多台佳能LBP机。系统连接佳能激光打印机，意味着杭州通信设备厂的激光打印机将无人问津，这是不可避免的。我对杭州通信设备厂的同志说： “假如不连佳能打印机，国产系统肯定垮台，这样杭州的照排机也卖不出去了。”他们接受了我的观点。

    1984年，佳能公司北村乔(现任佳能公司常务董事)来北京介绍佳能激光打印机产品，他对我们的工作很有兴趣，从而导致了筹建后来的北佳公司。我和他的交谈中，他详细介绍了LBP CX中第一次把墨粉、硒鼓和易损耗的部件放在一个暗盒(Cartridge)中，墨粉用完就把暗盒扔掉。他说这种方法极大地提高了可靠性和减少了维护量。当时我担心中国用户承受不起暗盒的消耗，会买得起而用不起。北村先生反复向我说明，这是长期市场积累下来的经验，只有这样才能使激光打印机大量销售。当时我对市场没有经验，也缺乏规模经济的观念，后来才意识到： 没有规模，就没有产业。今天北大方正正在从事多个领域的软件开发，我们特别强调软件平台和系统的可扩充性。假如某个应用领域内，每个用户都需特定的软件版本，则不可能真正在该领域推广，因为开发和技术支持的代价就会吞掉绝大部分甚至全部利润，而阻碍进一步发展。佳能开创的LBP CX技术是激光打印机发展史上的里程碑，开始了激光打印机的大产业时代，其经验对其他行业也是有借鉴作用的。

照排机的可靠性仍是一块心病

    原理性样机中，几乎所有的设备均不可靠，甚至大键盘都表现出严重的接触不良，使劲按两三下才出一个字，毛德行经常把大键盘面板翻过来检修，所以照排机的可靠性问题还不算突出。Ⅱ型机中照排机、大样机的可靠性逐步上升为首要问题，但当时的TC83、无锡终端、主机硬盘和软件还不是高度可靠，所以照排机还不是唯一的不可靠因素。Ⅳ型机采用PC机为主机，由大规模集成电路组成的TC86可靠性甚至会高于PC，大样机已采用佳能LBP CX，所以照排机将成为唯一的不够可靠的设备。1987年7月沈忠康和我去长春光机所，我对该所所长强调说： “Ⅳ型机开始，系统的平均故障间隔时间MTBF就是照排机的MTBF。”他听后有些吃惊，但很重视我的这句话，当天就复述给光机所照排机项目的研制组。

    连接进口照排机显然对整个系统大有好处，但在内外关系上会有很多困难。1985年春北大校领导参观新华社Ⅱ型机系统，教务长汪永铨是电子学专家，看完系统当场就对我说： “赶紧进口照排机，否则会影响整个系统。”这句话对我反复说了几遍。我心里当然非常明白，但只能支支吾吾地不置可否。系统连接进口照排机，必然打击多年来从事照排机研制的同事和协作单位，当时没有他们的艰苦努力和日夜奋战，就没有1979～1981年输出的漂亮样张，也就无法得到印刷专项的大量投资，他们都是共同度过最困难时期的战友。1987年经委要求系统出口到香港中华商务，显然只能用国外照排机，1987年世界银行贷款装备高校印刷厂是用外汇支付的，也算出口项目。在这种情况下我们于1988年初购买了美国ECRM照排机并很快连通。用户在照排机方面有了国产和进口机的两种选择，感到Ⅳ型系统已没有任何比不上国外照排系统的地方了，所以Ⅳ型机很快在市场上取得垄断地位。系统连接进口照排机，也促进了国内厂商改进照排机的质量。

    连接ECRM照排机还解决了RIP与照排机接口方面困扰我们的一个毛病。1987～1988年期间，照排机输出的底片有时会出现垂直方向的错位。那段时间我看《经济日报》和《解放军报》就经常发现这一现象，心里很难受。别人很奇怪为什么我一眼就在报纸或底片上发现问题，而当我把出错地方指出来时，有人还看不清楚。因为当时扫描错位和汉字填充不封闭拖尾巴这两大问题一直是我的心病，看报时专门注意是否有这两种毛病。与ECRM照排机连接过程中，吕之敏发现ECRM接口规范要求RIP与照排机之间重要的信号线两端全部用差分电路。熟谙电路的吕之敏马上就懂得这是抗干扰的好方法，而TC86与国产照排机连线的两端却未用差分电路。吕之敏按ECRM照排机的方式修改了接口，立即彻底解决了国产照排机扫描错位的问题。照排时偶尔出现的“汉字填充不封闭拖尾巴”的现象后来才知道是印制版不良工艺造成的，1988年10月北大新技术公司(北大方正前身)彻底改进了TC86的工艺，这一问题才得以解决。

    在推行市场经济的今天，人们主要关注企业的整体商业利益，大概不大会像我当年那样，过多地考虑关系方面的问题，这也许是个进步。