Тенденции развития радиоприемных устройств. Современные тенденции развития средств вычислительной техники

В прошедшем столетии были сделаны многие открытия и изобретения, сыгравшие революционную роль в развитии современной цивилизации.

создание и развитие средств связи, особенно беспроводной.

Изобретение кинематографа.

Возникновение и развитие авиации и космической техники. Современные летательные аппараты по своим техническим и конструктивным характеристикам не сопоставимы с первыми летательными аппаратами.

Но наиболее разительный прогресс произошел в области вычислительной техники. (ок 50 лет назад первые ЭВМ имели вез ок. 30 тонн, площадь ок. 200м 2)

время выполнения вычислений измерялось часами или сутками.

Теперь ЭВМ можно разместить на кремниевом кристалле S=5мм 2 , время выполнения расчетов – микросекунды, стоят мало.

При этом в отличие от 1ых ЭВМ, которые программируют в математических кодах и способны были выполнять главным образом только громоздкие математические вычисления, то современные ЭВМ способны доказывать теоремы, переводить текст, воспроизводить движущиеся объекты.

Появление первой машины для выполнения четырех арифметических действий дотируется началом 17 в. (1623 г В. Шикард изобрел мех. машину сложения, вычитания, частично умножения и деления), но более известным оказался настольный арифмометр (1642г.) франц. ученым Паскалем. 1671г. Лейбниц изобрел т.н. зубчатое колесо Лейбница, позволяющее выполнять 4 арифметические операции.

В 19 в. обострилась потребность в выполнении вычислении, связанных с обработкой результатов астрономических наблюдений, расчеты, связанные с составление математических таблиц. Поэтому в 1823 англ. математик Чарльз Бэббидж начал разрабатывать автоматизированную разностную машину, приводимую в действие паровым двигателем.

Машина должна была вычислять значения полиномов и печатать результаты на негативе для фотопечати, однако существующее в то время технические средства не дали возможности завершить воплощение этой идеи, а кроме того, сам Бэббидж увлекся проектированием более мощной счетной машины. Новая счетная машина Бэббиджа получила название «аналитическая».

1894 г. он изложил ее основные принципы, которые были воплощены в ткацком станке программы с перфокарточным управлением француза Жаккаром.

Аналитическая машина явилась одной из первых программируемых автоматических вычислительных машин с последовательным управлением. Она имела арифметическое устройство и память.

Меценат проекта была графиня Ада Августа Лавлейс – первый женщина программист. В честь ее назван язык программирования «Ада».

В конце 19 в. Холлерит разработал машину с перфокарточным вводом, способную автоматически классифицировать и составлять таблицу данных. Она была использована в 1890 г. в Америке на ней проведены переписи населения. Программа считывалась с перфокарты с помощью электроконтактных щеток. В качестве цифровых счетчиков – эм реле.

1896 г. Хоррелит основал фирму, предшественницу IBM.

После смерти Бэббиджа заметно прогрессов не было.

скорость вычисление механич. или элетромех. машин была ограничена, поэтому в 30хх гг. 20 в началась разработка электронных вычислительных машин (ЭВМ). На основе вакуумных 3х электродных лампах (триодах), которые изобрел в 1906 Лид Фрест.

Первая универсальная ЭВМ «Эниак» была разработана в пенсильваском институте США (1940-1946 г.) – разработка численных таблиц для вычисления траектории полета объектов. (18 тыс. электронных плат, 140 кВт, 10ая СС, программировалась вручную с помощью переключателей.

Современные тенденции развития средств вычислительной техники.

В настоящее врем в мире происходит переход от индустриального общества к информационному. Если главным содержанием индустриального общества было производство и потребление мат. благ, то движущей силой информационного общества является создание и потребление информационных ресурсов различного типа и назначения. При этом достижение экономических и социальных результатов определяется не сколько и не столько наличием мат.-энергетических ресурсов, сколько масштабом и темпами информатизации общества и широким использованием информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности.

Независимость от различия и особенностей процессов информации в различных областях общественной жизни для них характерно наличие 3х составляющих:

идентичность (единообразие) основных средств производства (средства выч. техники и информатики)

идентичность «сырья» (исходные данные, подлежащие анализу и обработке)

Идентичность выпускаемой продукции («обработанная» информация)

Ключевая роль в инфраструктуре информации принадлежит системным телекоммуникациям, а также выч. системам и их сетям.

В этих областях сосредоточены новейшие средства выч. техники, информатики и связи, а также используются наиболее прогрессивные информационные технологии.

В прошедшей истории развития ЭВТехники (начавшиеся с 40х гг 20в) можно выделить 4 поколения ЭВМ, отличающихся между собой элементной базой, функционально логической организацией, конструктивно-тех. исполнением, программным обеспечением, тех и эксплуатационным характеристиками режимами пользования.

Смене поколений сопутствовала изменение тех-эксплуатацион и тех-

экономических показателей ЭВМ.

В первую очередь это:

быстродействие, емкость памяти, надежность, стоимость.

Одновременно этому сопутствовала тенденция совершенствования программного обеспечения и повышение эффективности использования и обращения к ней.

В настоящее время ведутся работы над создание ЭВМ 5ого поколения, которые приблизили реальность создание искина.

Классификация средств эвТехники

К настоящему времени в мире уже произведенные работают и вновь создаются миллионы ЭВМ различного типа, класса и уровня.

ЭВТ принято делить на аналоговую и цифровую.

В АВМ информация представляется соответствующими значениями тех или иных аналогов (непрерывных физ. величин) – тока, напряжения, угла поворота и т.д.

АВМ обеспечивают приемлемое быстродействие, но умеренную точность вычислений ок. 10 -2 -10 -3

АВМ имеют достаточно ограниченное распространение и применяются главным образом в НИИ и проектно-конструкторских организациях при разработке исследований и совершенстве след. образцов техники, т.е. АВМ относятся к области специализируемых ЭВМ.

Более широкое распространение получили ЦВМ, в которых информация отображается с помощью цифровых или бинарных кодов.

Быстрые темпы развития и смены моделей ЦВМ затрудняют использование какой-либо их стандартной классификации.

Академик Глужков отмечал, что можно выделить 3 глобальных сферы, требующие использования качественно различных типов ЭВМ, а и.:

традиционное применение ЭВМ для автоматизированных вычислений

использование ЭВМ в различных системах управления (с 60х гг - сфера в наибольшей степени предполагает использование линии ЭВМ)

Машины этого профиля должны отвечать след. требованиям:

более дешевыми по сравнению с большими централизованными ЭВМ.

более надежными, особенно при работе непосредственно в контуре управления.

обладать большей гибкостью и адаптивностью к условиями работы

было архитектурно прозрачным, т.е. структура и функции ЭВМ должны быть понятны широкому пользователю.

3. Для решения задач искусственного интеллекта.

Рынок ЭВМ имеет широкий диапазон классов и моделей ЭВМ. Например, IBM, выпускающий приблизительно 80% мирового машинного парка производит главным образом 4 класса компьютеров:

большие ЭВМ (mainframe ) – многопользовательские машины с централизованной обработкой информацию и различными формами удаленного доступа. По оценкам специалистов IBM ок. 50% всего объема данных в информационных системах мира должны хранится в больших машинах. Новое их поколение предназначено для использования в сетях в качестве крупных серверов.

Развитие ЭВМ данного класса имеет большое значение и для РФ, т.к. у нас имеется огромный задел по программе ЕС ЭВМ, заимствовавших архитектуру IBM 360 / 310 , поэтому принято решение продолжить развитие этого направления и в 1993 г. с IBM было подписано соглашение, согласно которому РФ получила право производить 23 вида новейших моделей – аналогов IBM с производительностью от 1,5 до 167 миллионов операций в сек.

Машины RS / 6000 , у которых высокая производительность и предназначены для построения работы станций, для работы с графикой, для UNIX серверов и кластерных комплексов для научных исследований.

Средние ЭВМ в первую очередь для работы в финансовых структурах (бизнес компьютеры). В них особенное внимание уделяется сохранению и безопасности данных, также программной совместимости. Эти машины используются в качестве серверов локальных сетей.

Компьютеры на платформе микропроцессоров Intel

Вычислительные системы, использующие параллельную работу.

Можно использовать след. классификацию средств ЭВМ на основе их разделения по быстроте действия :

супер ЭВМ , для решения сложных вычислительных задач и для обслуживания крупнейших информационных банков данных

большие ЭВМ , для ведомств, территориальных и региональных вычислительных центров.

средние ЭВМ , для АСУТП (АСУ технологического процесса) и АСУП (производства), а также для управления распределенной обработкой информации в качестве серверов.

персональные и профессиональные ЭВМ на их базе формируются АРМ (автоматизированные рабочие места) для специалистов различного профиля.

встраиваемые микропроцессоры (микро ЭВМ) для автоматизированного управления отдельными устройствами и механизмами.

РФ испытывает потребность:

Супер ЭВМ ~ 100-200 шт.

Большие ЭВМ ~ 1000 шт.

Средние ЭВМ ~ 10 4 -10 5 шт

Появление ПК справедливо считают грациозной научно-технической революцией, сравнимой по масштабам с изобретением электричества, радио. К моменту рождения ПК вычислительная техника уже существовала четверть века. Старые ЭВМ были отделены от массового пользователя, с ними работали специалисты (электронщики, программисты, операторы). Рождение ПК сделало ЭВМ массовым инструментом. Облик ЭВМ кардинально изменился: она стала дружественной (т.е. способной вести культурный диалог с человеком на визуально комфортном экране). В настоящее время в мире используются сотни миллионов ПК как на производстве, так и в повседневной жизни.

Информатика и её практические результаты становятся важнейшим двигателем научно-технического прогресса и развития человеческого общества. Её технической базой являются средства обработки и передачи информации. Скорость их развития поразительна, в истории человечества этому бурно развивающемуся процессу нет аналога. Можно утверждать, что история вычислительной техники уникальна, прежде всего, фантастическими темпами развития аппаратных и программных средств. В последнее время идет активный рост слияния компьютера, средств связи и бытовых приборов в единый набор. Будут создаваться новые системы, размещенные на одной интегральной схеме и включающие кроме самого процессора и его окружения, еще и программное обеспечение.

Уже сейчас на смену универсальным компьютерам приходят новые устройства - смартфоны, решающие конкретный спектр задач своего владельца. Развивается система карманных компьютеров.

Характерной чертой компьютеров пятого поколения обязано быть внедрение искусственного интеллекта и естественных языков общения. Предполагается, что вычислительные машины пятого поколения будут просто управляемы. Пользователь сумеет голосом подавать машине команды.

Предполагается, что XXI век будет веком наибольшего использования достижений информатики в экономике, политике, науке, образовании, медицине, быту, военном деле.

Главной тенденцией развития вычислительной техники в настоящее время является дальнейшее расширение сфер внедрения ЭВМ и, как следствие, переход от отдельных машин к их системам - вычислительным системам и комплексам разнообразных конфигураций с широким спектром функциональных возможностей и черт.

Более перспективные, создаваемые на базе персональных ЭВМ, территориально распределенные многомашинные вычислительные системы. Вычислительные сети - ориентируются не столько на вычислительную обработку информации, сколько на коммуникационные информационные сервисы: электронную почту, системы телеконференций и информационно-справочные системы. Специалисты считают, что в начале XXI в. в цивилизованных странах произойдет смена основной информационной среды.

В последние годы, при разработке новых ЭВМ большее внимание уделялось сверхмощным компьютерам - суперЭВМ и миниатюрным, и сверхминиатюрные ПК. Ведутся поисковые работы по созданию ЭВМ 6-го поколения, базирующихся на распределенной нейронной архитектуре, нейрокомпьютеров. В частности, в нейрокомпьютерах могут употребляться уже имеющиеся специализированные сетевые МП - транспьютеры - микропроцессоры сети со встроенными средствами связи.

Примерная характеристика компьютеров шестого поколения.

В современной технике радиоприема достигнут серьезный прогресс, обусловленный интенсивным внедрением цифровой микросхемотехники. Имеющиеся микросхемы дают возможность разрабатывать приемники с высокой чувствительностью, лучшей избирательностью по зеркальному каналу, меньшими частотными и нелинейными искажениями, а также позволяют решить ряд проблем новыми путями. В частности, сигнальные микропроцессоры обеспечивают оптимальное качество приема в условиях помех, управление автопоиском, электронную память десятков радиостанций, коммутацию программ, работу таймера, включающего и выключающего приемник по заданной программе. Используются цифровая и обзорная настройки.

Для дистанционного управления приемниками в пределах одного помещения применяют ультразвуковые и инфракрасные линии связи. Сигналы управления с пульта дистанционного управления поступают на кодирующее устройство, в котором генерируется последовательность импульсов, поступающая на фотодиод, где осуществляется ИКМ инфракрасного излучения. Промодулированное излучение поступает на приемник (фототранзистор), затем на усилитель и декодирующее устройство и, наконец, на устройство управления.

Несомненные достоинства сулит использование систем цифрового радиовещания. Цифровая система передачи звука уже давно работает в каналах спутниковой связи и спутникового радиовещания, а также используется для цифровой звукозаписи музыкальных композиций.

Цифровое вещание обеспечивает неискаженное воспроизведение звука: полосу воспроизводимых частот 5-20 000 Гц, коэффициент нелинейных искажений менее 90 дБ, практически полное отсутствие внешних помех, а также позволяет осуществить стереофоническое вещание. Недостатком цифрового вещания является широкая полоса частот порядка 8 МГц, занимаемая одной радиостанцией, что определяет диапазоны несущих частот цифрового вещания. Цифровое вещание позволяет просто реализовать вывод информации на дисплей, режим повтора, запоминание сообщений и т.д.

Упрощенная структурная схема современного цифрового приемника показана на рис. 7.20. В этой схеме усилительный тракт (УТ) выполнен на аналоговых элементах и производит предварительную частотную фильтрацию принятого сигнала, усиление и преобразование его частоты.

Рис. 7.20.

АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой код, который подается на собственно цифровой приемник. Последний представляет собой сигнальный процессор (СП), осуществляющий цифровую обработку принятого сигнала по заданному алгоритму. Такой алгоритм включает задачу поиска сигнала по диапазону, дополнительного преобразования частоты, фильтрацию, детектирование и т.д. Если необходим сигнал в аналоговой форме, то на выходе приемника вводится ЦАП. Перестройка приемника по каналам производится с помощью синтезатора частоты (СЧ).

Сейчас все большее внимание уделяется использованию в бытовой радиоаппаратуре систем управления и оповещения человеческим голосом. Команды оператора подтверждаются синтезированным человеческим голосом. Сигнал управления превращается в цифровую форму и поступает в микропроцессор управления.

Системы распознавания голоса станут частью приемников, которые будут выполнять команды определенного человека. После исполнения команды микропроцессор вырабатывает сигнал ответа, который поступает в синтезатор человеческой речи, и громкоговоритель воспроизводит ответ.

Цифровые технологии дали возможность создать ряд современных аппаратных средств, которые оказывают существенную помощь работе правоохранительных органов. К ним относятся мобильная сотовая связь, цифровые диктофоны, цифровые фото- и видеокамеры.

Связь называют мобильной, если источник информации или ее получатель (или оба) перемещаются в пространстве. Сущность сотовой связи заключается в разделении пространства на небольшие участки - соты (или ячейки радиусом 1-5 км) и отделении радиосвязи в пределах одной ячейки от связи между ячейками. Это позволяет использовать в разных сотах одни и те же частоты. В центре каждой ячейки располагается базовая (приемно-передающая) радиостанция для обеспечения радиосвязи в пределах ячейки со всеми абонентами. У каждого абонента своя микрорадиостанция - мобильный телефон - комбинация телефона, приемопередатчика и мини-компьютера. Абоненты связываются между собой через базовые станции, соединенные друг с другом и с городской телефонной сетью. Каждая ячейка сотов обслуживается базовым радиопередатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это дает возможность повторно использовать ту же частоту в других сотах. Во время разговора сотовый радиотелефон соединен с базовой станцией радиоканалом, по которому передается телефонный разговор. Размеры ячейки сотов определяются максимальной дальностью связи радиотелефонного аппарата с базовой станцией. Эта максимальная дальность является радиусом соты.

Идея мобильной сотовой связи состоит в том, что, еще не выйдя из зоны действия одной базовой станции, мобильный телефон попадает в зону действия любой соседней вплоть до наружной границы всей зоны сети.

Для этого созданы системы антенн-ретрансляторов, перекрывающих свою соту - область поверхности Земли. Для обеспечения надежности связи расстояние между двумя соседними антеннами должно быть меньше радиуса их действия. В городах оно составляет около 500 м, а в сельской местности около 2-3 км. Мобильный телефон может принимать сигналы сразу от нескольких антенн- ретрансляторов, но настраивается он всегда на самый мощный сигнал.

Идея мобильной сотовой связи заключается еще и в применении компьютерного контроля за телефонным сигналом от абонента, когда он переходит от одной сотовой ячейки к другой. Именно компьютерный контроль позволил в течение всего лишь тысячной доли секунды переключать мобильный телефон с одного промежуточного передатчика на другой. Все происходит так быстро, что абонент просто этого не замечает.

Центральной частью системы сотовой мобильной связи являются компьютеры. Они отыскивают абонента, находящегося в любой из сот и подключают его к телефонной сети. Когда абонент перемещается из одной ячейки в другую, они передают абонента с одной базовой станции на другую.

Важным преимуществом мобильной сотовой связи является возможность пользоваться ею вне общей зоны своего оператора - роуминг. Для этого различные операторы договариваются между собой о взаимной возможности пользования своими зонами для пользователей. При этом пользователь, покидая общую зону своего оператора, автоматически переключается на зоны других операторов даже при перемещении из одной страны в другую, например из России в Германию или во Францию. Либо, находясь в России, пользователь может звонить по сотовой связи в любую страну. Таким образом, сотовая связь обеспечивает пользователю возможность связываться по телефону с любой страной, где бы он ни находился. Ведущие компании-производители сотовых телефонов ориентируются на единый европейский стандарт - GSM.

Диктофон (от лат. dido - говорю, диктую) - это разновидность магнитофона для записи речи в целях, например, последующего печатания ее текста. Диктофоны делятся на механические, в которых в качестве накопителя информации используются стандартные кассеты или микрокассеты с магнитной пленкой, и цифровые.

Цифровые диктофоны отличаются от механических полным отсутствием подвижных деталей. В них в качестве накопителя информации вместо магнитной пленки используется твердотельная флэш-память.

Цифровая фотография позволяет оперативно и без использования дорогостоящих, длительных и вредных для здоровья химических процессов получать в цифровой форме качественные фотографии.

Принцип работы цифровой фотокамеры заключается в том, что ее оптическая система (объектив) проецирует уменьшенное изображение фотографируемого объекта на миниатюрную полупроводниковую матрицу из светочувствительных элементов, так называемый прибор с зарядовой связью ПЗС (CCD). ПЗС-матрица - это аналоговое устройство: электрический ток возникает в пикселе изображения в прямом соотношении с интенсивностью падающего света. Чем выше плотность пикселей в ПЗС-матрице, тем более высокое разрешение будет давать фотокамера. Далее полученный аналоговый сигнал с помощью цифрового процессора преобразуется в оцифрованное изображение, которое сжимается в формат JPEG (или аналогичный ему) и затем записывается в память камеры. Емкостью этой памяти определяется число снимков. В качестве памяти цифровых фотокамер используются различные накопители - дискеты, карточки флэш-памяти, оптические диски CD-RW и др. Запомненные электрические сигналы в виде картинки можно вывести на экран компьютера, телевизора, напечатать на бумаге с помощью принтера или передать по электронной почте в любую страну. Чем больше пикселей содержит ПЗС-матрица, тем больше четкость цифрового фотоизображения. В матрицах современных цифровых фотоаппаратов число пикселей - от 2 млн до 6 млн и более.

Цифровой фотоаппарат снабжен миниатюрным жидкокристаллическим дисплеем, на котором сделанный снимок появляется сразу же после нажатия кнопки. Никакого проявления и закрепления изображения (как в традиционной фотографии) при этом не требуется. Если снимок не понравился, его можно «стереть» и на его место поместить новый. Единственное, что в цифровом фотоаппарате осталось от традиционной фотографии, - это объектив.

В цифровой фотографии полностью исключено использование светочувствительных материалов с солями дефицитного серебра. По сравнению с традиционными, цифровые фотокамеры содержат значительно меньшее количество механических подвижных деталей, что обеспечивает их высокую надежность и долговечность.

Во многих цифровых фотокамерах используются вариообъективы с переменным фокусным расстоянием - трансфокаторы или zoom-объективы), обеспечивающие оптическое (чаще всего трехкратное) увеличение. Это означает, что при фотосъемке можно, не сходя с места, зрительно приблизить или отдалить снимаемый объект, причем это можно делать постепенно. Кроме того, применяется и цифровое увеличение, при котором фрагмент изображения растягивается на весь экран.

Еще одно преимущество цифровых фотокамер - возможность не только делать фотографии, но и снимать короткие видеосюжеты длительностью до нескольких минут. В наиболее совершенных цифровых фотокамерах имеется встроенный микрофон, позволяющий снимать видеосюжеты со звуком.

Введенные в компьютер цифровые фотографии могут быть подвергнуты обработке, например кадрированию (выделению отдельных участков с увеличением), изменению яркости и контрастности, цветового баланса, ретуши и т.д. В компьютере можно создавать альбомы цифровых фотографий, которые можно просматривать либо последовательно, либо в режиме слайд-фильма.

Качество цифровых фотоснимков уже сегодня не уступает качеству обычных. Можно предположить, что в ближайшие годы цифровая фотография полностью вытеснит традиционную.

Видеокамеры позволяют записывать движущееся изображение со звуком. В современных видеокамерах оптическое изображение, так же как в цифровых фотокамерах, преобразуется в электрическое с помощью ПЗС-матрицы. В них также не нужна кинопленка, не требуется проявление и закрепление. Изображение в них записывается на магнитную видеопленку. Однако для записи вдоль магнитной ленты (как это осуществляется при записи звука) потребовалась бы очень высокая скорость ее движения - более 200 км/ч (приблизительно в 10 000 раз большая, чем при записи звука): человек слышит звуки в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц. Качественная запись звука осуществляется в этом диапазоне. Для записи видеоизображения требуются гораздо более высокие частоты - свыше 6 МГц.

Вместо того чтобы увеличивать скорость движения магнитной ленты при записи и воспроизведении изображения, магнитные головки в видеокамере и видеомагнитофоне закреплены на вращающемся с высокой скоростью барабане, а сигналы записываются не вдоль, а поперек ленты. Ось вращения барабана наклонена к ленте, а его магнитная головка при каждом обороте записывает на ленте наклонную строчку. При этом плотность записи значительно увеличивается, а магнитная лента должна двигаться сравнительно медленно - со скоростью всего 2 мм/с. Они записывают цветное изображение и звук (с помощью встроенного микрофона), обладают высочайшей чувствительностью. Измерение яркости изображения, установка диафрагмы и наводка на резкость полностью автоматизированы. Результат видеосъемки можно просмотреть сразу же, ведь никакой проявки пленки (как при киносъемке) не требуется.

Видеокамеры снабжаются высококачественными объективами. В наиболее дорогих видеокамерах используются вариообъективы с переменным фокусным расстоянием, обеспечивающие оптическое 10-кратное увеличение. Это означает, что при видеосъемке можно, не сходя с места, приблизить или отдалить снимаемый объект, причем это можно делать постепенно. Кроме того, применяется и цифровое увеличение до 400 раз и более, при котором фрагмент изображения растягивается на весь экран. Применяется также система стабилизации изображения, которая корректирует дрожание камеры с большой точностью и в широких пределах.

Применение ПЗС-матриц обеспечивает видеокамерам высочайшую чувствительность, дающую возможность снимать почти в полной темноте (при свете костра или свечи).

В видеофильме, как и в звуковом кинофильме, движущееся изображение и звук записываются на один и тот же носитель информации - магнитную видеопленку. Наиболее распространенный бытовой стандарт видеозаписи - домашнее видео (video home system, VHS). Ширина магнитной пленки в этом стандарте - 12,5 мм. Для портативных видеокамер применяется уменьшенная кассета с пленкой той же ширины - VHS Compact.

Фирма Sony разработала и выпускает миниатюрные видеокассеты стандарта Video-S (Ш8). Ширина пленки в них равна 8 мм. Это позволило уменьшить габариты портативных бытовых видеокамер. Наиболее совершенные из них для контроля изображения во время видеосъемки помимо видоискателя снабжены миниатюрным цветным жидкокристаллическим дисплеем. С их помощью можно просмотреть только что отснятый видеофильм прямо на съемочной видеокамере. Другой способ просмотра - на экране телевизора. Для этого выход видеокамеры соединяют со входом телевизора.

Переход на цифровой метод записи позволяет избежать потери качества даже при многократной перезаписи. В 1995 г. консорциум 55 ведущих производителей электроники, в том числе Sony, Philips, Hitachi, Panasonic и JVC, приняли цифровой формат видеозаписи на магнитную пленку DVC (digital video cassette ) или DV (digital video). Уже в конце 1995 г. Sony представила первую DV-видеокамеру. Теперь цифровой видеофильм можно перенести с видеокамеры на винчестер компьютера и обратно непосредственно, без всяких сложных преобразований.

Каждому кадру на магнитной ленте соответствуют 12 наклонных строк-дорожек шириной 10 мкм. На каждой из них, кроме записи аудио- и видеоинформации, часа, минуты, секунды и порядкового номера кадра, есть возможность записать дополнительную информацию о видеосъемке. Все DV-камеры могут работать в режиме фотосъемки и фиксировать отдельные изображения со звуковым сопровождением в течение 6-7 с. Они превращаются в цифровые фотоаппараты с емкостью 500-600 кадров. Создан уже и D V-видеомагнитофон.

Наряду с цифровым форматом DV фирма Sony разработала новую цифровую технологию Digital 8, которая призвана стереть границу между аналоговыми и цифровыми форматами. Она позволяет использовать цифровую запись DV на обычной кассете Ш8, применявшейся для аналоговой записи.

Выпускаются цифровые видеокамеры без видеокассеты. Изображение в них записывается на жесткий съемный диск (винчестер). Записанный в цифровом формате видеофильм можно просмотреть на персональнрм компьютере или преобразовать его в аналоговый сигнал и посмотреть по телевизору. Запись ведется со сжатием информации в формате МРЕв/ЗРЕв, стандартном для компьютеров, поэтому ее можно просматривать и даже редактировать на мониторе персонального компьютера.

В новейших видеокамерах вместо магнитной ленты для записи видеоизображения применены перезаписываемые оптические ЭУО- ИЛУ-диски. Записанный на них диск можно сразу же вставить в БУО-плеер для просмотра. Благодаря малому диаметру диска (8 см) габариты видеокамеры такие же, как и у обычных - с использованием кассет с магнитной пленкой. Время записи на ОУО-диске составляет 30 мин, а в «режиме экономии» - 60 мин с некоторым понижением качества видеоизображения.

Цифровым видеокамерам, фотокамерам, диктофонам без подвижных узлов и деталей принадлежит будущее. Они более надежны, долговечны, легки и миниатюрны, не боятся встрясок при ходьбе, ударов.

Контрольные вопросы

1. Что понимается под аппаратным и программным обеспечениемкомпьютера? 2. Назовите отличительные особенности ПК типа 1ВМ РС. 3. Рассмотрите историю клона 1ВМ РС по типу используемогомикропроцессора. 4. Каковы основные устройства входят в аппаратное обеспечениеПК? 5. Каково назначение системной шины и разъемов расширения ПК? 6. Как связаны быстродействие микропроцессора и быстродействие ПК? 7. Как влияют характеристики МП и памяти на производительность ПК? 8. Объясните назначение адаптеров и контроллеров. 9. Что такое аналого-цифровой (АЦП) и цифроаналоговый (ЦАП)преобразователи? 10. В чем различие между носителями и накопителями информации?}}

• Назовите основные виды носителей и накопителей информациив компьютере. 12. В чем заключается различие между оперативной и долговременной памятью компьютера? 13. Назовите основные типы оптических компакт-дисков. 14. Что такое флэш-память? 15. В чем заключается разница между принтером и плоттером?

Первые электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились немногим более 50 лет назад. За это время микроэлектроника, вычислительная техника и вся индустрия информатики стали одними из основных составляющих мирового научно-технического прогресса. Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека продолжает расширяться. В настоящее время ЭВМ используются не только для выполнения сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании, здравоохранении, экологии и т.д. Это объясняется тем, что ЭВМ способны обрабатывать любые виды информации: числовую, текстовую, табличную, графическую, звуковую, видеоинформацию.

Первая электронная вычислительная машина ЕЫ1ЛС была построена в 1946 г. в рамках одного научно-исследовательского проекта, финансируемого министерством обороны США. Годом ранее Дж. фон Нейман издал статью, в которой были изложены основные принципы построения компьютеров. В основу проекта был положен макет вычислителя, разработанный американцем болгарского происхождения Дж. Атанасовым, занимавшимся крупномасштабными вычислениями. В осуществлении проекта принимали активное участие такие крупные ученые, как К. Шеннон, Н. Виннер, Дж. фон Нейман и др. С этого момента началась эра вычислительной техники. С отставанием в 10-15 лет стала развиваться и отечественная вычислительная техника.

Математические основы автоматических вычислений к этому времени были уже разработаны (Г. Лейбниц, Дж. Буль, Л.Тьюринг и др.), но появление компьютеров стало возможным только благодаря развитию электронной техники. Многократные попытки создания разного рода автоматических вычислительных устройств (от простейших счет до механических и электромеханических вычислителей) не позволяли построить надежные и экономически эффективные машины.

Появление электронных схем сделало возможным построение электронных вычислительных машин.

Электронная вычислительная машина, или компьютер - это комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей (рис. 1).

Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы. Как правило, время подготовки задач во много раз превышает время их решения.

Компьютеры являются универсальными техническими средствами автоматизации вычислительных работ, то есть они способны решать любые задачи, связанные с преобразованием информации. Однако подготовка задач к решению на ЭВМ была и остается до настоящего времени достаточно трудоемким процессом, требующим от пользователей во многих случаях специальных знаний и навыков.

Для снижения трудоемкости подготовки задач к решению, более эффективного использования отдельных технических, программных средств и ЭВМ в целом, а также облегчения их эксплуатации каждая ЭВМ имеет специальный комплекс программных средств. Обычно аппаратные и программные средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

Структура представляет собой совокупность элементов и их связей. В зависимости от контекста различают структуры технических, программных, аппаратно-программных и информационных средств.

Часть программных средств обеспечивает взаимодействие пользователей с ЭВМ и является своеобразным «посредником» между ними. Она получила название операционная система и является ядром программного обеспечения ЭВМ.

Под программным обеспечением будем понимать комплекс программных средств регулярного применения, предназначенный для создания необходимого сервиса для работы пользователей.

Программное обеспечение (ПО) отдельных ЭВМ и вычислительных систем (ВС) может сильно различаться составом используемых программ, который определяется классом используемой вычислительной техники, режимами ее применения, содержанием вычислительных работ пользователей и т.п. Развитие ПО современных ЭВМ и ВС в значительной степени носит эволюционный и эмпирический характер, но можно выделить закономерности в его построении.

Рассмотрим основные вехи и тенденции развития компьютеров, их аппаратных и программных средств (табл. 1).

Таблица 1

В общем случае процесс подготовки и решения задач на ЭВМ предусматривает обязательное выполнение следующей последовательности этапов:

1) формулировка проблемы и математическая постановка задачи;

2) выбор метода и разработка алгоритма решения;

3) программирование (запись алгоритма) с использованием некоторого алгоритмического языка;

4) планирование и организация вычислительного процесса - порядка и последовательности использование ресурсов ЭВМ и ВС;

5) формирование «машинной программы», то есть программы, которую непосредственно будет выполнять ЭВМ;

6) собственно решение задачи - выполнение вычислений по готовой программе.

По мере развития вычислительной техники автоматизация этих этапов идет снизу

На пути развития электронной вычислительной техники можно выделить четыре поколения ЭВМ, отличающихся элементной базой, функционально-логической организацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристиками, степенью доступа к ЭВМ со стороны пользователей. Смене поколений сопутствовало изменение основных технико-эксплуатационных и техникоэкономических показателей ЭВМ и в первую очередь таких, как быстродействие, емкость памяти, надежность и стоимость. При этом одной из основных тенденций развития было и остается стремление уменьшить трудоемкость подготовки программ решаемых задач, облегчить связь операторов с машинами, повысить эффективность использования последних. Это диктовалось и диктуется постоянным ростом сложности и трудоемкости задач, решение которых возлагается на ЭВМ в различных сферах применения.

Возможности улучшения технико-эксплуатационных показателей ЭВМ в значительной степени зависят от элементов, используемых для построения их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение в первую очередь, как правило, характеризуется используемой элементной базой.

Основным активным элементом компьютеров первого поколения являлась электронная лампа, остальные компоненты электронной аппаратуры - это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Для построения оперативной памяти уже с середи

Принципы построения компьютера

ны 50-х годов начали применяться специально разработанные для этой цели элементы - ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве устройства ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфораторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин), а затем специально были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстродействующие печатающие устройства.

Компьютеры этого поколения имели значительные размеры, потребляли большую мощность. Быстродействие этих машин составляло от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду, емкость памяти - несколько тысяч машинных слов, надежность исчислялась несколькими часами работы.

В этих ЭВМ автоматизации подлежал только шестой этап, так как практически отсутствовало какое-либо программное обеспечение. Все пять предыдущих этапов пользователь должен был готовить вручную самостоятельно, вплоть до получения машинных кодов программ. Трудоемкий и рутинный характер этих работ был источником большого количества ошибок в заданиях. Поэтому в ЭВМ следующих поколений появились сначала элементы, а затем целые системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.

На смену ламп пришли транзисторы в машинах второго поколения (начало 60х годов). Компьютеры стали обладать большими быстродействием, емкостью оперативной памяти, надежностью. Все основные характеристики возросли на 1-2 порядка. Существенно были уменьшены размеры, масса и потребляемая мощность. Большим достижением явилось применение печатного монтажа. Повысилась надежность электромеханических устройств ввода-вывода, удельный вес которых увеличился. Машины второго поколения стали обладать большими вычислительными и логическими возможностями.

Особенность машин второго поколения - их дифференциация по применению. Появились компьютеры для решения научно-технических и экономических задач, для управления производственными процессами и различными объектами (управляющие машины).

Наряду с техническим совершенствованием ЭВМ развиваются методы и приемы программирования вычислений, высшей ступенью которых является появление систем автоматизации программирования, значительно облегчающих труд математиков- программистов.

Большое развитие и применение получили алгоритмические языки, существенно упрощающие процесс подготовки задач к решению. С появлением алгоритмических языков резко сократились штаты программистов, поскольку составление программ на этих языках стало под силу самим пользователям.

Широкое применение алгоритмических языков (Автокоды, Алгол, Фортран и др.) и соответствующих им трансляторов, позволяющих автоматически формировать машинные программы по их описанию на алгоритмическом языке, привело к созданию библиотек стандартных программ, что позволило строить машинные программы блоками, используя накопленный и приобретенный программистами опыт. Новые программные средства здесь еще не объединялись в отдельные пакеты под общим управлением. Отметим, что временные границы появления всех этих нововведений достаточно размыты. Обычно их истоки можно обнаружить уже в недрах ЭВМ предыдущих поколений.

Третье поколение ЭВМ (в конце 60-х - начале 70-х годов) характеризуется широким применением интегральных схем. Интегральная схема представляет собой законченный логический и функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме. Благодаря использованию интегральных схем удалось еще более

улучшить технические и эксплуатационные характеристики машин. Вычислительная техника стала иметь широкую номенклатуру устройств, позволяющих строить разнообразные системы обработки данных, ориентированные на различные применения. Они охватывали широкий диапазон по производительности, чему способствовало также повсеместное применение многослойного печатного монтажа.

В компьютерах третьего поколения значительно расширился набор различных электромеханических устройств ввода и вывода информации. Развитие этих устройств носит эволюционный характер: их характеристики улучшаются гораздо медленнее, чем характеристики электронного оборудования.

Отличительной особенностью развития программных средств этого поколения является появление ярко выраженного программного обеспечения и развитие его ядра - операционных систем, отвечающих за организацию и управление вычислительным процессом. Именно здесь понятие «ЭВМ» все чаще стало заменяться понятием «вычислительная система», что в большей степени отражало усложнение как аппаратурной, так и программной частей ЭВМ. Стоимость программного обеспечения стала расти, и в настоящее время намного опережает стоимость аппаратуры (рис. 2).

Операционная система (ОС) планирует последовательность распределения и использования ресурсов вычислительной системы, а также обеспечивает их согласованную работу. Под ресурсами обычно понимают те средства, которые используются для вычислений: машинное время отдельных процессоров или ЭВМ, входящих в систему; объемы оперативной и внешней памяти; отдельные устройства, информационные массивы; библиотеки программ; отдельные программы как общего, так и специального применения и т.п. Интересно, что наиболее употребительные функции ОС в части обработки внештатных ситуаций (защита программ от взаимных помех, системы прерываний и приоритетов, служба времени, сопряжение с каналами связи и т.д.) были полностью или частично реализованы аппаратурно. Одновременно были реализованы более сложные режимы работы: коллективный доступ к ресурсам, мультипрограммные режимы. Часть этих решений стала своеобразным стандартом и начала использоваться повсеместно в ЭВМ различных классов.

В машинах третьего поколения существенно расширены возможности по обеспечению непосредственного доступа к ним со стороны абонентов, находящихся на различных, а том числе и значительных (десятки и сотни километров) расстояниях. Удобство общения абонента с машиной достигается за счет развитой сети абонентских пунктов, связанных с ЭВМ информационными каналами связи, и соответствующего программного обеспечения.

Например, в режиме разделения времени многим абонентам предоставляется возможность одновременного, непосредственного и оперативного доступа к ЭВМ. Вследствие большого различия инерционности человека и машины у каждого из одновременно работающих абонентов складывается впечатление, будто ему одному предоставлено машинное время.

Здесь еще в большей степени проявляется тенденция к унификации ЭВМ, созданию машин, представляющих собой единую систему. Ярким примером этой тенденции служит отечественная программа создания и развития Единой системы электронных вычислительных машин (ЕС ЭВМ).

ЕС ЭВМ представляла собой семейство (ряд) программно-совместимых машин, построенных на единой элементной базе, на единой конструктивно-технологической основе, с единой структурой, единой системой программного обеспечения и единым унифицированным набором внешних устройств.

Промышленный выпуск первых моделей ЕС ЭВМ был начат в 1972 г., при их создании были использованы все современные достижения в области электронной вычислительной техники, технологии и конструирования ЭВМ, в области построения систем программного обеспечения. Объединение знаний и производственных мощностей стран- разработчиков позволило в довольно сжатые сроки решить сложную комплексную научно-техническую проблему. ЕС ЭВМ представляла собой непрерывно развивающуюся систему, в которой улучшались технико-эксплуатационные показатели машин, совершенствовалось периферийное оборудование и расширялась его номенклатура.

Для машин четвертого поколения (80-е годы) характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, усложнению ее функций, повышению надежности и быстродействия, снижению стоимости. Это в свою очередь оказало существенное воздействие на логическую структуру ЭВМ и ее программное обеспечение. Более тесной стала связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы.

В четвертом поколении с появлением в США микропроцессоров (1971 г.) возник новый класс вычислительных машин - микроЭВМ, на смену которым пришли персональные компьютеры (ПК, начало 80-х годов). В этом классе ЭВМ наряду с БИС стали использоваться сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) 32-, а затем 64-разрядности.

Появление ПК - наиболее яркое событие в области вычислительной техники, до последнего времени самый динамично развивающийся сектор отрасли. С их внедрением решение задач информатизации общества было поставлено на реальную основу.

Основная цель использования ПК - формализация профессиональных знаний. Здесь, в первую очередь, автоматизируется рутинная часть работ (сбор, накопление, хранение и обработка данных), которая занимает более 75% рабочего времени специали- стов-прикладников. Применение ПК позволило сделать труд специалистов творческим, интересным, эффективным. В настоящее время ПК используются повсеместно, во всех сферах деятельности людей. Новые сферы применения изменили и характер вычислительных работ. Так, инженерно-технические расчеты составляют не более 9-15%, в большей степени ПК теперь используются для автоматизации управления сбытом, закупками, управления запасами, производством, для выполнения финансово-экономических расчетов, делопроизводства, игровых задач и т.п.

Применение ПК позволило использовать новые информационные технологии и создавать системы распределенной обработки данных. Высшей стадией систем распределенной обработки данных являются компьютерные (вычислительные) сети различных уровней - от локальных до глобальных.

В компьютерах этого поколения продолжается усложнение технических и программных структур (иерархия управления средствами, увеличение их количества). Следует указать на заметное повышение уровня «интеллектуальности» систем, создаваемых на их основе. Программное обеспечение этих машин создает «дружественную» среду общения человека и компьютера. Оно, с одной стороны, управляет процессом обработки информации, а с другой, создает необходимый сервис для пользователя, снижая трудоемкость его рутинной работы и предоставляя ему возможность больше внимания уделять творчеству.

Подобные тенденции будут сохраняться и в ЭВМ следующих поколений. Так, по мнению исследователей , машины следующего столетия будут иметь встроенный в них «искусственный интеллект», что позволит пользователям обращаться к машинам (системам) на естественном языке, вводить и обрабатывать тексты, документы, иллюстрации, создавать системы обработки знаний и т.д. Все это приводит к необходимости усложнения аппаратной части компьютеров, появлению вычислительных систем на их основе, а также к разработке сложного многоэшелонного иерархического программного обеспечения систем обработки данных.