Кластерные системыÄ
Когда были созданы персональные компьютеры, то казалось, что они смогут решать только относительно простые задачи (в сравнении с суперкомпьютерами). Но это далеко не так. Объединение множества (порою миллионов) ПК в единую сеть позволяет получить вычислительную мощность, намного превосходящую мощность даже суперкомпьютеров. И такие успешные эксперименты, например, в области разгадки очень сложных кодов уже успешно проведены.
Компьютеры, объединенные скоростными (как правило, световолоконными) сетями и имеющие единое программное обеспечение, называют кластерами. Ныне кластеры стали главным конкурентом супер-ЭВМ, обеспечивая наиболее высокое отношение производительность/цена. Таким образом, налицо тенденция замены сверхбольших ЭВМ сетями из малых ЭВМ. В них перспективно применение новейших микропроцессоров корпорации Intel.
Ранее суперкомпьютеры почти исключительно строились на RISC процессорах и имели закрытую архитектуру. Так, в рейтинге TOP 500 суперкомпьютеров в 2000 году из 500 суперкомпьютеров только два были построены на процессорах Intel с открытой архитектурой. Но уже в 2002 году их число возросло до 56, а два суперкомпьютера на процессорах Intel попали в первую десятку рейтинга. Intel «скромно» полагает, что уже через три года кластеры на ее процессорах отвоюют 80% рынка этой могучей техники, и уже в 2005 году объем продаж их достигнет 2,3 миллиардов долларов (уже в 2001 году он составлял 508 миллионов долларов).
Кластеры на процессорах Pentium 4 и Itanium 2 уже достигли производительности в 2 терафлопа (2×1012
операций с плавающей запятой в секунду), и ожидается ее увеличение до 10 терафлоп. Любопытно, что такие компьютеры работают на основе операционной системы Linux, как бы случайно и свободно возникшей в программистских кругах.
Клавиатура
 |
Клавиатура (рис. 3.19) является основным и нередко первичным устройством ввода информации в компьютер. Она представляет собой некоторое число клавиш, каждая из которых имеет замыкаемые при нажатии пленочные контакты. С помощью эластичной прокладки имитируется «щелчок» клавиш. Число клавиш обычно составляет 101 или 102, у клавиатуры ноутбуков их меньше.
Рис. 3.19. Стандартная клавиатура компьютера
Рис. 3.20. Эргономичная клавиатура
Компьютер периодически, примерно 50 раз в секунду, опрашивает клавиатуру. При этом при нажатии той или иной клавиши клавиатура передает в центральный процессор уникальный код соответствующей клавиши. Для выработки этого кода и предотвращения «дребезга» клавиш из-за плохих контактов, служит специальный клавиатурный микропроцессор и контролер клавиатуры. Программно клавиатура обслуживается специальным драйвером клавиатуры.
Кодирование текстовой информации
Чтобы эффективно накапливать, передавать и использовать информацию, ее надо представить в виде цифровых кодов, т.е. различающихся чисел, каждое из которых имеет значение некоторого «кванта» информации (т. е. ее неделимого значения). Эта операция называется кодированием информации.
Рассмотрим кодирование текстовой информации. Как известно, любой текст состоит из отдельных знаков - прежде всего букв и цифр. Совокупность таких знаков образует алфавит языка, а правила применения – синтаксис языка. Для работы с большинством языков (за исключением, возможно, китайского и японского) вполне достаточно двух-трех сотен знаков. Из этих знаков строятся слова, предложения, абзацы и главы текстовых документов.
В цифровых информационных системах и компьютерах каждый знак кодируется некоторым кодом - обычно целым числом от 0 до 255. Таким образом, задается 256 знаков (2 в степени 8). Этого вполне достаточно. 2 в степени 7 даст 128 значений - этого мало, а вот 2 в степени 9 - уже 512 значений. Этого уже много! К тому же число 8 кратно двум, вот почему именно единица памяти байт (28 состояний) стала основной.
Кодоскопы
Особыми аппаратами диапроекции являются кодоскопы (графопроекторы). Носители информации, применяемые в кодоскопах, представляют собой прозрачную пленку (в виде рулона или отдельных транспарантов, называемых также кодограммами), на которую нанесено изображение.
Осветительно-проекционная система кодоскопа (рис. 5.28) расположена вертикально, а объект проекции - горизонтально. Световой поток от проекционной лампы отражается рефлектором вертикально вверх, проходит через конденсор (линза Френеля) и предметный столик, на котором расположена кодограмма, попадает в объектив с поворотным зеркалом и формирует на экране увеличенное изображение объекта.
Рис. 5.28. Схема кодопроекции (1- рефлектор, 2- осветительная лампа, 3- теплофильтр, 4- линза Френеля, 5- объектив с зеркалом, 6- экран)
Первые буквы названия кодоскопа представляют собой аббревиатуру – «классная оптическая доска». Это очень хорошо отражает назначение и возможности аппарата, а именно: крупный масштаб изображения на экране, проведение демонстрации без затемнения (лишь бы не было на экране прямого солнечного света), простота использования самим преподавателем, использование разнообразных подготовленных заранее или создаваемых в ходе занятий кодограмм.
Использование кодоскопа позволяет средствами статической проекции показать процесс, а не только состояние, если изготовить последовательность кодограмм, соответствующих стадиям этого процесса, и демонстрировать их, располагая одну за другой.
Изготовить кодограммы можно двумя способами:
1. Текст и рисунки наносятся на прозрачную пленку специальным маркером.
2. Кодограмма подготавливается на компьютере, как правило, в графическом или текстовом редакторе и отпечатывается на принтере на специальной прозрачной пленке.
Второй способ, безусловно, предпочтительнее, так как позволяет получить более качественный дидактический материал с меньшими затратами труда.
Для показа непрозрачных объектов используются эпипроекторы, существуют и комбинированные аппараты, позволяющие показывать как диа-, так и эпиобъекты – эпидиапроекторы. Объектами эпипроекции являются графические материалы (открытки, картинки и т.п.), обычно применяется последовательность тематически подобранных рисунков, наклеенных на бумажную ленту. Однако можно показать и такие плоские объекты, как гербарий, монета и т.д.
Проецирование непрозрачных объектов происходит в отраженном, а не в проходящем, как при диапроекции, свете. Поэтому световой поток, определяющий яркость изображения на экране и зависящий от отражательных свойств эпиобъекта, невелик. И хотя эпипроекторы снабжаются двумя мощными источниками света, при их использовании требуется затемнение помещения, что снижает область их применения.
Конструкция сотового телефона
Конструктивно сотовый телефон выполнен в виде телефона-трубки с клавиатурой. Внутри телефона расположены следующие узлы:
· миниатюрные микрофон и динамик;
· приемопередающая антенна;
· радиопередатчик и радиоприемник;
· центральный процессор - микропроцессор;
· микросхема оперативной памяти;
· АЦП, ЦАП и вспомогательная электроника;
· устройство отображения информации - дисплей;
· малоразмерная клавиатура;
· виброзвонок (не у всех моделей);
· SIM-карта модуль персональной идентификации телефона;
· аккумуляторная батарея для автономного питания.
Сейчас выпускаются сотни типов сотовых телефонов. Среди них можно выделить следующие типы конструкции сотовых телефонов:
· телефон с выступающей антенной;
· телефон с встроенной антенной;
· телефон с крышкой, прикрывающей клавиатуру;
· телефон-раскладушка из двух частей с шарниром;
· специальные телефоны.
Рис. 4.9. Сотовый телефон Philips Fisio 120 с выступающей антенной
Несомненно, что телефоны с встроенной в корпус антенной (рис. 4.10) выглядят более эргономично, чем «классические» аппараты с выступающей антенной.
И большинство современных сотовых телефонов уже утратило эту характерную выступающую деталь.
Рис. 4.10. Сотовые телефоны с антенной, упрятанной в корпус (слева Ericsson T66, справа - Nokia 6310)
В мобильных телефонах стало вполне традиционным расположение основных узлов - динамика в верхней части корпуса, жидкокристаллического индикатора - дисплея, упрощенной клавиатуры и микрофона в нижней части корпуса. Такое расположение диктуется технической целесообразностью и расположением наших органов слуха и речи. Расстояние между ртом и ухом определяет длину трубки. Для уменьшения ее телефоны часто делают из двух половинок, скрепленных шарниром - рис. 4.11. Эти телефоны - самые маленькие и легкие (вес от 60 до 100 г).
Если развернуть обе половинки такого телефона, то он превратится в «трубку» удвоенной длины. Вид такого телефона почти ничем (кроме шарнира) не отличается от обычного «классического» вида. Подобный телефон удобно держать в руке при работе, и его можно сложить по ее окончании.
Конвейер
В современных микропроцессорах предусмотрены структурные методы повышения скорости работы. Один из таких методов – конвейерная обработка информации. Это означает, что процессор имеет устройство – конвейер, в которое поступает сразу ряд команд. Пока в конце конвейера завершается выполнение первой поступившей в конвейер команды, в него поступают новые команды и начинается их обработка. Таким образом, в конвейере идет одновременное (или, как говорят, параллельное) выполнение ряда команд.
Корпус и системная (материнская) плата ПК
Рис. 3.7. Расположение основных узлов системного блока
Рис. 3.8. Материнская плата ПК формата ATX для ПК с процессорами Pentium III или Celeron
В настоящее время корпуса и системные платы выпускаются в основном формата ATX. Вентилятор источника электропитания такого корпуса загоняет воздух внутрь корпуса. Модуль микропроцессора с радиатором располагается прямо у выходного отверстия вентилятора источника питания, что усиливает охлаждение микропроцессора. У плат формата ATX удобно расположены многочисленные разъемы, что уменьшает длину плоских кабелей.
Разумеется, помимо стандартных корпусов есть масса и нестандартных. Некоторые разработчики вернулись к идее «досок», объединив клавиатуру с системным блоком. Другие объединяют системный блок с дисплеем. В архитектуре ПК от этого ничего не меняется - она остается шинной архитектурой.
Ламповые ЭВМ первого поколения
Рис. 1.15. Зал с ЭВМ «ЭНИАК»
Ввод информации в «ЭНИАК» производился с помощью массивных переключателей и коммутационного пульта, наподобие коммутационных пультов на старых АТС. Каждый час выходило из строя в среднем до 60 ламп компьютера, так что половина времени работы машины уходила на ее профилактику и ремонт.
ЭВМ Mark-1 могла уже работать с 23-разрядными десятичными цифрами, затрачивая на их сложение 0,3 секунды, а на умножение - до 4 секунд. В этой машине было 750 000 деталей. Первые массовые серийные ЭВМ UNIVAC появились за рубежом лишь в 1951 году.
В СССР первая малая вычислительная машина МЭСМ была создана под руководством советского академика С. А. Лебедева в 1951 году. А наша большая вычислительная машина БЭСМ (Большая Электронная Счетная Машина), созданная годом позже, была крупнейшей в Европе и самой скоростной (10 000 операций в секунду). В последующем были созданы ЭВМ БЭСМ-2, БЭСМ-3 и БЭСМ-4 (последняя имела скорость счета до 1 миллиона операций в секунду). С 1953 года стали выпускаться первые серийные советские ЭВМ «Стрела», М-2 и «Урал».
Линии проводные и кабельные
Из практики мы знаем, что стоит подключить генератор электроэнергии (например, батарейку) к нагрузке (например, лампочке) парой проводов (линией), как можно наблюдать за передачей электрической энергии по линии (лампочка будет светиться). Однако такой простой опыт скрывает от нас многие детали динамики передачи энергии. Хотя главное ясно - линии передачи служат для направленной передачи чего-то (электроэнергии, сигналов, воды, газа и т.д.) от источника к получателю.
Из курса физики известно, что провода линии имеют индуктивность L и емкость между собой C. При этом эти параметры распределенные и образуют фильтр, ослабляющий высокие частоты. К тому же провода начинают излучать энергию в виде электромагнитного излучения. В результате передача переменного тока высокой частоты или сигналов в виде таких токов становится проблемой.
Одно из решений этой проблемы - применение так называемых коаксиальных кабелей. Они представляют собой тонкий провод, помещенный в экранирующую трубку, заполненную диэлектриком. Кабели характеризуются погонной индуктивностью L1 и емкостью C1 на единицу длины (чаще всего метр). При передаче сигнал задерживается на величину погонной задержки
Если со стороны источника сигнала и нагрузки кабель нагружен на это сопротивление, то имеет место режим согласования, при котором форма сигнала искажается мало. В противном случае в кабеле возникают так называемые отражения, и форма сигнала сильно искажается. Типичное волновое сопротивление кабелей составляет 50, 75 или 100 Ом.
Довольно часто применяют сети, провода которых образуют витую пару. Ее свойства напоминают свойства коаксиального кабеля, но витая пара куда проще по конструкции и дешевле. Компьютерные сети на витой паре могут передавать цифровые сигналы со скоростью до 100 Мбит/c и выше.
Кабельные сети и сети на витой паре широко применяются для связи между компьютерами, объединенными в небольшие сети, называемые локальными сетями. Например, это могут быть сети для объединения 15-30 компьютеров учебного класса в университете или даже сети крупного предприятия, имеющего сотни и тысячи компьютеров. Для этого компьютеры должны иметь так называемые сетевые карты
и специальное программное (как говорят, сетевое) обеспечение.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гейтс Билл. Дорога в будущее: Пер. с англ. М.: Финансы и статистика, 1999.
2. Могилев А.В., Пак Н.И., Хеннер Е.К. Информатика. М.: ACADEMIA, 1999.
3. Малиновский Б. М. История вычислительной техники в лицах. Киев: Наукова думка, 1995.
4. Шафрин Ю. А. Успехи компьютерных технологий. М.: ABF, 1996.
5. Информатика: Учебник/ Под ред. проф. Н. В. Макаровой. М.: Финансы и статистика, 1998.
6. Информатика. Базовый курс/ Под ред. С. В. Симоновича. С.-Пб.: Питер, 2000.
7. Степанов А. Н. Информатика для студентов гуманитарных специальностей.. 3-е издание. М.: С.-Пб.: Питер, 2002.
8. Алексеев А. П. Информатика 2002. М.: Солон-Р, 2001.
9. Нечаев В. И. Элементы криптографии (Основы теории защиты информации)/ Под ред. В. А. Садовничего. М.: Высшая школа, 1999.
10. Дьяконов В. П. Мой Pentium. М.: АСТ, 1998.
11. Дьяконов В. П. Компьютер в быту. Смоленск: Русич, 1996.
12. Дьяконов В. П. Мобильные компьютеры. М.: Солон-Пресс, 2003.
13. Дьяконов В. П. Internet. Настольная книга пользователя. 3-е изд. М.: Солон-Р, 2002.
14. Татенбаум Э. Архитектура компьютера. 4-е изд. С.-Пб.: Питер, 2002.
15. Татенбаум Э. Компьютерные сети. С.-Пб.: Питер, 2002.
16. Дьяконов В. П. Бытовая аудиотехника. Смоленск: Русич, 1997.
17. Дьяконов В. П., Смердов В.
Ю. Бытовая и офисная техника. М.: Солон-Р, 1999.
18. Дьяконов В. П. Популярная энциклопедия мультимедиа. М.: ABF, 1996.
19. Дьяконов В. П. 98 вопросов по Windows 98 с ответами. М.: Солон, 1999.
20. Дьяконов В. П. Справочник по расчетам на микрокалькуляторах.
3-е изд. М.: Наука, Физматлит, 1989.
21. Дьяконов В. П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ. М.: Наука, Физматлит, 1987.
22.Dyakonov V. P. and others. The Revolutionary Guide to QBASIC. Wrox Press Ltd, 1996.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................................................... 3
Глава 1. НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ....... 4
1.1. Информация и данные............................................................... 4
1.1.1. Информация и ее роль в человеческом обществе............... 4
1.1.2. Информация и живая природа............................................ 5
1.1.3. Информационные революции............................................. 6
1.1.4. Виды информации................................................................ 6
1.1.5. Понятие о данных и базах данных...................................... 7
1.1.6. Размножение и накопление информации............................ 8
1.1.7. Знания................................................................................... 8
1.2. Понятия о передаче и обработке информации....................... 8
1.2.1. Передача информации и сообщения................................... 8
1.2.2. Непрерывные (аналоговые) сигналы.................................. 9
1.2.3. Дискретные и цифровые сигналы...................................... 12
1.2.4. Типичный пример цифровой системы записи информации 13
1.2.5. Понятие о теореме КотельниковаÄ.................................... 14
1.3. Информатика и информационное общество......................... 15
1.3.1. Что такое информатика?.................................................... 15
1.3.2. Информатизация и этапы развития общества.................. 16
1.3.3. Информационный взрыв................................................... 17
1.3.4. Интернет-экономика и цифровая вселенная..................... 18
1.4. Формы адекватности и объем информации.......................... 18
1.4.1. Формы адекватности информации.................................... 18
1.4.2. Синтаксическая мера информации – бит и байт............... 19
1.4.3. Числа десятичные и шестнадцатеричные.......................... 19
1.4.4. Мера информации по ШеннонуÄ....................................... 20
1.4.5. Семантическая и прагматическая меры информации...... 21
1.5. Кодирование и декодирование информации.......................... 22
1.5.1. Кодирование текстовой информации................................ 22
1.5.2. ASCII и таблицы кодировки.............................................. 23
1.5.3. Цифровое кодирование графики и видео......................... 23
1.5.4. Специальные виды кодирования и криптография........... 24
1.6. Информационные модели обучения......................................... 25
1.6.1. Информационная модель человека................................... 25
1.6.2. Информационная модель процесса обучения.................. 28
1.6.3. Дидактические возможности информационной среды обучения 30
1.6.4. Состав информационной среды обучения........................ 32
1.7. Элементная база информационных устройств...................... 35
1.7.1. Пассивные и активные компоненты................................... 35
1.7.2. Терагерцовые полевые и биполярные транзисторыÄ...... 37
1.7.3. Трехмерные полевые транзисторыÄ................................. 38
1.7.4. Логические устройства и схемы........................................ 38
1.7.5. Интегральные микросхемы............................................... 39
1.7.6. Нанотехнологии в микроэлектронике............................... 41
1.7.7. Микромеханика на кремниевом кристаллеÄ..................... 42
1.8. Появление и развитие ЭВМ..................................................... 42
1.8.1. Что было до появления ЭВМ............................................ 42
1.8.2. Факторы, приведшие к созданию ЭВМ............................ 45
1.8.3. Поколения ЭВМ (компьютеров)........................................ 47
1.8.4. Ламповые ЭВМ первого поколения.................................. 47
1.8.5. Транзисторые ЭВМ второго поколения........................... 48
1.8.6. ЭВМ третьего поколения на интегральных микросхемах 49
1.8.7. ЭВМ четвертого и пятого поколений на СБИС................ 50
Методические указания.................................................................. 51
10 главных вопросов........................................................................ 51
Глава 2. МИКРОПРОЦЕССОРЫ.................................................. 52
2.1. Как появились и развивались микропроцессоры..................... 52
2.1.1. Создание корпорации Intel................................................ 52
2.1.2. Два класса микропроцессоров (CISC и RISC).................. 52
2.1.3. История микропроцессоров Intel от 4004 до ItaniumÄ... 53
2.1.4. Сравнение новых микропроцессоров класса Pentium...... 68
2.2. Микропроцессоры других фирм.............................................. 68
2.2.1. Процессоры фирмы Advanced Micro Device..................... 69
2.2.2. Процессоры PowerPC........................................................ 69
2.2.3. Микропроцессоры фирм Digital и Cyrix........................... 69
2.2.4. Процессоры с малым потреблением электроэнергии...... 69
2.3. Микропроцесоры для карманных компьютеров.................... 69
2.3.1.
Особенности выбора процессоров для карманных компьютеров 69
2.3.2. Микропроцессор Strong ARM SA-1110Ä.......................... 69
2.3.3. Микропроцессор XscaleÄ................................................... 69
2.4. Работа микропроцессора....................................................... 69
2.4.1. Устройство и назначение микропроцессора..................... 69
2.4.2. Шины и разрядность микропроцессора........................... 69
2.4.3. Арифметико-логическое устройство................................. 69
2.4.4. Регистры микропроцессора............................................... 69
2.4.5. Блок управления памятью................................................. 69
2.4.6. Порты ввода/вывода.......................................................... 69
2.4.7. Блок команд........................................................................ 69
2.4.8. Конвейер............................................................................. 69
2.4.9. Математический сопроцессор............................................ 69
2.4.10. Кэш-память первого уровня............................................ 69
2.5. Эмпирические законы и перспективы развития микроэлектроники 69
2.5.1. Закон Мура......................................................................... 69
2.5.2. Закон Мура с позиций математики................................... 69
2.5.3. Прогнозы на основании закона Мура.............................. 69
3.5.4. Законы Меткалфа и фотона............................................... 69
Методические указания.................................................................. 69
10 главных вопросов........................................................................ 69
Глава 3. АРХИТЕКТУРА И УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ............................................................................................................ 69
3.1. Зарождение индустрии персональных компьютеров............ 83
3.1.1. Мир накануне появления персональных компьютеров... 69
3.1.2. Яблоки выросли в гараже Стивена Джобса...................... 69
3.1.3. Клайв Синклер получает почетный титул сэра................ 69
3.1.4. Домашние компьютеры – «доски».................................... 69
3.1.5. В СССР кибернетика объявлена лженаукой..................... 69
3.1.6. Программирование на калькуляторах и на Бейсике........ 69
3.2.Как появились персональные компьютеры.............................. 69
3.2.1. Рождение IBM PC............................................................... 69
3.2.2. От IBM PC к IBM PC XT................................................... 69
3.3. Архитектура персональных компьютеров............................. 69
3.3.1. Что такое архитектура компьютера.................................. 69
3.3.2. Корпус и системная (материнская) плата ПК................... 69
3.3.3. Шины ПК и разъемы расширения.................................... 69
3.3.4. Виды памяти ПК................................................................ 69
3.3.5. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)................. 69
3.3.6. Оперативное запоминающее устройство - ОЗУ................ 69
3.3.7. Современные модули оперативной памятиÄ................... 69
3.3.8. Адресное пространство памяти ПК................................. 69
3.3.9. Прямой доступ к памяти (DMA)....................................... 69
3.3.10. Архитектура UMA с общей памятью.............................. 69
3.3.11. Понятие о прерываниях................................................... 69
3.4. Накопители на магнитных дисках.......................................... 69
3.4.1. Роль магнитной памяти...................................................... 69
3.4.2. Накопители на жестких дисках.......................................... 69
3.4.3. Параметры накопителей на жестких дисках..................... 69
3.4.4. Накопители на гибких дисках (встроенные и внешние)... 69
3.4.5. Файловые системы............................................................. 69
3.4.6. Интерфейсы дисковых накопителей.................................. 69
3.5. Накопители на оптических (лазерных) дисках....................... 69
3.5.1. Звуковые компакт - диски CD и их проигрыватели......... 69
3.5.2. CD-ROM-драйвы................................................................ 69
3.5.3. Оптические видеодиски Video-CD и MP4......................... 69
3.5.4. Записывающие и перезаписывающие CD-RW драйвы.... 69
3.5.5. DVD-драйвы....................................................................... 69
3.6. Мультимедиа-оснащение ПК................................................... 69
3.6.1. Видеосистема и видеоадаптер ПК..................................... 69
3.6.2. Видеоадаптеры с кадровым буфером............................... 69
3.6.3. Видеоадаптеры с 2-D ускорителем и графическим процессором 69
3.6.4. Видеоадаптеры с аппаратной декомпрессией
изображений....................................................................... 69
3.6.5. Видеоадаптеры с ускорителями 3D-графики................... 69
3.6.6. Поддержка библиотек 3D-графики................................... 69
3.6.7. Аудио-оснащение ПК......................................................... 69
3.7. Типовые внешние устройства ввода/вывода.......................... 69
3.7.1. Клавиатура......................................................................... 69
3.7.2. Графический манипулятор – мышь.................................. 69
3.7.3. Сканеры.............................................................................. 69
3.7.4. Дисплеи ПК на электронно-лучевой трубке..................... 69
3.7.5. Плоские дисплеи ноутбуков и настольных ПК................. 69
3.7.6. Печатающие устройства - принтеры................................. 69
3.8. Мобильные вычисления и мобильные компьютеры................ 69
3.8.1. Калькуляторы и электронные записные книжки.............. 69
3.8.2. Мобильные компьютеры - ноутбуки................................. 69
3.8.3. Карманные компьютеры для людей гуманитарного
профиля............................................................................... 69
3.8.4. Что умеют делать КПК...................................................... 69
3.8.5. Типы современных КПК.................................................... 69
3.8.6. Особенности конструкции и применения
современных КПК.............................................................. 69
Методические указания.................................................................. 69
10 главных вопросов........................................................................ 69
Глава 4. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ 69
4.1. Коммуникационные проводные сети....................................... 69
4.1.1. Понятие о сетях.................................................................. 69
4.1.2. Параллельная и последовательная передача информации 69
4.1.3. Порты ввода/вывода PRN, COM и USB компьютеров.... 69
4.1.4. Линии проводные и кабельные......................................... 69
4.2. Световолоконные линии и сетиÄ............................................ 69
4.2.1. Световолокно и структура световолоконной линии........ 69
4.2.2. Полупроводниковые излучатели света............................. 69
4.2.3. Полупроводниковые приемники света.............................. 69
4.2.4. Гигагерцевая оптоэлектроника.......................................... 69
4.3. Принципы организации сетей................................................. 69
4.3.1. Организация компьютерных сетей.................................... 69
4.3.2. Кластерные системыÄ........................................................ 69
4.4. Беспроводные линии связи и сети............................................ 69
4.4.1. Связь с применением инфракрасного порта..................... 69
4.4.2. Беспроводная связь с помощью модулей Bluetooth......... 69
4.4.3. Перспективы развития беспроводных сетейÄ.................. 69
4.5. Мобильная радиотелефония................................................... 69
4.5.1. Организация и перспективы сотовой связи...................... 69
4.5.2. Конструкция сотового телефона....................................... 69
4.5.3. Работа с сотовым телефоном............................................. 69
4.5.4. Мобильные телефоны с расширенными возможностями. 69
4.6. Глобальная сеть Интернета................................................... 69
4.6.1. Зарождение Интернета....................................................... 69
4.6.2. Технические основы Интернета......................................... 69
4.6.3. Что нужно для работы в Интернете.................................. 69
Методические указания.................................................................. 69
10 главных вопросов........................................................................ 69
ГЛАВА 5. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ.............. 69
5.1. Технические средства обучения (ТСО).................................... 69
5.1.1. Место и значение ТСО в учебном процессе...................... 69
5.1.2. Классификация ТСО по применению................................ 69
5.2. Аудиотехнические средства обучения..................................... 69
5.2.1. Звук и его параметры......................................................... 69
5.2.2. Усиление звуковых сигналов............................................. 69
5.2.3. Стереофоническое воспроизведение звука....................... 69
5.2.4. Микрофоны динамические................................................ 69
5.2.5. Микрофоны электретные................................................... 69
5.2.6. Громкоговорители и акустические системы..................... 69
5.2.7. Головные телефоны - наушники........................................ 69
5.2.8. Усилители звуковых частот............................................... 69
5.3. Магнитная запись звуковых сигналов...................................... 69
5.3.1. Принципы аналоговой магнитной записи звуков............. 69
5.3.2. Аналоговые магнитофоны с подмагничиванием ленты... 69
5.3.3. Современные магнитофоны............................................... 69
5.3.4. Минидисковые цифровые магнитофоны........................... 69
5.3.5. Проигрыватели звуковых оптических компакт-дисков... 69
5.3.6. Цифровые диктофоны с твердотельной памятью............. 69
5.3.7. Проигрыватели MP3-файлов с твердотельной памятью.. 69
5.4. Экранные средства обучения................................................... 69
5.4.1. Диапроекторы.................................................................... 69
5.4.2. Кодоскопы.......................................................................... 69
5.5. Экранно-звуковые средства обучения...................................... 69
5.5.1 Телевидение и телевизоры.................................................. 69
5.5.2. Аналоговые видеомагнитофоны........................................ 69
5.5.3. Применение видеомагнитофонов.................................... 695
5.5.4. Видеопроекторы.............................................................. 697
5.6. Технические средства подготовки дидактического
материала.............................................................................. 201
5.6.1. Видеокамеры.................................................................... 201
5.6.2. Цифровые фотоаппараты................................................ 205
5.6.3. Цифровые видеокамеры-фотокамеры............................. 207
5.7. DVD-плееры и домашние видеотеатры............................... 209
5.7.1. Проигрыватели видео-CD............................................... 209
5.7.2. Диски DVD....................................................................... 211
5.7.3. Проигрыватели дисков DVD........................................... 213
5.7.4. Домашние видеотеатры................................................... 213
5.8. Семейство роботов-собак AIBO........................................... 218
Методические указания................................................................ 219
10 главных вопросов...................................................................... 220
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................ 220
Редактор Л.В.Бушуева
Подписано к печати 12.04.2003. Формат 60х84 1/16.
Бумага офсетная.. Печать ризографическая. Усл. п. л. 14,25.
Уч.-изд. л. 14,25.Тираж 100 экз. Заказ №142.
Отпечатано в типографии СГПУ. Лицензия ЛР№ 020077 от 16.03.98
214000 Смоленск, ул.Пржевальского, 4.
 |
Логические устройства и схемы
Задолго до появления электронных приборов была разработана алгебра Буля, описывающая работу логических устройств. Буль показал, что любые логические и вычислительные операции можно выполнить, имея всего три типа логических устройств – инвертор NO (НЕ), устройство логического сложения AND (И) и устройство логического умножения OR (ИЛИ). Более того, это возможно при использовании всего двух комбинированных устройств - AND-NO и OR-NO.
Все эти устройства в настоящее время выпускаются в составе БИС и СБИС, так что конкретные электрические схемы их пользователю неизвестны (да и не нужны). Надо учиться воспринимать их как «черные ящики», которые описываются функциональными зависимостями выходных сигналов от входных.
Инвертор просто инвертирует логический сигнал на его единственном входе. Если на входе действует логический 0, то на выходе будет логическая единица, а если на входе будет логическая 1, то на выходе появится логический 0. Соединив два инвертора в кольцо, можно получить двухстабильное устройство – триггер. Попробуйте сделать это мысленно и убедитесь, что оба состояния и впрямь стабильны.
Двухвходовая схема логического сложения работает следующим образом: если сумма входных сигналов отлична от нуля, то на выходе будет сигнал логической единицы, иначе – логического нуля. А двухвходовая схема логического умножения функционирует так – если произведение сигналов на входа отлично от нуля, то на выходе будет логическая 1, иначе – логический 0. Если на выходе этих схем стоит инвертор, то выходные сигналы будут инвертированы.
Удобно описывать работу логических устройств так называемой таблицей истинности:
NO AND AND-NO OR OR-NO
i o i1 i2 o o i1 i2 o o
0 1 0 0 0 1 0 0 0 1
1 0 1 0 1 0 1 0 0 1
0 1 1 0 0 1 0 1
1 1 1 0 1 1 1 0
Она устанавливает связь между логическими значениями сигналов на входах (i – input) логических устройств и сигналом на их выходе (o – output).
Эти схемы составляют основу арифметико-логического устройства (АЛУ) процессоров и микропроцессоров. Будучи выполненными на описанных выше сверхскоростных транзисторах, такие схемы обладают уникально высоким быстродействием.
Математический сопроцессор
Математический сопроцессор – это «машина», мало уступающая самому процессору по сложности схемы и числу компонентов. Он призван устранить главный недостаток микропроцессора – резкое снижение скорости вычислений для данных, представленных числами с плавающей точкой. Такие данные повсеместно встречаются при графических построениях или при работе с мультимедиа.
Начиная с процессоров 486 математический сопроцессор включается в состав собственно микропроцессора и берет на себя все функции быстрых вычислений, как только обнаруживается, что данные представлены в форме чисел с плавающей точкой. Кроме того, математический сопроцессор реализует довольно сложные алгоритмы точного (около 20 верных знаков) вычисления различных математических функций, например, квадратного корня, логарифма, синуса, косинуса и т.д. Множество таких команд используется при реализации трехмерной графики.
Мера информации по ШеннонуÄ
Обычно нам приходится работать в условиях неполных знаний об интересующей нас информационной системе. Поступающая к нам информация носит чаще всего статистический характер. Мы можем, скажем, лишь отчасти знать, какой процент населения поддерживает нашего президента или какую часть новорожденных составляют мальчики. Абсолютно точно этого узнать нельзя из-за ошибок в подсчете и постоянного изменения данных (информационного шума).
Допустим, что до получения информационного сообщения пользователь информационной системой имел предварительные (априорные) сведения о системе – a. Его неосведомленность о системе определяется энтропией H(a). С получением сообщения b неопределенность сведений о системе становится равной Hb(a). Тогда количество информации в сообщении будет равно
Ib(a) = H(a) - Hb(a).
Следовательно, количество информации определяется уменьшением неопределенности состояния системы. Если конечная неопределенность Hb(a) становится равной 0, то неполное знание о системе H(a) будет заменено полным знанием, что означает Ib(a) = H(a).
Пусть некоторая информационная система имеет N возможных состояний. Один из крупных специалистов в информатике Шеннон показал, что энтропия системы, как мера недостающей информации о ней, определяется выражением:
где Pi – вероятность нахождения системы в i-ом состоянии. Если все состояния системы равновероятны, то имеем:
Заметим, что N = mn, где m – основание системы исчисления, n – число разрядов (символов) в сообщении. Коэффициентом или степенью информативности сообщения называют отношение количества информации I
к объему данных в сообщении, т. е. величина
Эта величина лежит в интервале 0<Y<1 и является мерой лаконичности сообщения. Чем она выше, тем меньше объем работ по преобразованию информации.
Место и значение ТСО в учебном процессе
Социальный заказ общества системе образования заключается в повышении качества образования. Это предполагает совершенствование содержания образования, методов и средств обучения.
Содержание образования, отвечая на вопрос «чему учить?», представляет собой систему знаний, умений и навыков, которые должны усвоить учащиеся. Оно регламентируется учебными планами и раскрывается в учебниках и учебных пособиях.
Методы обучения, отвечая на вопрос «как учить?», представляют собой способы решения учебно-воспитательных задач.
Средства обучения, отвечая на вопрос «с помощью чего учить?», формируют информационную среду обучения (ИСО), в которой происходит реализация методов обучения. Мы уже рассмотрели ее в Главе 1.
Методы и средства обучения тесно взаимосвязаны. Наряду с объяснительно-иллюстративными, большое внимание уделяется методам, позволяющим раскрыть творческие возможности учащихся, стимулировать и активизировать их самостоятельную работу. Средства обучения, среди которых основное место занимают технические средства обучения (ТСО), должны создать необходимые условия для реализации этих методов.
Но ТСО нельзя рассматривать только как инструмент, используемый при практической реализации методов обучения. Развиваясь на основе достижений научно-технического прогресса в области информатизации общества, ТСО обогащают методы обучения и стимулируют появление новых методов, что позволяет ставить вопрос о новой информационной технологии обучения.
Поэтому под ТСО следует понимать элементы информационной среды обучения (ИСО), позволяющие на качественно новом уровне, с использованием новых информационных технологий (НИТ), реализовать учебно-воспитательный процесс, повысить его эффективность и качество.
Знание возможностей ТСО и умение методически эффективно применять их в своей работе совершенно необходимы и являются одним из показателей профессиональной подготовки будущего учителя, поэтому учебным планом предусмотрено изучение студентами всех специальностей педагогических вузов курса «Технические и аудиовизуальные средства обучения».
Методические указания
Обратите особое внимание на формулировку основных положений, относящихся к информации, сообщениям и сигналам. Приведите дополнительные примеры полезного применения новых информационных технологий. Ответьте на 10 главных вопросов. Подготовьте дополнительные вопросы по материалам этой главы, используя для этого подробное оглавление. Постарайтесь кратко ответить на все эти вопросы.
Обратите особое внимание на принципиальные возможности микропроцессоров и эволюцию их развития. Проследите, как менялось общение процессоров с памятью и какие средства вводились для повышения их быстродействия и снижения потребления электроэнергии. Ответьте на 10 главных вопросов. Составьте дополнительные вопросы и кратко ответьте на них.
Обратите внимание на поучительную историю создания ПК и эволюцию его архитектуры. Проследите за улучшением характеристик основных узлов ПК – процессоров, шин, средств доступа к памяти, устройств внешней памяти, устройств ввода/вывода и др. Изучите эволюцию конструкции ПК – от настольных ПК до ноутбуков и КПК. Ответьте на 10 главных вопросов. Подготовьте дополнительные вопросы и ответьте на них.
Разберитесь в особенностях и возможностях проводных, кабельных и световолоконных линий связи. Уясните особенности сетей различного назначения. Оцените возможности сетей сотовой радиотелефонии и Интернета. Ответьте на 10 основных вопросов и подготовьте дополнительные вопросы.
Обратите внимание на рост возможностей средств ТСО, обусловленный переходом от аналоговых средств обработки и представления звуков и изображений к современным цифровым методам. Изучите состав современных средств ТСО и сравните их с теми, которые есть в вашем университете (вузе). Ответьте на 10 главных вопросов. Подготовьте дополнительные вопросы и ответьте на них.
Микрофоны динамические
Микрофон
–устройство, преобразующее звуковые колебания в электрические. Наибольшее применение получил электродинамический микрофон, устройство которого схематично показано на рис.5.2. Внешний вид электродинамического микрофона показан на рис. 5.4. Звуковая волна вызывает колебания легкой пластмассовой диафрагмы, на которой закреплена звуковая катушка, находящаяся в магнитном поле постоянного магнита. При колебаниях катушки в ней наводится ЭДС переменного тока (звукового сигнала, которая подается на вход усилителя.
Рис. 5.4. Электродинамический монофонический микрофон Sony Fv 1202 (слева показан разъем микрофона и переходник)
Основными параметрами микрофонов являются номинальный диапазон частот, чувствительность и характеристика направленности. Номинальный диапазон частот – диапазон частот, в котором микрофон обеспечивает параметры, указанные в его паспорте. Диапазон частот обычно находится в пределах от 50-100 Гц до 10-25 КГц. Чувствительность характеризует величину ЭДС, создаваемой микрофоном, в зависимости от величины звукового давления.
Микрофоны электретные
Наряду с электродинамическими микрофонами выпускаются дешевые электретные микрофоны. Эти микрофоны имеют пьезоэлектрическую пластину, с одной стороны наглухо закрепленную, а с другой – прикрепленную к диафрагме. Колебания пластины ведут к появлению на ее обкладках ЭДС - звукового сигнала. Существуют также конденсаторные микрофоны. Они обеспечивают высокое качество преобразования звука, но дороги и применяются в студиях звукозаписи.
На рис. 5.5 показан современный электретный микрофон Sony ECM-Z60.
Это остронаправленный микрофон с частотным диапазоном
100-10000 Гц .
Выходное сопротивление микрофона
2.8 кОм ±30%
, выходное напряжение
-36 ±3,5 дБ (0 дБ = 1В/Па) на частоте 1000 Гц. Этот микрофон активный, он имеет встроенный усилитель.
Питание осуществляется от батареи
CR2025, которой хватает на 300 часов работы.
Размер устройства
16´106´22 мм.
Длина шнура
1 м,
в
ес
21 г (со шнуром).
Для записи стереофонических звуков применяется два отдельных микрофона. Однако созданы и специальные стереофонические микрофоны, в которых два микрофона (для левого и правого каналов) размещены в одном корпусе. Такой стереомикрофон, разработанный фирмой Sony, представлен на рис. 5.6.
Рис. 5.6. Стереофонический микрофон Sony ECMMS 9071 для записи на цифровые носители
Существует также масса конструкций встроенных в различные устройства (сотовые телефоны, магнитофоны, диктофоны и т.д.) миниатюрных микрофонов. Как правило, это простые микрофоны, рассчитанные на запись звуковых сигналов речи. Наивысшее качество записи дают дорогие студийные микрофоны.
Микромеханика на кремниевом кристаллеÄ
Из экзотических достижений современной микроэлектроники стоит отметить электромеханику на кристалле кремния (MEMS). Речь идет о создании механических защелок, поворотных зеркал, разнообразных механических резонаторов и прочих электромеханических устройств, реализованных на кристалле кремния методами современной микроэлектронной технологии.
Это сверхминиатюрные механические конструкции на кремнии обладают настолько ничтожным весом, что могут перемещаться, поворачиваться и колебаться с невероятно большими частотами, достигающими многих гигагерц. Тем самым открываются возможности создания принципиально новых устройств функциональной электроники, заменяющих громоздкие катушки индуктивности, кварцевые резонаторы, фильтры и прочие устройства аналоговой техники.
MEMS открывают возможности интеграции СБИС с разнообразным периферийным оборудованием, они могут выполнять функции лазерных проекторов изображений на большой экран, печатающих устройств и т.д. Могут создаваться электромеханические фильтры на основе MEMS, столь необходимые для устройств связи. MEMS могут выполнять функции микрохолодильников, различных датчиков, гироскопов, СВЧ- и оптических коммутаторов и др. устройств.
Микропроцессор Strong ARM SA-Ä
Ввиду особой роли микропроцессора Strong ARM SA-1110 стоит рассмотреть его возможности более подробно. Этот процессор служит для создания различных мультимедиа устройств.
Strong ARM SA-1110 - 32-разрядный RISC процессор с тактовой частотой 206 МГц. Процессор поддерживает 100-мегагерцовую шину данных и память SDRAM и SMROM. Встроенная в процессор кэш-память уровня L2 имеет размер 8 Кбайт для данных и 16 Кбайт для инструкций. Имеется также мини-кэш Minicashe уровня L1 с емкостью 512 байт с повышенной скоростью работы. С помощью контроллера памяти Memory&PCMCIA Controller поддерживается работа со многими видами памяти. Реализуются до 28 прерываний (модуль Interrupt Controller) и прямой доступ к памяти (модуль DMA).
Для КПК важна поддержка технологий энергосбережения, осуществляемая модулем Power Manager. Процессор содержит также модули осциллятора, системного таймера, буфера данных и др. Модули периферийного контроля поддерживают жидкокристаллический дисплей, инфракрасный порт IrDA, последовательные порты RS-232 и USB, интерфейс кодеков.
Процессор заключен в 256-контактный миниатюрный BGA корпус. Вычислительная мощность процессора вполне достаточна для быстрого декодирование файлов MP3 музыки и файлов MPEG-4 сжатого видео.
Микропроцессор XscaleÄ
Рис. 2.6. Микропроцессор Xscale PXA250 корпорации Intel
В этих процессорах ради экономии электрической энергии частота работы сделана плавающей. Она автоматически понижается, если КПК используется не на всю свою мощь, и повышается до номинального значения, если процессор ведет интенсивные вычисления.
С такими процессорами уже выпускаются КПК класса Pocket PC 2002. Первые модели таких КПК уже появились на прилавках магазинов. Любопытно, что реальная скорость их лишь на 10-15% выше скорости работы КПК на процессоре Strong ARM SA-1110. Причина этого кроется в отставании программного обеспечения для новых процессоров, которое включало бы в работу возможности новейших микропроцессоров в полной мере.
Микропроцессоры других фирм
Кроме Intel микропроцессоры для ПК выпускают и другие фирмы. Полезно оценить и их возможности.
Микропроцессоры фирм Digital и Cyrix
Разумеется, микропроцессоры выпускаются и рядом других фирм. Из мощных и высокопроизводительных микропроцессоров надо отметить микропроцессоры Alpha фирмы Digital класса RISC. Но эти приборы не предназначены для массовых ПК и широкого распространения в России не получили. В то же время компьютеры на этих процессорах широко используются в киноиндустрии для создания спецэффектов.
Совсем иную нишу – дешевых ПК – заняли процессоры фирмы Cyrix – M1, M-II, M-II+, M3 и др. Однако у нас эти процессоры мало известны и применяются очень редко. Их нишу заняли процессоры Celeron корпорации Intel.
Мир накануне появления персональных компьютеров
К концу 70-х годов многие известные западные фирмы (Digital Equipment, Hewlett Packard, Texas Instument и др.) стали производить настольные ЭВМ, внешне напоминающие современные персональные компьютеры (ПК). Но они делались для собственных нужд, были безумно дороги и мало известны. Пальма первенства в создании персональных компьютеров (ПК) досталась другим.
Небольшая компания Scelbi Computer сумела первой создать и продать около 200 наборов для любительской сборки компьютера на 8-разрядном микропроцессоре Intel 8008 с ценой около 500 $.
Еще более доступным (цена 360 $) оказался следующий процессор фирмы Intel - 8080. Фирма MITS применила его для выпуска радиолюбительского набора Altair 8800. Хотя в набор входил уже с десяток микросхем, его стоимость не превышала 400 $, поскольку глава фирмы Эдвард Робертс сумел получить приличные скидки на приобретение процессоров для своей новой продукции, неплохо и популярно рекламирующей их возможности.
Пожалуй, в Altair был впервые предусмотрен современный модульный принцип построения ПК. Для этого в набор была включена плата с процессором, имеющая четыре разъема - слота для расширения компьютера. Емкость ОЗУ этого компьютера составляла всего 256 байт с возможностью увеличения до 16 Кбайт с помощью платы памяти. Компьютер имел стандартный последовательный интерфейс RS-232. А для программирования компьютера использовались машинные коды и интерпретатор языка высокого уровня - Бейсика. Его написал глава будущей империи программных средств (фирмы Microsoft) сам Билл Гейтс.
Пользователей Altair в то время не смущал ввод команд прямо в машинных кодах с помощью множества переключателей и загрузка Бейсика с телетайпа в течение целых 40 минут. Еще несколько минут требовалось для безупречно точного ввода кодов Бейсика. В случае малейшей ошибки ввод приходилось повторять с самого начала.
Мобильные компьютеры - ноутбуки
Рис. 3.27. Ноутбук фирмы Gericom на микропроцессоре Pentium 4
Ноутбуки типа «все в одном» среднего класса стоят порядка 1000 $. В ноутбуках третьй категории, второй категории применяют самые миниатюрные компоненты, а они более дороги, чем обычные компоненты. Такие ноутбуки - прекрасная находка для менеджера, находящегося в постоянных разъездах, или для журналиста.
Многие фирмы выпускают ноутбуки этого класса. Как пример, стоит отметить миниатюрные ноутбуки компании Fujitsu серий 1000 и 2000 – рис. 3.28. Ширина этих малюток ограничена шириной лотка встроенного (это здорово!) CD-ROM-драйва. А почти вся площадь верхней панели отведена на изящную клавиатуру. Это достигнуто благодаря применению миниатюрного тоучпада.
Рис. 3.28. Ноутбуки серий 1000 и 2000 компании Fujitsu
Но особенно приятно отметить, что эти малютки имеют мощнейшее вооружение. Чего только стоит сенсорный экран (дигитайзер) и ручка для работы с ним. Вообще такой экран в ноутбуках применяется довольно редко. Он обязательная принадлежность иного класса ПК – карманных компьютеров.
Рис. 3.29. Ноутбук Transmeta Crusoe фирмы Sony – карлик среди карликов
Габариты этого чуда техники 249´152´27 мм, а вес - 1 кг. Литий-ионная батарея обеспечивает время работы от 1.5 до 5 часов. Гибкий диск поставляется опционально с USB интерфейсом. Цена малютки не маленькая - от 1534 до 2835 $, но не запредельная!
На базе этих ноутбуков Sony создала новый вид ноутбуков – Picture Book. Они предназначены для просмотра электронных книг, получаемых по локальной сети или из Интернета и хранящихся на жестком диске. Их размеры - 249´152´25 мм и вес - 1 кг.
Множество миниатюрных машин данного класса выпускает корпорация Toshiba. Некоторые из них имеют вес около 1 кг и меньше. Фирма Casio также выпускает ноутбуки с весом менее 1 кг.
Есть еще один класс ноутбуков – специальные. Это промышленные ноутбуки и модели для тяжелых климатических условий – например, для работы на морозе и под дождем. К сожалению, это очень дорогие устройства – их цена нередко выше 5000 $.
Мобильные телефоны с расширенными возможностями
Мобильные телефоны интенсивно развиваются, и в них включаются все новые и новые средства. Так, новое поколение мобильных телефонов имеет ряд новых средств:
· средства голосового вызова и управления телефоном;
· инфракрасный порт для беспроводной связи двух расположенных рядом устройств;
· Bluetooth - модуль беспроводной связи различных устройств друг с другом, на расстоянии 10 м, путем образования микросети;
· беспроводный модем, дающий прямой выход в Интернет;
· средства для получения и отсылки коротких текстовых сообщений SMS;
· средства, использующие службу WAP (Wireless Application Protocol) для низкоскоростного доступа в Интернет;
· средства новой службы пакетной радиопередачи данных GPRS (General Packet Radio Service) с умеренной скоростью доступа в Интернет;
· средства электронной почты Email;
· средства, превращающие телефон в цифровой диктофон;
· проигрыватель музыкальных MP3-файлов.
Наряду с работой самого телефона в Интернете его беспроводный модем может использоваться компьютером, связанным с телефоном через инфракрасный порт или кабель. К сожалению, типовая скорость обмена информацией при использовании службы WAP составляет 9,6 Кбит/c, тогда как обычный проводной Интернет может работать со скоростью до 33-56 Кбит/c.
Помимо службы WAP выход в Интернет дает еще одна, сравнительно новая служба - GPRS (General Packet Radio Service). Она обеспечивает максимальную скорость передачи данных до 144 Кбит/c (на практике до 40-45 Кбит/c). В телефонах поколения G3 она достигнет 2 Мбайт/c, что достаточно для осуществления видеотелефонии.
И первые мобильные видеотелефоны уже появились.
Существуют мобильные телефоны с приемником системы глобального позиционирования на местности (Global Positions System или GPS). Это достаточно редкие и дорогие аппараты. Обычно они относятся к профессиональным и продаются редко.
Следует отметить, что специальные возможности сотовых телефонов требуют специальной настройки, которая обычно не под силу обычным пользователям и производится в сервисных центрах. Кроме того, как правило, такие возможности требуют подписки на них и дополнительной оплаты.
Рис. 4.13. Современный коммуникатор компании Samsung с встроенной видеокамерой
Это дорогие и пока редко покупаемые устройства. Но им, несомненно, принадлежит будущее, поскольку как КПК, так и мобильные телефоны содержат много общих компонентов (микропроцессор, память, клавиатура, дисплей и т.д.). Их интеграция стала велением времени.
Мобильные вычисления и мобильные компьютеры
С появлением БИС исполнилась мечта многих людей – стали возможными мобильные вычисления, а точнее говоря - полноценная работа на миниатюрных компьютерах с автономным электропитанием. Их можно применять повсюду – дома и в офисе, при переездах на железнодорожном и автомобильном транспорте, при перелетах на самолетах, во время отдыха на даче или даже на пляже. Рассмотрим основные средства мобильных вычислений.
Накопители на гибких дисках (встроенные и внешние)
Для обмена файлами между компьютерами и при поставке простых программных продуктов до сих пор широко используются дешевые гибкие магнитные диски. Структура записи информации на них та же, что и на жестких дисках.
Рис. 3.13. Внешний вид гибкого диска с диаметром 3.5 дюйма
Диск в защитном конверте вставляется в щель накопителя (рис. 3.14) и фиксируется в нем (это обычно сопровождается характерным щелчком). После использования гибкий диск можно вынуть, нажав кнопку на передней панели накопителя. Диск частично выйдет из щели, и его можно будет вынуть рукой.
Следует помнить, что диск перед использованием должен быть отформатирован. Сейчас диски часто продаются уже отформатированными и годными к работе.
Накопители на жестких дисках
Жесткий диск – это кружок из немагнитного материала, на одну или обе поверхности которого нанесен тонкий магнитный слой. Материал диска должен мало деформироваться при изменении температуры и не разрушаться при большой скорости вращения дисков - до 10000 оборотов в минуту.
На диске имеется система неделимых сегментов информации – кластеров, входящих в магнитную дорожку – окружность. Совокупность таких дорожек с одним диаметром окружности на нескольких дисках образует цилиндр. Блок головок записи/считывания может достаточно быстро устанавливаться на нужный цилиндр, а переключением головок можно быстро выбрать нужную дорожку.
Рис. 3.11. Вид электромеханики накопителя на жестком диске
Благодаря уплотнению воздуха под головкой она не касается диска, а как бы плывет над ним. Чем меньше прослойка воздуха, тем выше плотность записи на магнитных дисках.
Рис. 3.12. Внешний вид нескольких накопителей на жестких дисках
Нанотехнологии в микроэлектронике
Интегральная электроника устремлена в будущее. Недаром эмблемой фирмы Intel были и люди в космических скафандрах (на самом деле они нужны были для защиты микросхем от банальной пыли и перхоти) и забавные марсиане, символизирующие «космические» достижения Intel в развитии микроэлектроники. Заметим, что только в 2002 году затраты Intel на проведение научных исследований составили более 4 миллиардов долларов.
Чтобы микропроцессоры с сотнями миллионов транзисторов не превратились попутно в микроволновые печи (а такая перспектива при работе процессоров на частотах в единицы ГГц, увы, есть), Intel ведет исследования в области нанотехнологий (1 нм = 10-9 м). Уже пал барьер геометрического разрешения в 0,1 мкм. Опытные образцы создаются уже по технологии 90 мкм. А с помощью установок фотолитографии с жесткими ультрафиолетовыми лучами (EUV) удалось получить разрешение менее 50 мкм.
Толщина диэлектрика полевых транзисторов ныне составляет менее 1,2 нм, что достигается созданием самоформирующихся слоев диэлектрика с толщиной в 3-5 атомных слоев! Уже нынешний уровень развития нанотехнологии позволяет создавать пластины и трубки толщиной в атомный слой, так что возможности этого направления почти безграничны.
Непрерывные (аналоговые) сигналы
Для быстрой передачи сообщений используются сигналы, которые представляют собой наложение сообщений на тот или иной носитель информации, способный быстро перемещать сигналы. Физическая природа сигналов может быть самой различной – ток в проводах, звуковые и электромагнитные волны или свет.
Сигналы могут быть аналоговыми (непрерывными) и дискретными, т. е. представляемыми дискретными уровнями. Аналоговые сигналы характеризуется плавным и непрерывным изменением их параметров, например величины электрического тока или напряжения для электрических сигналов. Примером такого сигнала является синусоидальный электрический сигнал (рис. 1.2)
u(t) = Uм ×sin(w×t+j),
где Uм – амплитуда синусоидального сигнала, w - круговая частота и
j
- фаза.
Рис. 1.2. Синусоидальный (a), амплитудно-модулированный (б) и частотно-модулированный (с) сигналы
Круговая частота связана с обычной частотой выражением
w = 2×p×f = 2×p/T.
Частота f - это число периодов T синусоидального сигнала в единицу времени (секунду или с). Она измеряется в герцах (Гц). Один Герц это один период колебаний в секунду (единица названа в честь Герца, теоретически обосновавшего существование электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве).
Фундаментальное значение синусоидального сигнала состоит в том, что этот сигнал является стационарным. Это значит, что его параметры Uм , w и j являются постоянными величинами. Этот сигнал определен во времени в пределах от –¥ до +¥. Он периодический u(t)= u(t+T) и симметричный u(t)=- u(-t).
Можно сказать, что синусоида описывает простейшее (а потому названное гармоническим) движение, параметры которого неизменны. Однако основные параметры этого сигнала могут непрерывно и плавно меняться во времени. Такое изменение называется модуляцией
сигнала. Например, амплитудная модуляция (рис. 1.3,б) описывается выражением:
u(t) = Uм(t)×sin(w×t +j),
где Uм(t) – зависимость амплитуды от времени. Сигнал такого вида называется амплитудно-модулированным. Строго говоря, он является уже нестационарным и даже не синусоидальным.
Если Uм(t) несет некоторую информацию, то говорят о наложении этой информации на синусоидальный сигнал. И если такой сигнал имеет высокую частоту f=1/T, то сигнал может распространяться в свободном пространстве как электромагнитная волна со скоростью света (300 000 км/c). На этом и основана радиосвязь. Расстояние, которое проходит волна за один период, называется длиной волны. Отсюда пошло деление волн на короткие и ультракороткие, средние и длинные волны.
Заметим, что синусоидальный сигнал может моделироваться еще и по частоте, и по фазе. Этому соответствует частотная модуляция
(рис. 1.2,в) и фазовая модуляция, которые (как и их комбинации) широко используются на практике в радиотехнических системах.
Аналоговые сигналы одного вида легко преобразуются в аналоговые сигналы другого вида. Например, микрофон преобразует звуковые колебания в электрические звуковые сигналы. Если звуковой сигнал синусоидальный, то сигнал на выходе микрофона будет синусоидальным напряжением с примесью некоторого шума e(t):
u(t) = Кп× A(t) × sin(w×t +j) + e(t) = Uм(t) × sin(w×t +j) + e(t),
где Kп – коэффициент преобразования силы звука в электрическое напряжение. Если Kп = const и не зависит от уровня сигнала, то преобразование считается линейным. В ином случае оно будет нелинейным. При линейных преобразованиях форма синусоидального сигнала не меняется, хотя может возникнуть его сдвиг по фазе.
Самым неприятным моментом в использовании аналоговой информации является ее засоренность шумами самой различной природы. Все электронные компоненты имеют шумы, и они неизбежно усиливаются в ходе усиления и преобразования сигналов. Это принципиально препятствует точному копированию аналоговой информации.Об этом хорошо знают владельцы аналоговых магнитофонов и видеомагнитофонов – при копировании записей их качество ухудшается от записи к записи.
На практике используется великое множество и несинусоидальных сигналов, например импульсные сигналы пилообразной, прямоугольной и иной формы. Математик Фурье строго доказал, что такие периодические сигналы могут быть представлены суммой синусоидальных сигналов с кратной их частоте повторения частотой k× f1, где k = 1,2,… - целое число и f1 – частота повторения сигнала. Эти сигналы называют гармониками, а значение k – номерами гармоник. Синусоидальный сигнал с частотой f1
есть первая гармоника, а сигналы с более высокими частотами называют высшими гармониками. Линейные преобразования сигналов не меняют состав гармоник, называемый спектром, а нелинейные приводят к его изменению, т. е. появлению новых гармоник.
Оперативное запоминающее устройство - ОЗУ
Для реальной работы с ПК, помимо прикладных программ, нужны еще программы, задающие выполнение компьютером хотя бы минимально необходимых рабочих операций общего характера. У современных ПК набор таких программ образует так называемую операционную систему – ОС (или OS). Если она хранится на магнитных дисках, то ее называют дисковой операционной системой
– ДОС (или DOS).
После загрузки операционной системы прикладные программы и данные нужно хранить в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) ПК. Программы, загружаемые в ОЗУ извне, принято называть Software (мягкое программное обеспечение).
ОЗУ выполнено на микросхемах. Информацию в произвольные их ячейки памяти можно многократно записывать и затем считывать. При отключении напряжения питания от микросхем ОЗУ эта информация теряется. На английском языке память произвольного доступа называется Random Access Memory (RAM). Данные в такой памяти в любой момент времени можно стереть и заменить новыми данными.
Микросхемы ОЗУ (RAM) бывают двух типов - статические и динамические. Статическое ОЗУ – SRAM – это просто набор триггеров с двумя устойчивыми состояниями. Объем памяти у такого устройства равен 2M, где M - число двоичных ячеек памяти. Статическое ОЗУ хранит информацию сколь угодно долго - пока включено напряжение питания. Но при его выключении ОЗУ теряет информацию.
Есть еще одно совсем простое устройство, которое тоже имеет два состояния, - это конденсатор. Если он разряжен - имеем логический 0, заряжен - логическую 1. Конденсатор с довольно простой схемой определения его заряда образует элементарную ячейку динамического ОЗУ - DRAM.
Конденсаторные ячейки памяти хранят информацию временно, и ее время от времени (т.е. в динамике) надо регенерировать. На это уходит 5-10 % времени работы ПК. Тем не менее такие ячейки получаются простыми, поэтому ОЗУ большой емкости в ПК обычно динамического типа.
У старых ПК класса IBM PC XT и AT объем памяти ОЗУ не превышал 1 Мбайта и микросхемы памяти устанавливались прямо на материнской плате, занимая порой до трети ее поверхности.
Затем стали применяться небольшие платки, называемые модулями SIMM (Single In-Line Memory Module – модуль памяти с односторонним расположением выводов).
Рис. 3.9. Модуль памяти DIMM современного ПК
Микросхемы ОЗУ имеют страничную организацию ячеек. Это значит, что место ячейки (ее адрес) раскладывается на два компонента - адрес строки (row) и адрес столбца (column). Последние задаются двумя сигналами выборки - RAS (Row Address Strobe) и CAS (Column Address Strobe). Обычно вначале подается сигнал RAS, а затем с задержкой - сигнал CAS.
Для воспроизведения видеофильмов и компьютерных игр в последнее время были созданы усовершенствованные видеосредства – прежде всего видеоадаптеры и оптические диски. В них использованы средства стандарта MPEG, предложенного авторитетной группой экспертов в области движущихся изображений (Motion Picture Expert Group или сокращенно MPEG).
Изучение смежных телевизионных кадров реальных изображений показало, что на них меняются только небольшие фрагменты изображений, а в остальном эти кадры похожи друг на друга как две капли воды. Отсюда и появилась идея использовать для передачи кадров редкие опорные кадры, сжатые по методу JPEG (популярный стандарт сжатия отдельных рисунков), а в большую часть времени передавать только изменения в кадрах.
Было предложено два варианта метода. Первый MPEG-1 при воспроизведении дает качество изображения, характерное для аналоговых видеомагнитофонов стандарта VHS и обычных портативных видеокамер. При этом возможна программная декомпрессия изображений. Другой стандарт MPEG-2 ориентирован на получение студийного качества изображения с аппаратной декомпрессией.
Попутно была решена проблема эффективного сжатия звуковых сигналов – были созданы диски формата MP3, вмещающие полтора-два десятка альбомов музыкальных произведений. Первое время покупатели аудиодисков и CD-ROM даже не поняли, что в продаже появился новый тип оптических дисков - Video-CD. Просто на прилавках магазинов рядом с CD-ROM стали появляться диски с названиями популярных фильмов и видеоклипов популярных поп-звезд. Время воспроизведения у таких дисков невелико – до 74 минут.
Особое значение в последние годы приобрели компакт-диски нового поколения – формата MP4. Он позволяет довести время воспроизведения видеофильмов с высококачественным звуковым сопровождением до примерно 3 часов. При этом обеспечивается качество воспроизведения, вплотную приближающееся к качеству дисков DVD, но при намного меньшей стоимости дисков (у нас 2-3 $).
Организация и перспективы сотовой связи
Сотовый радиотелефон в наши дни стал одним из самых массовых устройств радиоэлектроники. Первое поколение 1G сотовой телефонии было представлено аналоговыми сотовыми сетями и телефонами. Ныне число пользователей аналоговыми сетями постепенно падает, а цифровыми - быстро растет.
Второе поколение 2G – это цифровые сети и телефоны с низкоскоростным доступом в Интернет. Третье поколение 3G – это телефоны и видеотелефоны со скоростным доступом в Интернет. Пока оно внедряется лишь в Японии. Европа и США ныне внедряют промежуточное поколение 2,5G систем сотовой связи.
В июне 2001 года группа ARC Group опубликовала следующие данные о числе мобильных телефонов в мире (в миллионах штук):
Год 1999 2004 (прогноз)
Голосовые телефоны 444 1400
Телефоны с Интернетом 5 560
Одновременно ожидается, что число карманных компьютеров и интеллектуальных телефонов увеличится с 40 миллионов в 2001 году до 526 миллионов в 2005 году. Таким образом, общее число миниатюрных устройств с беспроводным подключением к Интернету достигнет к концу 2005 года более 1 миллиарда единиц. Это означает качественно новый этап в развитии как всех услуг мобильной телефонии, так и Интернета. Мир Интернета становится доступным людям в любое время и в любом месте.
Современный сотовый телефон обеспечивает беспроводную радиосвязь между абонентами, как заданной сети сотовой связи, так и абонентами обычной телефонной сети. При этом правила разговора по сотовому телефону и принципы его применения пользователями мало отличаются от общепринятых в обычной телефонии, что делает его освоение достаточно простым. Однако организация радиосвязи гораздо сложнее организации телефонной связи. Сотовая связь обеспечивает обширный набор услуг, заметно превышающий набор услуг как обычного телефона, так и телефона с цифровым набором, работающего с цифровой автоматической телефонной станцией (АТС).
Все сотовые телефоны общаются с базовой станцией, антенны которой обслуживают перекрывающиеся ячейки - соты. Общение сотовых телефонов напрямую друг с другом не предусмотрено. Передатчик сотового телефона посылает вызов на базовую станцию ближайшей ячейки (соты), которая соединяет телефон с другим аппаратом и посылает вызов на его систему приема вызова. Она подает сигнал вызова - обычно в виде мелодии или того или иного сигнала. Между телефонами осуществляется двухсторонняя (дуплексная) связь, позволяющая вести разговоры обычным способом.
Рис. 4.7. Иллюстрация принципа повторного использования частот в сотах сетей сотовой связи
Существует несколько стандартов сотовой связи. Они относятся к аналоговым и цифровым сетям. Ныне аналоговые сети все еще кое-где применяются, но наблюдается их массовая замена цифровыми сетями. Из них наиболее массовыми являются сети стандарт GSM (Global System for Mobile Communication), который считается глобальным и в России принят в качестве федерального стандарта. Ниже речь идет о сотовых телефонах именно этого стандарта.
Наиболее известными поставщиками услуг сотовой связи в России являются компании «МТС» и «Би Лайн». Они имеют огромную сеть магазинов, торгующих сотовыми телефонами, аксессуарами для них и карточками для оплаты услуг сотовой связи.
Рисунок 4.8 иллюстрирует структуру организации сотовой связи. В центре каждой соты находится базовая приемопередающая станция. Она и общается с ближайшими пользователями. Управляет работами таких станций Центр коммуникации. Он и осуществляет автоматическое переключение пользователей при перемещении от одной соты к другой и выбор той соты, для которой условия связи наиболее благоприятные.
Рис. 4.8. Организация сотовой телефонной сети
Организация компьютерных сетей
Из истории создания компьютеров известно, что первые компьютеры были большими ЭВМ. Для предоставления доступа к таким ЭВМ многих пользователей стали широко использоваться локальные сети. Они нередко содержали крупную обслуживающую ЭВМ – сервер, к которой подключались упрощенные компьютеры – терминалы, или рабочие станции РС. В настоящее время они в основном заменены персональными компьютерами. Подобная звездообразная структура сети показана на рис. 4.4 сверху.
Рис. 4.5. Кольцевая структура сосредоточенной сети
Широкое распространение получили одноранговые сети, у которых все компьютеры равноценны по своим возможностям. Впрочем, роль сервера в такой сети может выполнять любой компьютер. Одноранговые сети поддерживаются операционными системами Windows 95/98/NT/2000/XP.
Для подключения ПК к сети используются сетевые карты. Из них самые распространенные карты типа Ethernet. К 2002 году в мире было выпущено более 250 миллионов таких карт со скоростью передачи данных 10 и 100 Мбит/с. На них построено множество локальных сетей во всем мире. Ныне Intel внедряет технологию городских сетей 10 Gigabit Ethernet с очень большой скоростью в 10 Гбит/c. Специально для сетевых применений созданы сетевые процессоры с архитектурой Intel Internet Exchange Architecture (Intel IXA).
Сети, структуры которых показаны на рис. 4.4 и 4.5, могут комбинироваться в различных вариантах. Сложные структуры сетей иногда называют распределенными. В них нередко имеется множество серверов и рабочих станций.
Особенности конструкции и применения современных КПК
Современные КПК имеют карманные габариты и вес, как правило, менее 200 г. Они питаются от литий-ионных или литий-полимерных аккумуляторных батарей и могут автономно работать от них от нескольких часов до 12-15 часов и выше (от батарей повышенной емкости). Все КПК имеют встроенный плоский ЖКИ экран – обычно цветной. Применяют экраны как с задней, так и с передней подсветкой, дающие хорошее изображение как в темноте, так и на ярком солнечном цвете.
Функцию жесткого диска в КПК выполняет встроенная электрически перепрограммируемая флэш-память. Исполняемые программы загружаются в ОЗУ с емкостью от 2 до 64 Мбайт. У многих КПК есть слоты для внешней флэш-памяти (рис. 3.32), объем которой может достигать 1 Гбайта. Есть разные варианты карточек такой флэш-памяти. В их формате выпускаются также модемы, сетевые карты, микроминиатюрные диски (IBM Microdrive), цифровые фотоаппараты и даже видеокамеры.
Рис. 3.32. Карта дополнительной флэш-памяти для КПК формата Compact Flash I
Рис. 3.33. Виртуальная клавиатура КПК класса Pocket PC 2002
Весьма оригинален рукописный ввод и распознавание символов и слов. Для него были созданы специальные системы ввода Grafitti, Recognizer, PenReader и др. Для быстрого ввода используется начальная точка и росчерк стило от нее. Два комплекта росчерков для системы PenReader представлены на рис. 3.34. Эта система допускает ввод на многих языках, включая русский язык.
Рис. 3.34. Росчерки стило при рукописном вводе по системе PenReader
Современные КПК обладают полноценными мультимедийными возможностями – от присущих цифровому магнитофону возможностей записи речи до воспроизведения музыкальных MP3 файлов и просмотра видеофильмов в слегка модифицированном формате MP4. С помощью модема или через мобильный телефон КПК могут работать в Интернете и использовать возможности электронной почты.
Многие КПК ныне оснащены самыми современными средствами беспроводной связи, например Bluetooth. Наблюдается явная тенденция к интеграции КПК с мобильными средствами связи. Уже появились устройства – коммуникаторы, объединяющие в себе сотовый телефон и карманный компьютер. Таким образом, налицо полноценные возможности применения этих новых средств во всех сферах жизни современного человека.
Особенности выбора процессоров для карманных компьютеров
До появления платформы карманных компьютеров Pocket PC в выборе микропроцессоров для КПК царил полный произвол. Нередко основным критерием является вовсе на производительность процессора, а его малое потребление электроэнергии. По этому параметру RISC процессоры обычно более предпочтительны.
В КПК класса Palm использовались довольно медленные, но экономичные процессоры, такие, как DragonBall с системой команд микропроцессоров Motorola 68000, на которых были построены хорошо зарекомендовавшие себя ПК «Маки» (Apple Macintosh). Наибольшее применение поначалу имел процессор MC68EZ328 (DragonBall EZ). Это 32- разрядный процессор с тактовой частотой 16,58 или 20 МГц, но c 16- разрядной шиной данных.
Сейчас фирма Motorola производит новый процессор семейства DragonBall – MC68VZ328 (DragonBall VZ), созданный на основе Motorola DragonBall EZ (MC68EZ328). Этот процессор имеет повышенную тактовую частоту – 33 МГц и расширенную поддержку внешних устройств.
С появлением КПК на основе операционной системы Windows CE в КПК стали использоваться более мощные процессоры SH3 корпорации Hitachi с частотой 133 МГц и VR122 корпорации NEC с частотой 150 МГц. Но с приходом платформы Pocket PC 2002 выбор процессоров сузился до одного процессора - Intel Strong ARM SA-1110 c частотой 206 МГц.
Для КПК с новой операционной системы Windows CE.net может применяться широкий круг микропроцессоров:
Класс процессора Поддерживаемые типы процессоров
ARM ARM720T, AEM920T, ARM 1020T, Strong
ARM, Xscale
MIPS MIPS II/32, MIPS 16, MIPS IV/64
SHx SH-3, SH-3 DSP, SH-4
X86 486, 586, Geode, Pentium, Pentium II/III/4
От IBM PC к IBM PC XT
Вскоре IBM PC был модернизирован. Вместо кассетного магнитофона в новую модель IBM PC XT (Personal Computer eXTended version) был добавлен второй накопитель на гибком диске. IBM оснастила ПК неслыханным по тем временам для владельцев домашних компьютеров и удобным средством из арсенала больших ЭВМ - накопителем на жестком диске с емкостью от 10 до 30 Мбайт. ПК приобрел вполне современный вид (рис. 3.4).
В сущности, в составе ПК XT не было ничего нового. Использовалась фон Неймановская архитектура. Применялся массовый микропроцессор фирмы Intel 8088 (1979 год разработки), накопители на гибких дисках фирмы Tandon, готовые мониторы и стандартные микросхемы.
Полностью открытая архитектура ПК IBM PC XT позволяла пользователю не только узнать о нем буквально все, но и наращивать компьютер добавлением в него все новых и новых блоков и узлов. Впервые пользователь получил полный доступ к своему ПК, стал его творцом, мог модернизировать и улучшать ПК в соответствии с быстрым развитием техники и своими запросами.
К разработке узлов для IBM PC XT тут же приступили десятки, сотни, а затем и многие тысячи фирм. В результате прогресс в техническом усовершенствовании ПК класса IBM PC приобрел взрывной характер и на многие годы вперед сделал компьютеры этого клона самыми массовыми и популярными.
Для создания минимально необходимого программного обеспечения, оживляющего ПК (его именуют операционной системой), фирма IBM заключила союз с фирмой Microsoft. Та на базе одной из операционных систем для мини-ЭВМ создала в короткий срок операционную систему MS-DOS 1.0 (первая версия), которой и оснащались ПК фирмы IBM.
Вслед за IBM PC XT появилась новая модель - IBM PC AT (Advanced Technology - с усовершенствованной технологией). Объем оперативной памяти вырос до 640 Кбайт - 1 Мбайта, емкость жесткого диска увеличилась до 40 Мбайт. Благодаря применению более нового микропроцессора 286 (разработка фирмы Intel 1982 года) в несколько раз возросла скорость выполнения операций.
ПК IBM PC AT быстро стал промышленным стандартом. Его технические решения оказались настолько удачными, что и сейчас многие фирмы выпускают машины, подчеркивая их принадлежность к клону «АйТишек». Добавлений к базовой конфигурации (кэш-память и локальная шина) оказалось на удивление мало. В мире зародилась крупномасштабная индустрия ПК.
Впрочем, не все у IBM было гладко. Неудачей оказалась разработка ПК PS/2 с закрытой архитектурой первых портативных компьютеров. Дал трещину альянс с Microsoft по созданию операционной системы OS2 – Microsoft предпочла развивать свою Windows. Не удался один из первых портативных мобильных компьютеров.
Рис. 3.5. Мультимедийный компьютер корпорации IBM
В наши дни компьютеры IBM, как и других ведущих фирм, относятся к классу ПК «белой» сборки и именуются как brandname – продукция фирм с известным именем. Это красивые, надежные и высокопроизводительные ПК. И уже не очень дорогие.
Параллельная и последовательная передача информации
В компьютерных и вообще коммуникационных сетях обычно передается цифровая информация - данные. Они представляют собой числа или коды, передаваемые в определенные моменты времени электрическими сигналами - импульсами. При параллельном методе передачи информации каждое число преобразуется в многоразрядный двоичный код, который передается одновременно по нескольким проводам (один из проводов может быть общим или «нулевым»). Каждый провод (кроме нулевого) передает сигналы одного двоичного разряда. Например, если передаютcя три двоичных числа 1001, 1110 и 0011, то сигналы на проводах в моменты передачи этих сигналов t1, t3 и t3 будут следующие:
Время: t1 t2 t3
Линия 1 1 1 0
Линия 2 0 1 0
Линия 3 0 1 1
Линия 4 1 0 1
При последовательном методе передачи информации после каждого момента начала передачи отдельного разряда данных выделяются небольшие отрезки времени, в которых сигнал задается равным 0 или 1:
Время t1 t2 t3
Линия s1001 s1100 s0011
Различают синхронную и асинхронную последовательную передачу данных. При синхронной передаче данных моменты времени на передающем и приемном конце линии передачи строго фиксируются и распределены, как правило, равномерно. В сетях используются специальные устройства - синхронизаторы для обеспечения синхронной работы сетевых устройств.
При асинхронной передаче данных эти моменты могут (но не обязательно) быть распределены произвольно. Перед каждой кодовой посылкой посылается специальный синхронизирующий импульс – в нашем примере он условно обозначен s. Для выделения он обычно имеет какой-то признак, например отличную от сигнальных импульсов длительность.
Параллельная передача обеспечивает высокую скорость передачи данных, которая задается в битах в секунду (или байтах/c). Однако шина передачи при этом сложна, так как содержит большое число проводов – оно соответствует разрядности двоичных чисел (4 в нашем примере).
При последовательном способе передачи достаточно иметь только один сигнальный провод (надо помнить и об общем проводе). На практике высокая скорость передачи достигается в последовательном способе даже проще, чем в параллельном, за счет применения высокоскоростных одиночных линий на основе коаксиальных кабелей или световолокна (в световолокне луч света распространяется за счет многократных отражений от стенок).
Параметры накопителей на жестких дисках
Жесткие диски имеют ряд параметров. Прежде всего это форм-фактор - диаметр дисков в дюймах (5,25, 3,5, 2,5, 1,8 и т.д. дюйма). Далее важны число цилиндров (кругов магнитных дорожек) и число головок - общее число головок для всех дисков (на одном диске возможна работа с двумя головками - для двух сторон диска). Количество секторов характеризует число отдельных порций байт, которые размещаются на диске при одном его обороте. Главным параметром является полная емкость диска. В 1995 г. большинство дисков для ПК имели емкость порядка 300-400 Мбайт, сейчас типовая емкость жестких дисков достигла 10 - 20 Гбайт.
Время доступа составляет 8-15 мс. В современных накопителях с собственной кэш-памятью время доступа уменьшено до 0.3 - 0.5 мс, а скорость передачи информации достигает 25-50 Мбайт/с и выше. Накопители могут работать в различных режимах - модах. Так, мода 0 – низкоскоростная. Мода 3 поддерживает программируемый ввод/вывод (PIO) c максимальной скоростью передачи данных до 16 Мбайт/с, а мода 4 даже до 22 Мбайт/с в режиме захвата шины. «Многословные» (multiword) моды 1 и 2 с прямым доступом к памяти (DMA) также используются с высокоскоростными накопителями и обеспечивают максимальные скорости передачи информации соответственно 13.3 и 16.6 Мбайт/с.
Пассивные и активные компоненты
К пассивным компонентам относятся резисторы R, конденсаторы C, катушки индуктивности L, трансформаторы, кварцевые резонаторы и др. Они описаны в электротехнической и радиотехнической литературе. Пассивные компоненты не способны усиливать сигналы, но они могут преобразовывать их. Например, RC- и RL-цепи могут дифференцировать и интегрировать сигналы, отделять их постоянную составляющую от переменной и т.д.
Для построения большинства электронных схем (в том числе логических для ЭВМ, триггеров и т.д.) нужны активные электронные компоненты, способные усиливать электрические сигналы, генерировать и переключать их. К активным компонентам ныне относятся транзисторы и иные многочисленные приборы, а также интегральные схемы.
Многие помнят из школьного курса физики, что первые транзисторы были биполярными. Они представляли собой в разрезе как бы трехслойный пирог в виде структуры p-n-p или n-p-n (p и n это области соответственно с дырочной и электронной проводимостями). Средний слой именовался базой, а крайние были, соответственно, эмиттером и коллектором. Ток базы позволял управлять более сильным током в цепи эмиттер-коллектор.
Биполярные транзисторы и сейчас широко используются в усилительных и импульсных устройствах, в источниках электропитания и в других устройствах. Однако в микросхемах для компьютеров ныне они практически полностью вытеснены полевыми транзисторами.
Рис. 1.9. Структура полевого транзистора интегральной схемы (источник Intel)
Нормально носителей в канале нет, и он почти не проводит ток.
Точнее, через него течет малый ток утечки. Но если на затвор подать положительное напряжение, то в силу явления электростатической индукции в канале появятся электроны – частицы с отрицательной полярностью заряда. Двигаясь от истока к стоку, они создают ток в цепи сток-исток.
Нетрудно понять, что чем больше напряжение на затворе, тем больше будет ток в цепи сток-исток. Однако существует некоторое пороговое напряжение на затворе, ниже которого канал теряет проводимость, то есть прибор закрывается. Входной ток полевого транзистора ничтожно мал, поскольку затвор отделен от остальной структуры транзистора слоем подзатворного диэлектрика.
Таким образом, полевой транзистор, кстати, как и биполярный, может выполнять как функции регулятора тока и усилительного элемента, так и просто ключа – устройства, пропускающего или не пропускающего ток в зависимости от напряжения на входе (затворе). Входное сопротивление полевого транзистора очень велико, но он имеет междуэлектродные емкости, ограничивающие скорость его переключения.
Канал, кстати, может быть индуцированным (т.е. нормально не проводящим ток, как в приведенном выше случае) или встроенным (нормально проводящим ток). К тому же он может быть как n- так p-типа (сейчас в основном применяются n-канальные полевые транзисторы). Такое разнообразие приборов позволяет использовать их для создания схем с различной полярностью питающего напряжения, активных элементов усилителей или просто резисторов, но с очень малыми размерами.
Печатающие устройства - принтеры
Принтеры – самые распространенные из периферийных устройств вывода информации после дисплея. Они предназначены для получения так называемых «твердых копий» документов и программ– распечаток их на бумаге. Традиционно принтеры подключаются к компьютеру через параллельный PRN порт или (намного реже) через последовательный COM порт.
Принтеры выпускаются разного типа:
· матричные игольчатые, печатающие текст ударами иголок по красящей ленте;
· термографические, печатающие с помощью местного нагрева бумаги или красящей ленты;
· струйные, разбрызгивающие чернила при печати;
· лазерные – использующие лазерную печать, подобную применяемой в светокопировальных аппаратах.
Струйные принтеры дешевы и позволяют печать в цвете, есть даже принтеры с фотореалистическим качеством печати – рис. 3.25. Благодаря печати в цвете струйный принтер - лучшее приобретение для мультимедиа-ПК. Недостатками таких принтеров является дороговизна их чернильниц – картриджей и необходимость применения высококачественной бумаги для печати.
Цветного картриджа хватает обычно всего на 200-300 страниц, черно-белого на 500-600 (редко на 1000). Стоимость картриджа почти на порядок выше, чем у ударных матричных принтеров. Некоторые принтеры имеют сразу два картриджа (монохромный и цветной), в других монохромный картридж можно заменить на цветной.
Лазерные принтеры создают лазерным лучом изображение на светочувствительном барабане в виде распределения электрического поля. Затем барабан покрывается мелкозернистым порошком - тонером обычно черного цвета (бывает и иного). Его частицы, притягиваясь с разной густотой к барабану, создают «съемную» копию части изображения. Она и остается на бумаге, проходящей по барабану. После этого барабан очищается.
Кратковременный (импульсный) нагрев закрепляет частицы тонера на бумаге, прочно впекая их в нее. Изображение на бумаге не только не выцветает на свету, но и не расплывается при намокании. Качество печати лазерного принтера выше всяких похвал! Да и скорость печати (от 4-12 страниц в минуту даже у сравнительно дешевых принтеров) вполне приличная.
У светодиодных принтеров изображение формируется линейкой из многих сотен светодиодов, что упрощает конструкцию принтера. Однако получить у них высокое разрешение при печати трудно, так что такие принтеры постепенно теряют свои позиции на рынке.
Самое высокое качество цветной печати дают сублимационные принтеры. Но они очень дороги и используются только в профессиональной практике – например, для печати цветных картинок на обложках дорогих журналов.
Передача информации и сообщения
Важным свойством информации является возможность ее передачи. Для этого используются сообщения
– материально реализованные представления информации, нередко определенным образом закодированной. Пример сообщения - обычное письмо на бумаге.
Почта – один из древнейших способов передачи сообщений в виде сообщений на бумаге. В некоторых странах, например в США, в ограниченных масштабах получила распространение голубиная и пневматическая почта. Последняя - это труба, в которой под давлением воздуха с той или иной стороны движется цилиндр с обычными бумажными сообщениями и даже небольшими предметами, например бумажными деньгами, монетами или ключами.
Люди научились также очень быстро (порою просто мгновенно) передавать информацию с помощью электрического тока в проводах (проводные линии связи), радиоволн (беспроводные линии радиосвязи) и света (оптические лазерные и световолоконные линии связи). При этом передается информация без такого привычного нам носителя, как бумага. Наступил век безбумажной
обработки информации, хотя, в конечном счете, информационные сообщения всегда можно распечатать печатающим устройством – принтером. Передача сообщений на дальние расстояния привела к возникновению телекоммуникаций. А на смену обычной почте пришла электронная почта, входящая во всемирную компьютерную сеть Интернета. По электронной почте ныне можно передавать не только объемные текстовые материалы, но и звуки, изображения, рисунки и даже видеофильмы.
К сожалению, между объемом информации и реальной ее ценностью
нет прямой взаимосвязи. В итоге телеграмма на одном листке бумаги, содержащая одно-два слова (например, «Люблю!», «Жду!» или «Сегодня приезжаю!»), порою может быть гораздо ценнее пространного опуса о влиянии гравитационных полей на время сна домашних животных.
Также нет и прямой взаимосвязи между информацией самой по себе и носителем, ее несущим, в ходе передачи информации. Одну и ту же информацию можно передать публикацией статьи в газете или журнале, в радиопередаче и в телепередаче, по телеграфу или по телефону, по трансатлантическому кабелю или по световолокну или спутниковому каналу связи.
Перспективы развития беспроводных сетейÄ
В настоящее время на смену проводным сетям пришли дешевые и доступные беспроводные сети. Некоторые из них, например Bluetooth и IEE 802.11, уже вовсю применяются в новых моделях поступивших на рынок карманных компьютеров и ноутбуков. Появились новые услуги 2G и 2.5G в системе сотовой телефонии GSM. А устройства нового стандарта UWB (Ultra Wide Band) обеспечивают беспроводную связь со скоростями более 100 Мбит/c.
Решены все технические вопросы предоставления услуг Интернета (в том числе электронной почты) через сотовые телефоны, карманные компьютеры и коммуникаторы. Беспроводная связь между ними (в дополнение к медленной связи по инфракрасному каналу) стала нормой. В 2003 году из почти 1 миллиарда пользователей сотовыми телефонами почти половина будет иметь беспроводный доступ в Интернет.
Появились и принципиально новые распределенные системы – специализированные сенсорные сети. Эти сети могут состоять из множества сенсорных (чувствительных к чему-либо) устройств, объединенных в распределенную сеть беспроводными каналами связи. Например, такая сеть может быть вмонтирована в постель ребенка и пробуждать мать, если ребенок описался или у него поднялась температура. А что вы скажете о сетях, наброшенных на лесные массивы, – это ли не способ обнаружить очаги возникновения лесных пожаров или найти заблудившихся в лесу ребятишек. Биологи и орнитологи могут следить с помощью таких сетей за всякой живностью без присутствия в ее среде человека, нарушающего их нормальную жизнь.
Со временем структура сетей стала усложняться. Некоторые сети по структуре начинают напоминать сети из паутины, сотканные пауками. К числу таких сетей принадлежат сети сотовой беспроводной связи и глобальная сеть Интернета. Мы рассмотрим их более подробно в последующих разделах этой главы.
Плоские дисплеи ноутбуков и настольных ПК
Электронно-лучевая трубка - громоздкое устройство. Поэтому в последнее время получили распространение плоские дисплеи. Они основаны на жидкокристаллических индикаторах ЖКИ (или LCD - Liquil Crystal Display), использующих эффект поляризации света жидкими кристаллами. Грубо говоря, слои жидких кристаллов пропускают или не пропускают свет в зависимости от приложенного к ним электрического поля.
У пассивных дисплеев, работающих на просвет, сзади экрана расположен источник света, создающий равномерное освещение. Для этого часто достаточно иметь две люминесцентные лампы и рассеивающую призму. Изображение с помощью цветного фильтра разбивается на триады RGB. Схема управления матрицей ячеек дисплея довольно сложна.
Намного более совершенны дисплеи на основе активной транзисторной матрицы - TFT (Thin Film Transistor). У таких активных дисплеев для управления каждой ячейкой служат тонкопленочные транзисторы. Матрица этих транзисторов создается вместе с матрицами LCD трех цветов изображения. Технология создания таких матриц очень сложна, и их делает небольшое число фирм во всем мире. Зато схема управления упрощается.
Рис. 3.24. Плоский монитор фирмы Philips со встроенными колонками
Такие дисплеи выпускаются как для настольных ПК, так и для мобильных компьютеров – ноутбуков. Интересно отметить, что размеры видимой области таких дисплеев примерно на дюйм больше размеров изображения дисплеев на ЭЛТ.
Поддержка библиотек -графики
Для реализации полноценной графики важное значение имеет применение специальных библиотек трехмерной графики, именуемых также интерфейсами программных приложений – API (Application Programming Interface).
Библиотека Direct 3D фирмы Microfoft является частью комплекса DirectX графических утилит, ускоряющих графику за счет осуществления прямого доступа к памяти. Этот API получил самое широкое распространение для создания игр, используемых в среде Windows 95/98, а затем и в последующих версиях операционных систем класса Windows. Ныне в операционной системе Windows XP используется уже восьмая версия Direct X.
Open GL – это API знаменитой фирмы Silicon Graphics, Inc., которая прославилась созданием самых мощных графических рабочих станций для профессионального применения. Open GL рассчитан на самые различные компьютерные платформы и характеризуется рядом несомненных достоинств: стабильностью, переносимостью, масштабируемостью и удобством программирования.
Для использования возможностей Open GL нужны соответствующие аппаратные и программные средства. К аппаратным средствам относятся видеоадаптеры с поддержкой OpenGL. Программные средства представлены драйверами и так называемым портом (файл opengl32.dll в операционных системах Windows 95/98). Ныне стандарт Open GL реализован в большом числе видеоадаптеров для современных ПК.
QuickTime 3D – это разработка фирмы Apple, применяемая в ее компьютерах. Есть ее реализации и на платформе PC-компьютеров. QuickTime 3D поддерживает виртуальную реальность, потоковое видео в сети Интернета и позволяет создавать более 150 видеоэффектов. Однако в части поддержки игр это средство заметно уступает Direct 3D и Open GL.
Появление и развитие ЭВМ
В наше время основным устройством для получения, хранения, переработки и представления информации, несомненно, стали электронные вычислительные машины (ЭВМ). Мы уже не представляем себе существование цивилизованного общества без электронных вычислительных машин. Выход из строя крупной ЭВМ или сети ЭВМ в промышленно развитых странах по его последствиям можно приравнять к стихийному бедствию. Рассмотрим, как появились ЭВМ и как они развивались.
Появлению компьютерных лазерных
Рис. 3.15. Оптический компакт-диск в лотке CD-ROM-драйва
Рис. 3.16. Устройство диска CD-ROM и CD-ROM -драйва
В считывателе компакт-дисков информация считывается лазерным лучом, который создает полупроводниковый лазер. Диаметр пятна на нерабочей поверхности диска составляет около 1 мм, поэтому пылинки, частички грязи и даже мелкие царапины не сказываются на считывании. Оно осуществляется специальной считывающей головкой с линзой и электронной системой слежения.
Отражательные способности питов и промежутков между ними сильно различны, поэтому лазерный луч модулируется по интенсивности. Часть его через поляризационную систему отводится на фотодиод, который преобразует модулированный световой луч в электрические сигналы, усиливаемые усилителем. При считывании лазерный луч фокусируется в пятно размером около 1 мкм.
Длина питов от 0,8 до 3,2 мкм, а ширина - 0,4 мкм. Питы имеет глубину 0,12 мкм. Питы расположены по спирали - дорожке с шагом 1,6 мкм. На одном дюйме расположено 16000 витков спирали. Объем информации на диске достигает 1 Гбайта. Этого вполне достаточно для хранения высококачественной стереофонической (двухканальной) записи в течение 90 минут и ее многократного воспроизведения без каких либо потерь качества.
Поколения ЭВМ (компьютеров)
Итак, запросы общества в скоростных вычислительных устройствах неизбежно подталкивали их разработчиков к созданию электронных вычислительных машин, первоначально названных сокращенно ЭВМ. За рубежом в ходу появилось более короткое наименование ЭВМ-компьютеры. Ныне оно прижилось и у нас. Английское слово «computer» в буквальном переводе означает «вычислитель». Далее термины «ЭВМ» и «компьютер» мы будем считать равноценными.
Принято рассматривать пять поколений ЭВМ:
1) Ламповые ЭВМ;
2) Транзисторные ЭВМ;
3) ЭВМ на интегральных схемах низкой и средней степени интеграции;
4) ЭВМ на интегральных схемах высокой степени интеграции;
5) ЭВМ с логическим программированием.
Каждое из поколений имеет свои ярко выраженные особенности и заслуживает обзорного описания.
Полупроводниковые излучатели света
В качестве излучателя света используются p-n переходы, конструктивно оформленные как двухэлектродные приборы - диоды из арсенида галлия или другого подходящего полупроводника. Если пропускать через такой диод ток, то происходит накопление электронов в области n (не путайте с показателем преломления n). Часть электронов преодолевает так называемый потенциальный барьер между областями n и p, что при их рекомбинации с дырками и порождает излучение света. Спектр света оказывается довольно широким и лежит в инфракрасной области. Такой свет довольно сильно поглощается световолоконным кабелем.
Чтобы свет мало поглощался оптическим кабелем, он должен быть близким к монохромному, т.е. иметь узкий спектр. В качестве источников такого света применяются полупроводниковые лазеры. Это те же диоды, но специальной конструкции (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Конструкция полупроводникового лазерного диода: 1 – полированные торцевые поверхности; 2 – p-область; 3 – n-область; 4 – электрические проводники; 5 – молибденовая пластина, покрытая слоем золота; 6 – область p-n перехода
Отличительной чертой лазерного диода является наличие резонатора, образованного торцами p-n-перехода. Резонатор усиливает оптическое излучение и делает его спектр намного (в тысячи раз) более узким. В результате излучение диода становится почти монохромным.
Однако такая конструкция лазерного диода сложна. Да и область, в которой электроны переходят с верхнего энергетического уровня на нижний, получается нечеткой. Гораздо лучше ситуация обстоит в специальных структурах из разнотипного полупроводника. Они называются гетероструктурами. В их создание огромный вклад внес наш академик Жорес Алферов, получивший за это Нобелевскую премию. Структура гетеролазерного диода показана на рис. 5. Здесь активный слой p-GaAs ограничен двумя широкозонными областями
p-GaAlAs и n-GaAlAs.
Применение двойной гетероструктуры позволило уменьшить пороговый ток лазерного излучения (до 1000 А/см2), увеличить к.п.д. лазерного диода и обеспечить создание диодов с непрерывной генерацией света (лазерные диоды рис. 5. обычно обеспечивают только импульсное издучение). Лазерное излучение диодов ДГС легко модулировать, просто изменяя ток через диод.
Полупроводниковые приемники света
Простейшим приемником света является опять-таки
p-n-переход. Попадая в него, частицы света - фотоны - выбивают электроны из материала p-n-перехода. Возникающие при этом электронно-дырочные пары вызывают появление в p-n-переходе фототока. Диоды, используемые в такой роли, называют фотодиодами. Есть и фототранзисторы, усиливающие фототок в десятки и сотни раз.
Однако эти приборы довольно инерционны. Существуют диоды специальной конструкции (например, на основе гетеро-переходов или использовании явления лавинного умножения носителей приэлектроическом пробое - лавинные фотодиоды). Такие диоды способны воспринимать модулированный световой поток при частотах модуляции до десятков гигагерц. Сигнал фотодиодов усиливается широкополосными усилителями.
Понятие о данных и базах данных
В теоретической и практической информатике, помимо информации, широко используются данные - невостребованная или необработанная информация, представленная в той или иной форме, например в виде множества чисел, слов или документов.
Попробуем разобраться в отличиях данных от информации. Например, следующий массив просто чисел представляет данные:
123456 654321 112233 445566 это данные
Эти числа могут быть номерами телефонов, кодами замков или кодами программ, табельными номерами работников предприятий и т.д. Но если оговорить, что это не просто цифры, а номера телефонов конкретных людей, то приведенные ниже данные становятся важной информацией
Телефон: 123456 654321 112233 445566 это уже
Фамилия: Иванов Петров Сидоров Козлов информация
Данные могут храниться в базах данных – специальных устройствах для хранения информации на том или ином материальном носителе. Базами данных часто называют и документы, которые готовятся специальными программами, например системой управления базами данных Microsoft Access. Это одна из программ пакета для офисной работы Microsoft Office. Она обеспечивает быстрый поиск и обработку данных.
Понятие о прерываниях
Адресное пространство ПК начинается с таблицы векторов прерываний
IRQ (InteRrupt reQuest). Прерывания - это особый механизм выявления событий, происходящих при работе компьютера и реакции его на них. Аппаратно он реализован специальной микросхемой - контроллером прерываний.
При работе ПК происходит периодический опрос клавиатуры и других узлов компьютера на предмет выявления событий в среднем 50 раз в секунду. Если событий не происходит, компьютер спокойно продолжает свою работу - считает все, что нужно, по введенной в него прикладной программе. Если событие произошло, то компьютер приостанавливает работу и обращается к таблице векторов прерываний. При этом выполняется программа обработки
соответствующего прерывания.
Таблица прерываний состоит из сдвоенных двухбайтовых ячеек, в которых содержатся сегменты и смещения 16-разрядных адресов подпрограмм BIOS, ведущих обработку прерываний. Эти подпрограммы выполняют действия, адекватные событиям, - например, если не хватило памяти, то работа ПК прекращается и на экран дисплея выводится сообщение об ошибке - нехватке памяти.
Каждое прерывание характеризуется своим номером и адресом подпрограммы обработки прерывания. На таблицу прерываний отведен первый килобайт памяти, так что всего может быть около 250 прерываний. Однако реально пользователю доступны установки лишь 16 прерываний. Номер прерывания определяется порядковым номером пары двухбайтовых ячеек в ОЗУ.
Вряд ли детальное знакомство с прерываниями нужно рядовому пользователю - за него обработкой прерываний управляют прикладные программы. Обычно с их начальным распределением, зависящим от числа и типа подключаемых к ПК периферийных устройств, успешно справляются и средства Plug and Play.
Понятие о сетях
Мы уже давно сталкиваемся с сетями. И не только с теми, которые ткут пауки и рыбаки. Собравшись за «круглым столом», мы можем свободно обмениваться информацией, разговаривая друг с другом. При этом мы образуем беспроводную акустическую информационную сеть. Нечто подобное нам хотелось бы иметь при использовании компьютеров и прочих новых информационных устройств.
Всем хорошо известны проводные сети, снабжающие нас электроэнергией, и телефонные сети, с помощью которых мы имеем возможность соединяться друг с другом по телефону. Недостаток таких сетей - низкие частоты переменного тока, который можно передавать по ним. Например, телефонные сети способны передавать сигналы с частотами не выше десятков килогерц, а сети электроэнергии передают переменный ток с частотами 50-60 Гц и довольно редко – с частотой до 400 Гц.
Понятие о теореме КотельниковаÄ
Как часто надо делать равномерные выборки произвольного сигнала (рис. 1.5), чтобы после преобразования в цифровую форму, а затем снова в аналоговую была сохранена форма сигнала? Ответ на этот важный вопрос дает теорема об отсчетах или теорема Котельникова (за рубежом Найквиста): «Если спектр сигнала e(t) ограничен высшей частотой fв, то он без потери информации может быть представлен дискретными отсчетами с числом, равным 2× fв». При этом сигнал восстанавливается по его отсчетам e(k×dt) с помощью фильтра низких частот, реализующего восстановление по формуле:
Популярные сейчас оптические компакт-диски содержат высококачественные записи речи и музыки в цифровой форме. Высшая частота звуковых сигналов 20 кГц. Частота дискретизации их 44,1 кГц. Каждая выборка представляется (квантуется) с числом уровней 216
= 65536 (разрядность квантования 16 бит). Полученный поток цифровых данных и записывается в двоичном виде на оптический диск. В итоге компакт-диск при лазерном считывании информации позволяет воспроизводить сколько угодно раз звуки любимых певцов и оркестров с невиданным ранее качеством.
Порты ввода/вывода
Для обмена содержимым регистров микропроцессора с внешней памятью и иными периферийными устройствами служат порты ввода/вывода. Это название пришло от морских портов, имеющих маяки, буи, причалы, подъемные краны и прочее оборудование для приема и разгрузки или загрузки судов.
Аналогично этому порты микропроцессора - это совокупность аппаратных и программных средств для ввода и вывода данных. Порты обычно адресуются и имеют свои номера. Они могут передавать данные одновременно по нескольким шинам (параллельные порты) или по одной шине в режиме передачи данных с разделением во времени (последовательные порты).
Порты ввода/вывода PRN, COM и USB компьютеров
В компьютерах для подключения к ним различных устройств имеются так называемые порты ввода/вывода. Порт – это совокупность аппаратных и программных средств для такого подключения. В состав аппаратных средств портов в компьютерах входят разъемы, с помощью которых и соединительных кабелей периферийные устройства компьютера подключаются к нему. К портам могут подключаться клавиатуры, мыши, принтеры, сканеры, цифровые фотокамеры и другое внешнее оборудование.
Параллельные принтерные порты (их обозначают PRN) используются обычно для подключения принтеров, сканеров и иных устройств. А последовательные коммутационные порты обозначаются как COM и используются для подключения коммутационных устройств, например модемов, графических манипуляторов – мышей и т.д.
В современных компьютерах широкое распространение получили порты и шины USB (от слов Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина). По USB обычно пересылаются данные от компьютера к периферийным устройствам и наоборот. Связь нескольких компьютеров друг с другом через шину USB не предусмотрена.
Нетрудно создать простейшую сеть из двух компьютеров, просто соединив их параллельные или последовательные порты специальным кабелем. Имея соответствующее программное обеспечение, можно после этого осуществить обмен информацией между компьютерами.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)
Постоянное запоминающее устройство ПК (ПЗУ) именуют также ROM (Read Only Memory - память только для чтения). Сейчас в ПЗУ применяются микросхемы, которые легко перепрограммируются прямо на системной плате электрическими импульсами. Их называют Flash EDROM или флэш-памятью.
Еще один вид ПЗУ выполняется на особых комплементарных полевых транзисторах (с каналами разного типа проводимости) и реализован в CMOS
микросхемах. Эта память теряет информацию при выключении питания. Но она потребляет настолько ничтожную мощность по цепи питания, что ее годами можно питать от миниатюрной батареи, что обычно и делается в современных ПК. Заодно от этой батареи питают и системные часы ПК – таймер.
ПЗУ хранит комплекс небольших программ начальной загрузки и тестирования компьютера. Одна из таких программ Setup
обеспечивает начальную настройку ПК. Обычно для доступа к ее окну достаточно нажать и придержать клавишу Del в начале загрузки. Для перехода к начальной загрузке можно нажать клавишу Reset на передней панели центрального блока или нажать разом клавиши Ctrl+Alt и Del.
В ПЗУ находится также базовая система ввода/вывода
BIOS (Basic Input/Output System). Она представляет собой набор небольших программ, осуществляющих стандартные операции ввода и вывода – например, ввода знаков с клавиатуры и их вывод на экран дисплея. Все это программное обеспечение относится к категории Hardware
(входящее в аппаратную часть).
BIOS современных ПК реализует особый метод самонастройки ПК на подключаемое к нему оборудование. Этот метод называется Plug and Play – в буквальном переводе «Включил и Работай». Этот метод реализуется сразу после включения ПК.
Применение видеомагнитофонов
Основное применение видеомагнитофона - совместная работа с телевизором. Существуют две основные схемы соединения видеомагнитофона и телевизора: по высокой частоте и по низкой частоте с использованием входных и выходных гнезд видео- и аудиосигналов.
Рис. 5.37. Соединения видеомагнитофона (ВМ) и телевизора (ТВ) по высокой частоте
Видеомагнитофон должен быть настроен на исходный сигнал, как на обычный антенный. Недостатком такого соединения является потеря качества как изображения, так и звука из-за искажений в радиоканале. Однако такое соединение просто и может использоваться с дешевыми телефизорами, не имеющими входов видео- и аудио-сигналов.
 |
Если такие входы есть, то целесообразно применять соединения, показанные на рис. 5.38. В современной аппаратуре для низкочастотных соединений применяется стандартный разъем SCART.
Рис. 5.38. Соединения видеомагнитофона (ВМ) и телевизора (ТВ) по низкой частоте
Телевизионный сигнал принимается видеомагнитофоном, а выходные гнезда видеомагнитофона соединяются с входными гнездами телевизора. При работе в таком режиме требуется выбрать режим работы AV (аудио – видео) видеомагнитофона и телевизора.
Соединение высокочастотного выхода видеомагнитофона и антенного входа телевизора обеспечивает работу в режиме «сквозного» канала, т.е. телевизор может принимать передачи напрямую, минуя многочисленные преобразования. Возможно также применение двух видеомагнитофонов и телевизора при копировании видеозаписи с одного магнитофона на другой.
Принципы аналоговой магнитной записи звуков
Магнитный способ записи и воспроизведения звука основан на свойстве ферромагнитных материалов намагничиваться под воздействием магнитного поля и сохранять это состояние. Это довольно сложный процесс, так что мы рассмотрим физические основы магнитной записи несколько упрощенно.
Магнитная запись звука обеспечивает высокое качество фонограммы. Сразу после записи звука фонограмма готова к воспроизведению. Запись, сделанную на магнитной ленте, можно стереть, а затем записать на магнитную ленту новую фонограмму. Качество фонограммы мало зависит от числа воспроизведений, но все же постепенно ухудшается из-за присущих магнитной записи шумов как ленты, так и усилительных устройств. Перечисленные достоинства, а главное дешевизна магнитной записи, определяют ее широкое применение в учебном процессе. Особенно широко используются магнитофоны с лентой в кассетах и микрокассетах.
левая – на оси двигателя торможения.
Рис. 5.12. Упрощенная конструкция катушечного магнитофона
Лента протягивается мимо трех головок. Каждый участок магнитной ленты сначала проходит мимо стирающей головки СГ, которая размагничивает ленту и удаляет старую запись. На записывающую головку ЗГ подается входной сигнал, который намагничивает ленту. Магнитное поле ленты воспринимается воспроизводящей головкой ВГ, на выходе которой и создается ранее записанный сигнал. Все три головки представляют собой миниатюрные электромагниты с тонким магнитным зазором сердечника.
Катушечные магнитофоны в последнее время вытеснены кассетными магнитофонами, у которых бобины с лентой заключены в специальный кожух - кассету. Имеется множество конструкций механизма кассетных магнитофонов - в том числе одномоторных, двухмоторных и трехмоторных. Лентопротяжный механизм - дорогой и сложный узел магнитофона.
Прямой доступ к памяти (DMA)
Прямой доступ к памяти
(DMA - Direct Memory Access) позволяет некоторым периферийным устройствам быстро обращаться к памяти напрямую. Для этого используется специальный контроллер DMA в виде микросхемы. В настольных ПК используют 4 канала DMA с номерами 0, 1, 2 и 3.
