Адресное пространство памяти ПК
Для адресного обращения к ячейкам памяти используется их адресация (как и у домов на улицах города). Адреса - нередко большие числа, и поэтому для адресации обычно применяют шестнадцатиричные числа. Совокупность адресов памяти образует адресное пространство. Обсудим его структуру – рис. 3.10.
Адреса ячеек памяти у ПК выражаются просто их порядковыми номерами. Первые 640 Кбайт памяти ОЗУ называют основной или стандартной памятью
(conventional memory). С обращением к ним нет никаких проблем. В том числе со стороны MS-DOS любых версий. Эта память была определена еще в ПК IBM PC XT, имевших 20-разрядную шину адресов.
Но уже в ПК IBM PC AT основная память была наращена до 1 Мбайта. Аппендикс - память от 640 Кбайт до 1 Мбайта - получил название скрытая память (shadow memory). Иногда ее называют также UMA областью памяти (Upper Memory Area) или верхней областью памяти. Напрямую она для программ под MS-DOS недоступна. Но драйвер himem.sys позволяет получать к ней доступ.
Снизу этой области зарезервирована область памяти для обслуживания видеоадаптеров. Она содержит память под текстовые и графические страницы, а также память под BIOS видеоадаптера, жесткого диска и обычную BIOS.
В старых ПК (до 386-х) в UMA размещено окно размером в 64 Кбайта, ячейки которого обеспечивают адресацию к 32 Мбайтам памяти. В ПК с процессорами 386 и выше этот вид памяти создается из расширенной памяти и сам по себе не применяется. Этот вид памяти называют дополнительной памятью - EMS (Expanded Memory Specification). Драйвер emm386 обеспечивает программную поддержку этой памяти. В верхней области UMA
располагается системная BIOS.
Начиная с ПК класса 386 выше потолка памяти в 1 Мбайт расположена область памяти HMA (High Memory Arrea). Она используется также для адресации к обычно недоступной расширенной памяти с помощью перекрывающихся сегментов, содержащих по 64 Кбайта памяти. HMA память доступна в реальном режиме работы микропроцессоров. Драйвер himem.sys обеспечивает программную поддержку этой памяти.
Вообще говоря, вся память свыше 1 Мбайта называется наращенной или расширенной памятью XMS (eXtended Memory Specification), так что в нее входит и память HMA и так называемая дополнительная память.
Разобраться с распределением памяти конкретного ПК помогает утилита mem (от memory - память), входящая в состав MS-DOS, а также системные программы, входящие в Windows.
Аналоговые магнитофоны с подмагничиванием ленты
К сожалению, несмотря на большие исследования так и не удалось создать магнитную ленту с линейной зависимостью остаточной намагниченности от напряженности магнитного поля записывающей головки. Эта зависимость имеет сложный гистерезисный характер. Поэтому описанный выше способ записи приходится усложнять.
Рис. 5.13. Функциональная схема современного магнитофона
Далее магнитная лента проходит мимо записывающей головки ЗГ.
По обмотке записывающей головки проходит ток, пропорциональный звуковому сигналу и наложенный на высокочастотный сигнал подмагничивания. Это линеаризирует зависимость остаточной намагниченности от тока звукового сигнала.
Намагниченные участки магнитной ленты проходят мимо воспроизводящей головки ВГ. При этом магнитное поле ленты наводит электродвижущую силу (ЭДС) в обмотке воспроизводящей головки. После усиления ЭДС усилителем воспроизведения УВ звуковой сигнал поступает на громкоговоритель ВА.
Головки магнитофона - маленькие электромагниты с тонкой щелью. Они отличаются толщиной щели - самая маленькая толщина (до 1 мкм) – у воспроизводящей головки. Сердечник головок выполнен из пермаллоя или феррита.
Лентопротяжный механизм магнитофона предназначен для обеспечения равномерного движения магнитной ленты мимо магнитных головок при записи или воспроизведении. Скорость движения ленты стандартизована. Чем выше скорость движения магнитной ленты, тем лучше качество записи, но тем меньше времени будет звучать запись, поэтому приходится находить компромисс между качеством записи и временем звучания кассеты. Лентопротяжный механизм также обеспечивает ускоренную перемотку ленты вперед и назад.
Аналоговые видеомагнитофоны
Для записи телевизионных изображений широко применяются аналоговые кассетные видеомагнитофоны. Хотя в основе магнитной записи звука и изображения много общего, аппаратура и применяемые для записи сигналов методы существенно отличаются друг от друга. Это связано с тем, что оптический сигнал является более информационно насыщенным. В то время как диапазон частот звуковых колебаний составляет 16- 20 000 Гц, диапазон частот полного телевизионного сигнала (канал звука и изображения) составляет 16 Гц- 6 Мгц, т.е. почти в 300 раз шире.
Широкое распространение и эксплуатационные удобства современных видеомагнитофонов базируются на двух основных их особенностях: применении наклонно-строчного способа записи и использовании кассет, которые вместе с заключенной внутри них магнитной лентой помещаются в аппарат при записи или воспроизведении изображения.
Блок-схема кассетного видеомагнитофона представлена на рис. 5.34. Магнитофон состоит из лентопротяжного механизма и электроники. Лентопротяжный механизм предназначен для обеспечения равномерного перемещения магнитной ленты мимо магнитных головок.
 |
Рис. 5.34. Блок- схема аналогового видеомагнитофона: 1- гнездо RF In (антенный вход), 2- гнездо Video In (видеовход), 3- гнездо Video Out (видеовыход), 4- гнездо Audio In (аудиовход), 5-гнездо Audio Out (аудиовыход), 6- гнездо RF Out (высокочастотный выход), АГ- звуковая головка, БВГ- блок вращающихся головок, БР- блок радиоприема, ВГ1 и ВГ2- видеоголовки, ГСП- генератор стирания и подмагничивания (генератор высокой частоты), ЛПМ- лентопротяжный механизм, МЛ- магнитная лента, РП- радиопередающее устройство СГ- стирающая головка звуковой дорожки, ЭК- электронный коммутатор.
Несмотря на разнообразие типов видеомагнитофонов, по принципу построения это в основном двухголовочные несегментированные аппараты, в которых каждая головка записывает отдельное поле.
Есть и более качественные четырехдорожечные аппараты. Общим у всех аппаратов является и то, что на ленте располагается одна (или несколько) звуковая дорожка и одна дорожка сигналов управления. Эти дорожки во всех системах находятся по краям ленты, их магнитная ориентация совпадает с продольной осью ленты.
Барабан видеоголовок – барабан в лентопротяжном тракте диаметром 30-110 мм с двумя или большим количеством вращающихся магнитных головок (рис.5.35,а). Магнитная лента транспортируется наклонно относительно плоскости вращения головок, что обеспечивает получение наклонно-строчной записи. Ось вращения барабана головок наклонена к плоскости движения ленты так, что видеоголовки записывают на ленте наклонные дорожки (рис.5.35,б). Для стабильной работы видеомагнитофона конструкция лентопротяжного механизма и особенно барабана видеоголовок делается высокоточной (прецизионной).
Рис. 5.35. Барабан видеоголовок (а) и структура записи на видеоленте (б)
Обычно барабан содержит две видеоголовки, расположенные относительно друг друга со сдвигом на 1800. Барабан совершает 25 об/сек, при этом обе видеоголовки записывают 50 дорожек, на каждой из которых - одно поле телевизионного изображения (т.е. в секунду записывается 25 кадров).
Когда одна видеоголовка заканчивает путь на ленте, записав 312.5 строк (первое поле), другая заходит на ленту и записывает еще 312,5 строк (второе поле), располагающихся на изображении между строками первого поля, образуя полный кадр. За счет вращения головок скорость записи намного выше скорости транспортировки ленты, что и обеспечивает широкополосность видеотракта. Частично это достигается и за счет улучшения качества магнитных видеолент.
Существует несколько форматов записи видеоинформации. Формат записи - это упорядоченное расположение на поверхности ленты строчек и дорожек, намагниченных под действием разнообразных сигналов. Указание формата записи и описание его параметров дает однозначное указание, каким образом производится запись и воспроизведение информации.
Запись звука в видеомагнитофонах популярных форматов (VHS и т.п.) осуществляется неподвижными магнитными головками по краю ленты, по другому краю ленты специальной магнитной головкой записывается сигнал управления.
Высокочастотный тракт (радиоканал) видеомагнитофона (рис.5.32) ничем не отличается от соответствующего устройства телевизионного приемника. С антенного входа (точка 1 рис.5.29), который обозначается обычно RF IN (высокочастотный вход) или ANTENNA IN (антенный вход), телевизионный радиочастотный сигнал поступает на вход блока радиоканала. В этом блоке происходит усиление радиосигнала и его преобразования (на рис.5.32 звуковой канал изображен пунктиром).
Назначение электронного коммутатора 1 и соединенных с ним гнезд аналогично назначению электронного коммутатора телевизора. Электронный коммутатор 2 выполняет необходимые переключения, связанные с выбранным режимом работы видеомагнитофона (запись или воспроизведение). Дело в том, что как звуковая (АГ), так и видеоголовки (ВГ1 и ВГ2) являются универсальными, т.е. используются в режиме записи и воспроизведения.
Радиопередающее устройство преобразует поступающие на него видео - и аудиосигналы и формирует высокочастотный сигнал, соответствующий одному из каналов телевизионного дециметрового диапазона (гнездо 6 на рис.5.32).
Рис. 5.36. Видеомагнитофон HV MX100 фирмы Aiwa со стереофоническим звуковым трактом и пультом дистанционного управления
В настоящее время рынок теле- и видеоаппаратуры насыщен изделиями самых различных фирм. Устройство и приемы работы с аппаратурой примерно одинаковы, в любом случае, освоив работу с одним из них, несложно освоить и другой.
Архитектура UMA с общей памятью
У некоторых простых ПК используется архитектура компьютеров с общей памятью UMA (Untified Memory Arhitecture). Она применяется, в частности, в домашних ПК Aptiva фирмы IBM. Объединение ОЗУ с видеопамятью на одной материнской плате упрощает ее конструкцию и уменьшает число проводников на плате.
Арифметико-логическое устройство
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) построено на множестве логических схем и служит для выполнения арифметических и логических операций. Процессор позволяет в пределах своей разрядности складывать, вычитать, умножать и делить целые числа. Он позволяет также выполнять различные операции (например, сдвига или перемещения) для работы с числами повышенной разрядности и др.
Кроме того (и это, пожалуй, самое важное), процессор позволяет выполнять все эти и многие другие операции по программе, выбираемой из внешнего запоминающего устройства, и использовать данные, хранящиеся в нем. Таким образом, процессор наделен средствами общения с памятью и другими внешними устройствами. Процессор реализует также ветвления по программе (безусловные и условные переходы) и циклы.
ASCII и таблицы кодировки
Имеются специальные стандарты, ставящие в соответствие каждый код определенному знаку. Сейчас самым признанным стандартом стал ASCII (American Standard Code for Information Interchange - Американский стандартный код для обмена информацией). В нем каждое значение байта соотносится с определенным символом, например, 65 - это код латинской буквы «A», 66 - «B» и т.д.
В новых операционных системах для компьютеров, например Windows 98/2000/NT/XP, применяются и двухбайтные коды (Unicode), позволяющие довести число кодируемых знаков до 65536 символов. Этого достаточно для кодирования самых сложных языков.
В компьютере или ином информационном устройстве имеется также один или несколько наборов знаков (так называемых таблиц знакогенератора), которые ставят в однозначное соответствие код знака с его начертанием на экране дисплея. В результате с помощью специальной алфавитно-цифровой клавиатуры можно преобразовать знак любого языка на любой клавише в код, а с помощью знакогенератора дисплея вывести этот знак на экран дисплея.
Преобразовав символы в коды, нетрудно автоматизировать операции с текстами. Например, несложно подсчитать число символов в строке, выделить первый, последний или вообще любой символ, выполнить сортировку слов, осуществить замену одного символа или подстроки на другой (другую) и даже осуществить автоматическую проверку орфографии и грамматики, используя для этого определенные наборы правил того языка, на котором создается и обрабатывается текст. Все это и делают текстовые редакторы и более мощные текстовые процессоры, такие, как всемирно известный Microsoft Word.
Аудио-оснащение ПК
Рис. 3.18. Аудиоадаптер и его подключение к аудиоустройствам
Аудиоадап-тер по существу состоит из двух частей – цифрового магнитофона и электронного синтезатора звуков. Сигналы звука (от микрофона или линии) усиливаются и смешиваются (микшируются), подаются на АЦП и превращаются в цифровые сигналы. Они записываются в память ПК. Цифровые сигналы с памяти поступают на ЦАП, превращаются в аналоговые сигналы, усиливаются и поступают на акустические системы – головные телефоны или акустические колонки.
Разумеется, что для записи и воспроизведения стереофонических звуков тракт цифрового магнитофона должен быть двухканальным. А в более «крутых» современных аудиоадаптерах применена даже шестиканальная система (5+1), типичная для широкоэкранных кинотеатров и домашних видеотеатров. В этом случае источником звуковых сигналов служат оптические диски формата MP4 или DVD.
Синтезатор музыкальных звуков имеет интерфейс музыкальных инструментов MIDI. Он позволяет подключать к аудиоадаптеру клавиатуру музыкальных инструментов, напоминающую клавиатуру рояля или пианино. Это превращает ПК в полноценный электромузыкальный инструмент. Массу MIDI-файлов с записями музыкальных произведений можно найти на компакт-дисках CD-ROM и в Интернете.
Синтезаторы могут быть двух типов – с частотной модуляцией FM и с волновым синтезом – Wave Table. Последние более совершенны и дают более высокое качество синтезированных звуков. По существу, они представляют собой наборы реальных звуков в цифровой форме, из которых под действием команд формируются сложные звуковые сигналы, даже такие, как отдельные слова и фразы, хлопки в ладоши, свистки и т.д.
Современное аудио-оснащение ПК позволят получить высокое качество звука, но при условии применения достаточно дорогих аудиокарт и мощных и больших внешних акустических систем с усилителями. Хороший звук дают современные стереофонические головные телефоны. А вот встроенные динамики мобильных компьютеров – ноутбуков, а также всевозможные миниатюрные дешевые колонки, высокого качества звука, увы, не дают.
Беспроводная связь с помощью модулей Bluetooth
В Х веке нашей эры король Дании Гарольд II, прозванный Голубой Зуб, прославился как неутомимый собиратель земель датских. А уже в 1998 году под именем Bluetooth (Голубой Зуб) образовался союз промышленных компаний - разработчиков новой технологии радиосвязи, которая могла бы объединить персональные компьютеры, мобильные телефоны и различные бытовые приборы. При этом расположение и число их не имело того значения, которое характерно для применения инфракрасных портов.
Родоначальниками Bluetooth выступили гиганты компьютерного и телекоммуникационного рынка - Ericsson, IBM, Intel, Nokia и Toshiba. Сейчас концерн Bluetooth объединяет более 800 компаний, увлеченных новой технологией универсальной беспроводной связи. Технология Bluetooth обеспечивает универсальный механизм беспроводного соединения самых различных устройств друг с другом. Она позволяет заменять кабельные соединения и организовать каналы передачи.
Внешне модуль Bluetooth - это самая обычная интегральная микросхема с площадью около 1 кв. см., которая обеспечивает связь на частоте 2,4 ГГц на расстоянии пока до 10 метров. Он может связать до 8 других устройств, организуя при этом так называемую пикосеть, или PAN (Personal Access Network - Сеть персонального доступа). Одна из микросхем становится ведущей (master), остальные действуют под ее управлением (slaves). Ведущей схемой обычно является та, которая размещена в наиболее мощном устройстве, таком, как карманный персональный компьютер, ноутбук, настольный ПК или мини-ЭВМ.
Ведущая схема координирует посылку и прием данных в рамках образованной пикосети. Если в сети окажется более 8 устройств, будет автоматически сформирована вторая пикосеть. Множество пикосетей, способных взаимодействовать друг с другом, сформируют распределенную сеть (Scatternet).
Пикосети могут взаимодействовать друг с другом, автоматически корректируя поток данных, что достигается возможностью микросхемы Bluetooth быстро переходить с частоты на частоту. Этот способ известен как Frequency Hopping (FH), или просто хоппинг. Он обеспечивает хорошую защиту от помех других излучающих устройств путем быстрого перескока частот 1600 раз в секунду. Хоппинг по частоте обеспечивает также защиту сетей от несанкционированного доступа.
В принципе сети с Bluetooth решают те же задачи, что и инфракрасный порт, но без ограничения числа устройств и неудобств, связанных с их ориентацией. Но все это при условии, что все устройства имеют модуль Bluetooth. Следует иметь в виду, что технология Blustooth находится в начале внедрения, так что «нестыковки» устройств, увы, случаются. Есть и другие технологии беспроводной связи, решающие те же задачи, что и Bluetooth.
Блок команд
В процессор «зашито» множество команд, которые выполняются программно с помощью АЛУ. Их немного больше 200. Это команды предшествующих поколений микропроцессоров 8086, 8088, 286, 386 и 486. Однако в новые процессоры включен целый ряд новых команд (см. выше описание процессоров). Выполнение команд микропроцессора и возложено на блок команд.
Блок управления памятью
Во время работы процессор постоянно взаимодействует с памятью. Он получает из памяти коды команд и данные для вычислений и направляет в заданные ячейки памяти результаты вычислений. Для обеспечения этого процессор содержит блок управления памятью. Именно в этом блоке формируются адреса ячеек памяти, с которыми работает микропроцессор. Для работы с памятью большого размера используется страничная организация памяти – при ней адрес задается номером страницы - сегментом и смещением внутри выбранного сегмента. Начиная с процессоров Pentium III стала возможной линейная адресация к ячейкам памяти. Она требует меньшего числа команд на задание адреса и выполняется быстрее.
CD-ROM-драйвы
На основе звуковых дисков вскоре были созданы лазерные компакт-диски CD-ROM, допускающие только считывание информации. Емкость CD-ROM до 800 Мбайт. На диск можно поместить энциклопедии и справочники, по объему эквивалентные десяткам томов книг.
Первые CD-ROM-драйвы с конструкцией, показанной на рис. 3.16, имели скорость считывания в 150 Кбайт/c. Затем ее стали задавать кратной этой скорости. Так что драйвы с двойной скоростью имеют скорость считывания 2 ´ 150 = 300 Кбайт/c, драйвы с учетверенной скоростью 600 Кбайт/c и т.д. В ноутбуках применяются в основном CD-ROM-драйвы с кратностью скорости 24, тогда как в настольных ПК она обычно достигает 48-50 и даже выше.
Важным параметром является также среднее время доступа (поиска первого нужного сектора). Обычно оно порядка 0.2-0.4 с, а в новых драйвах с повышенной скоростью считывания и с дополнительным буфером кэш-памяти драйва оно существенно ниже. Емкость буфера обычно лежит в пределах от 32 до 256 Кбайтов.
Числа десятичные и шестнадцатеричные
Цифровая информация основана на применении чисел в той или иной системе исчисления. Числа характеризуются основанием. Выше мы познакомились с числами двоичными (основание 2) и восьмеричными (основание 8). В обиходе такие числа используются редко, хотя пользователям компьютерами они привычны.
А вот десятичные числа более привычны для людей, которых природа наградила 10 пальцами на руках и ногах. Считается, что именно поэтому люди полюбили десятичную систему исчисления, которой широко пользуются и поныне. Конечно же, современные микропроцессоры компьютеров справляются с десятичными числами так же, как и с двоичными - битами или восьмеричными – байтами.
В ряде случаев, например для указания адресов и содержимого ячеек памяти, применяются шестнадцатеричные числа с основанием 16. Каждый p-й разряд такого числа HEX (p = 0, 1, 2,..., 9, A, B, C, D, E, F) дает вклад в десятичное значение адреса A, равный DEC*16^p (знак ^ означает возведение в степень), где DEC - десятичное значение числа, определяемое следующим образом:
HEX 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
DEC 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Применение шестнадцатеричных чисел требует некоторого навыка, но он приходит очень быстро, если вы всерьез займетесь программированием. К примеру, чему равно значение С7h (h означает принадлежность к шестнадцатеричным числам)? Надо полагать, что вы догадались, что с учетом веса разряда C=12 это дает (16*12)+7=199. Разумеется, преобразовывать числа в уме не стоит – многие простые микрокалькуляторы имеют команды для такого преобразования.
Что было до появления ЭВМ
Уже наши предки людей умели подсчитывать число членов своей семьи, количество принадлежащих им животных и вещей, отгибая пять пальцев каждой руки. Состояние древних людей росло, стада домашних животных насчитывали уже тысячи голов, и пальцев рук для вычислений стало мало. И тогда человек придумал первое пятеричное вычислительное механическое устройство – абак. Это была полосатая доска с кучками камней на полосках. Дошедшие до нас счеты – тоже разновидность абака. Они появились в конце XVI века и использовали уже десятичную систему исчисления.
В Древнем Риме такие устройства именовались как calculi или abaculi – от слова calculus (в переводе галька, камешек, голыш). Отсюда и появилось слово calculus (вычисления) и calculator (это уже совсем по современному – калькулятор или вычислитель). Первые устройства такого типа на самом деле ничего не вычисляли – они служили просто простой механической памятью.
Долгое время подобные «машины» помогали только складывать и вычитать числа. Но в начале XVII века появились первые логарифмические таблицы, созданные Непером. Затем мир захлестнула волна логарифмических линеек, доживших до наших дней. Увы, точность их изготовления позволяет получать верными только 3 или 4 цифры результатов.
Примерно в 1623 году В. Шиккардом была изготовлена в единственном экземпляре первая механическая счетная машина. Затем французский математик и философ Блез Паскаль в 1642 году изобрел механическую суммирующую машину на шестеренках. А уже в 1674г. Готфрид Лейбниц усовершенствовал ее, сделав возможными умножение, деление и даже извлечение квадратного корня. Он же впервые применил двоичную систему исчисления.
Однако все эти ранние вычислительные устройства не были автоматическими, и ими постоянно управлял человек – пользователь. Первый проект механической машины, управляемой по введенной в нее с перфокарт программе, был создан в 1834 году Чарльзом Бэббиджем. Для привода машины Бэббидж предполагал использовать паровой двигатель.
В своей машине Бэббидж выделял четыре главных блока:
· склад для хранения чисел (по нынешней терминологии память);
· мельницу для перемалывания-обработки чисел (по-нашему, это арифметическое устройство);
· устройство управления;
· устройство ввода-вывода.
Замечательно, что все эти устройства по существу входят в любую современную вычислительную машину. Так что Бэббиджа можно считать первым архитектором вычислительных машин – архитектура его машины сохраняет свое значение и поныне. Бэббидж также предвосхитил возможность изменения алгоритма решения задач по мере их выполнения.
Для записи программ Бэббидж заимствовал идею применения перфокарт, которую предложил и реализовал в ткацких станках Жаккар. Такие карты представляли собой лист плотной бумаги с отверстиями. Отсутствие и наличие отверстия в том или ином месте означало запись логического нуля и единицы. Ада Лавлейс (дочь поэта
Д. Байрона) подготовила первые программы для машины Бэббиджа. В них впервые были реализованы циклы – повторяющиеся неоднократно операции. Ее вклад, как первого в истории Человечества программиста, увековечен в названии современного языка программирования Ада.
Создание первых механических вычислительных устройств способствовало развитию теории вычислений и алгоритмов. Здесь огромный вклад внес Джорж Буль (1815-1864 гг.), который предложил математическое описание логических и арифметических операций, ныне известное как алгебра Буля. По существу Буль создал теоретические основы работы современных цифровых машин.
В 1874 Орднер (Россия) разработал механические счетные машинки небольших размеров – арифмометры. В 1931 году в России был организован выпуск арифмометров «Феликс». Лишь недавно они исчезли с прилавков магазинов канцтоваров. А в 1969 году (уже в век электронных вычислительных машин) только в СССР было выпущено 300 000 арифмометров!
В 1888 году Герман Холлерит создал первую электромеханическую машину – табулятор для обработки перфокарт. Она помогла осуществить перепись населения США. Обработку ее результатов осуществили 43 помощника Холлерита в течение всего одного месяца. Это был феноменальный успех – результаты предшествующей переписи обрабатывало свыше 500 человек на протяжении десяти дет!
В 1896 году Холлерит создал фирму Computing Tabulation Company, которая занималась разработкой и выпуском табуляторов. Из нее и родилась ныне знаменитая корпорация IBM (International Business Machine). Вот уже многие годы эта корпорация лидирует в разработке и производстве больших вычислительных машин для различных сфер экономики.
В 1930 году В. Буш создает дифференциальный анализатор, способный решать дифференциальные уравнения. Одна из последних моделей этого устройства, построенная уже в 1942 году (в разгар второй мировой войны), весила 200 тонн.
В 1937 году Алан Тьюринг опубликовал фундаментальную математическую работу с описанием алгоритмов математических вычислений с помощью удивительной по своей простоте гипотетической машины.
Первые двоичные электромеханические машины на основе реле создал в на рубеже тридцатых/сороковых годов ХХ века немецкий инженер Конрад Цузе - это машины Z1 и Z3. Последняя была изготовлена в 1941 году и имела около 2600 реле. Профессор Гарвардского университета Г. Айкен при участии IBM построил в 1944 году еще одну релейную машину ASCC (Mark-1).
Тем временем физик и математик (по национальности венгр) Джон фон Нейман (1903-1957 гг.), житель США, предложил хранить в памяти вычислительных машин как данные для вычислений, так и программы. Это была основополагающая идея, обеспечивающая вычисления под управлением меняющихся в их ходе данных. Что существенно расширило классы алгоритмов вычислений, доступных вычислительным машинам. Он же предложил классическую архитектуру вычислительных машин, состоящую из следующих узлов:
· арифметико-логическое устройство (АЛУ);
· устройство управления (УУ);
· запоминающее устройство (ЗУ);
· система ввода информации;
· система вывода информации.
Эта архитектура так и названа – фон-Неймановской архитектурой.
Подобные работы велись и в СССР. Так, в 1957 году была создана первая релейная советская счетная машина РВМ-1, превосходящая Mark-2 по скорости вычислений в 14 раз. К этому времени стало ясно, что век электромеханических вычислительных машин окончился. И стали появляться электронные вычислительные машины.
Что нужно для работы в Интернете
Чтобы начать работу в Интернете, нужно иметь компьютер с модемом и договор с местным поставщиком услуг Интернета - провайдером. Интернет - платная услуга, так что получение услуг начинается с оплаты их. Многие провайдеры продают специальные карточки для подключения к Интернету на определенное число часов. Так что достаточно приобрести такую карточку и согласовать по телефону подключение к Интернету.
Возможные (но далеко не все) варианты подключения к Интернету представлены на рис. 4.14. Сама сеть Интернета показана как некоторое облако. Видно подключение четырех компьютеров через модемы по проводным линиям и одного компьютера через радиомодем сотового телефона. Это наиболее вероятные способы подключения компьютеров к сети Интернета.
Рис. 4.14. Способы подключения компьютеров к Интернету
Модемы могут быть внешними и внутренними. Внешние модемы
выполнены в небольших корпусах (см. рис. 3.15, где сверху компьютера виден внешний модем). Такие модемы имеют расширенные органы управления, и их можно переносить от одного компьютера к другому. Внутренний модем – это плата расширения, вставляемая в слот расширения, расположенный на материнской плате ПК внутри его корпуса. Внутренние модемы проще и дешевле внешних. Практически все современные модемы поддерживают скорости до 33-57 Кбит/c, но могут заметно отличаться по устойчивости связи - особенно на российских телефонных линиях. Модемы должны быть сертифицированы по нашим условиям.
Подключение и настройка модема в задачи нашего учебного курса не входит. Она описана в ряде книг, например в [12,13], и может быть легко произведена многими пользователями. Впрочем, людям с гуманитарными способностями лучше воспользоваться услугами своего провайдера, хотя бы ради экономии своего времени и нервов.
Кроме того, для работы в Интернете нужно соответствующее программное обеспечение. Впрочем, в его получении сейчас проблем нет - все операционные системы современных ПК имеют функционально полный набор программ для работы в Интернете. Это программы создания соединения, программа электронной почты и программа для просмотра Интернет-страниц, называемая браузером.
Говоря об Интернете как о некоторой огромной сети, своей электронной мировой паутиной (World Wide Web - или сокращенно WWW) опутавшей весь мир, надо постоянно помнить о том, что она является совокупностью множества самых различных сетей с согласованными правилами (протоколами) работы.
Что такое архитектура компьютера
ПК можно уподобить целому городу, живущему своей жизнью. О любом городе очень многое говорит его архитектура. Знакомясь с ней, можно понять историческую судьбу города и узнать о новых достижениях в его строительстве. Так обстоит дело и с ПК. У современных ПК используется шинная архитектура (рис. 3.6).
Рассмотрим ее узлы более детально.
Что такое информатика?
Можно сказать, что информатика - это область человеческой деятельности, связанная с созданием, накоплением, хранением, преобразованием и представлением информации с целью управления различными объектами. Слово «информатика» происходит от сочетания слов «информация» и «автоматика», хотя это определение не единственное. Совокупность средств и приемов работы с информацией называется информационными технологиями.
Информатику и информационные технологии не следует отождествлять только с компьютеризацией общества. К ним по-прежнему относятся книгоиздание и библиотечное дело, обычные справочные службы, почта, телефон, телеграф, средства радио- и спутниковой связи и многое-многое другое. Но когда говорят о новых информационных технологиях, то чаще всего подразумевают все эти средства, основанные на последних достижениях цифровой
и вычислительной техники. К ним относятся и средства связи и телекоммуникаций, а также технические средства обучения.
Как уже отмечалось, большие объемы информации о чем-либо и правила их применения принято именовать знаниями. С появлением книг, а затем и средств телекоммуникаций возможности тиражирования знаний и их передачи многократно возросли. Появилась многоступенчатая система образования – дошкольного, школьного, высшего, профессионального и даже заочного. Менялся и характер общества – ныне оно стало информационным обществом.
Возникла и новая информационная культура. Ее можно определить как совокупность рациональных и корректных навыков и правил работы с информационными средствами и ресурсами, обеспечивающими необходимый уровень обеспечения информацией любого члена информационного общества и общий прирост информационного потенциала и информационных ресурсов общества. Важно отметить такие правила информационной культуры, как вежливость переписки, недопустимость отправки писем электронной почтой по любому поводу и по любому адресу, недопустимость рекламы в Интернете порнографии или пороков общества, запрет применения компьютерных вирусов и т.д.
Что умеют делать КПК
Ныне КПК – это специализированные компьютеры, имеющие тщательно отобранные и оптимизированные под них компоненты, как аппаратные, так и программные. Минимум этих возможностей следующий:
· работа с текстами формата .txt или .doc
популярного текстового процессора Word;
· работа с электронными таблицами формата Excel;
· выполнение простых вычислений с помощью программного микрокалькулятора;
· ведение электронной записной книжки;
· ведение адресной и телефонных книг на сотни-тысячи позиций;
· выполнение функций календаря, электронных часов и будильника;
· построение и редактирование простых графиков;
· работа с рядом небольших специальных программ;
· обеспечение достаточно длительной работы в автономном режиме.
Нетрудно заметить, что набор услуг карманного компьютера достаточно велик и охватывает наиболее серьезные и часто необходимые виды деятельности. Уже одно это делает карманные компьютеры разумной и экономически оправданной ветвью миниатюрных вычислительных устройств.
Но, как у нас говорят, аппетит приходит во время еды. Оценив возможности первых КПК, многие, уже избалованные техническими новинками, пользователи захотели уже и нечто большего. И, отвечая на их запросы, нынешнее поколение КПК, вдобавок к перечисленным возможностям, обеспечивает:
· стыковку с настольным ПК и полноценный обмен с ним данными, программами и просто файлами;
· ряд новых функций, вводимых картами расширения (например, модема, цифровой видеокамеры, системы определения координат местности и др.);
· выполнение функций компьютерного словаря и переводчика;
· чтение электронных документов, статей и книг;
· быстрое подключение к Интернету и просмотр Интернет-страниц;
· работу в любое время и в любом месте с электронной почтой;
· проигрывание музыкальных файлов формата MP3;
· просмотр и ведение электронных фотоальбомов;
· просмотр видеофильмов в формате MP4;
· беспроводную связь с рядом других устройств, например с сотовыми телефонами.
Цифровое кодирование графики и видео
Немного сложнее кодирование черно-белой графики. Любую точку можно представить набором чисел-кодов: координат по осям X и Y. Имея эти коды, можно построить точку в нужном месте экрана. А из множества точек составить любой рисунок. Однако он будет выглядеть как точечный черно-белый рисунок из старых газет.
Чтобы получить более качественные полутоновые (grayscale) и особенно цветные (color) рисунки к численным координатам каждой точки, придется добавить некоторые коды цвета и иных свойств точек графики (например, признака мигания точки или ее прозрачности). Их принято именовать графическими атрибутами точки.
С позиций математики набор координат точек представляет собой матрицу – прямоугольную таблицу с числами в ее ячейках. Если составить изображение из точек трех основных цветов, например красного (Red), зеленого (Green) и голубого (Blue), то нам придется хранить матрицы трех цветов и помещать в ячейки матрицы числа, определяющие интенсивность каждого цвета (например, от 0 до 1). Это соответствует одной из ряда схем цифрового кодирования изображений, называемой RGB-методом кодирования изображений.
Цифровые диктофоны с твердотельной памятью
Появление цифровых методов преобразования звуковых сигналов и твердотельной памяти позволило решить задачу, еще недавно казавшуюся фантастической, - создать устройства записи и воспроизведения звуков, не содержащие вообще лентопротяжных механизмов. В таких устройствах цифровые сигналы звука записываются в твердотельную флэш-память достаточно большого объема, а для воспроизведения считываются с нее.
Пока широко применяются два класса аудиоустройств с твердотельной памятью:
· диктофоны для записи и воспроизведения речи;
· проигрыватели MP3-файлов с возможностью их обновления в памяти.
Таким образом, о полноценной замене даже кассетных магнитофонов речь пока не идет. Это связано с небольшим объемом памяти и ее дороговизной. Однако несомненно, что устройства с твердотельной памятью, не имеющие сложных и не очень надежных механизмов, в ближайшем будущем полностью вытеснят аудиоустройства с такими механизмами.
На рис. 5.21 показан цифровой диктофон фирмы Aiwa IC-M120/240. Нетрудно заметить, что диктофон имеет минимум органов управления с вполне очевидным назначением. Удлиненная форма диктофона удобна для его размещения в кармане (фирма Samsung выпускает такие диктофоны в форме авторучки). Типичное время записи речи таких диктофонов достигает 2-8 часов.
Рис. 5.21. Цифровой диктофон фирмы Aiwa
IC-M120/240
Рис. 5.22. Диктофон Sony ICD-M с твердотельной памятью
Внешний вид сменных модулей памяти Memory Stick фирмы Sony представлен на рис. 5.23. Эти модули имеют размер в половину большой марки и выполнены в очень прочном пластмассовом корпусе.
Модули Memory Stick - фирменный продукт Sony. Как правило, для цифровых диктофонов других фирм они не подходят. Однако ряд фирм производит подобные диктофоны с применением других модулей флэш-памяти, например MultiMedia Card (MMC), Secure Digital (SD) или Compact Flash (CF).
Цифровые фотоаппараты
Переход от аналоговых форм записи и хранения информации к цифровым распространился на все области деятельности. Этот процесс затронул и такую сферу любительской и профессиональной деятельности, как фотография, - от простых черно-белых и цветных пленок переходят к цифровой фотографии.
Электронный цифровой фотоаппарат во многом похож на своего предшественника - обычный фотоаппарат. Он также имеет камеру, объектив с диафрагмой и шторкой, управляемой затвором, а также все электронные устройства для автоматического определения выдержки, диафрагмы и автоматической фокусировки изображения. Более того, в некоторых электронных фотоаппаратах (рис. 5.44, например) используются корпуса и оптика хорошо зарекомендовавших себя типов 35-миллиметровых фотокамер известных фирм (Canon, Nikon, Minolta и др.). Многие электронные фотоаппараты, как и обычные, имеют и встроенную фотовспышку - при ней съемки в затемненных помещениях получаются более живыми.
Рис. 5.44. Электронный цифровой фотоаппарат Sony DSCF-717
Вместо фотопленки в камере установлена такая же светочувствительная матрица, как и в видеокамере - чаще всего ПЗС. Она создает цифровой сигнал, который запоминается в памяти камеры - обычно это флэш-память, хотя есть и камеры с жесткими и гибкими дисками. Файлы изображения (обычного графического формата) можно переносить в компьютер и передавать по сети Интернета.
Цифровой фотоаппарат обычно снабжен оптическим видоискателем и ЖК-панелью, на которой видно, какое изображение помещается в кадр при выбранных автоматических или ручных настройках. В некоторых моделях зеркальных цифровых фотоаппаратов оптический видоискатель получает световой поток непосредственно от светорегистрирующей матрицы, т.е. оператор видит картину, полностью соответствующую будущему отпечатку.
Органы управления мало чем отличаются от органов управления обычных фотоаппаратов, кроме возможности работы с отснятыми кадрами. Имеются кнопки настройки параметров съемки, работы с меню. К основным кнопкам относятся переключатель режима работы, спуска затвора, вход в меню.
Изображение записывается в графическом формате в сжатом виде, чаще всего в формате JPEG c использованием трех степеней сжатия (высокое, среднее, низкое) в зависимости от требований к качеству снимка. Обычно есть возможность записи и в формате TIF без компрессии, но такие файлы велики по размеру.
Цифровой фотоаппарат Sony DSCF-717 (рис. 5.44) относится к числу полупрофессиональных и довольно дорогих моделей. Он имеет 5-мегапиксельную фотоматрицу, обеспечивающую высочайшее качество цифровых фотографий. Камера дает возможность вывода в реальном времени гистограммы кадра: график, показывающий количество света, попадающего на матрицу, позволит сделать правильную экспокоррекцию. Другая удобная функция – возможность создания директорий на карте памяти MS. Заметим, что емкость входящей в комплект камеры карточки увеличилась; теперь она составляет 32 Мб. На подготовку к работе после включения требуется всего 1,5 сек.
Поворачивающийся объектив Carl Zeiss Vario Sonnar обеспечивает функции ночной съемки и ночного кадрирования. Выдержка: от 1/2000 секунд.
Рис. 5.45. Малогабаритная цифровая камера Sony
DSCP-9
Разумеется, выбранные для примера фотокамеры компании Sony далеко не единственные на рынке таких устройств. Ныне на рынке можно найти десятки цифровых фотокамер самых различных фирм.
Цифровые видеокамеры-фотокамеры
Знакомство с цифровыми видеокамерами и цифровыми фотокамерами показывает, что между ними очень много общего. Поэтому вполне естественной является постепенная интеграция таких устройств. Многие цифровые видеокамеры научились «стрелять одиночными выстрелами», а цифровые фотоаппараты «короткими очередями». В последнее время появились устройства, которые одновременно являются вполне полноценными цифровыми как видеокамерами, так и фотокамерами.
Для фотокамеры Sony Cybershot DSCF-77 (рис. 5.46) число пикселей составляет 4 млн. Эта камера имеет универсальный адаптер, самый современный вариообъектив Carl Zeiss. Отснятые изображения записываются на карту памяти MemoryStick Card (в комплекте MS 16 МБайт). Входящий в комплект камеры универсальный адаптер позволяет просматривать фотографии на экране телевизора, передавать их в компьютер и заряжать аккумулятор камеры.
Поворачивающийся объектив Carl Zeiss обеспечивает удобство съемки, позволяя делять снимки практически под любым углом. Можно снимать даже самого себя! Вы можете сразу просматривать отснятые материалы на удобном ЖК-дисплее, расположенном на задней стенке корпуса. Она может использоваться для киносъемки в формате MPEG Movie HQX. Технология энергосбережения Stamina обеспечивает время работы с аккумулятором NP-FC10 - 1 час 30 мин.
Рис. 5.47. Видеокамера Sony MegaPixel DCRIP-210E
Камера имеет режим burs - съемка 4 кадров с интервалом 0,5 сек или 32 кадров с интервалом 0,07 сек. Сфокусироваться на объекте съемки можно просто дотронувшись до его изображения на дисплее; активный дисплей также поможет отрегулировать экспозицию. Участок, на который наведен фокус, выводится на дисплей с двойным увеличением. С помощью кольца фокусировки можно также управлять зумом 8 предустановок резкости для разных сюжетов; вес видеокамеры – 520 г, размеры – 98х76х136 мм.
Диапроекторы
Экранные средства обучения и воспитания включают аппаратуру диапроекции, т.е. проецирование в проходящих лучах, и эпипроекции, т.е. проецирование в отраженном свете, и представлены проекционными аппаратами различного типа и назначения.
Проекционные аппараты - это оптические устройства, формирующие на экране увеличенное, позитивное, перевернутое, действительное изображение диа– или эпиобъектов. К объектам диапроекции относятся диапозитивы (слайды) и диафильмы, представляющие собой тематически связанную последовательность кадров, расположенных на одной пленке.
Проекционный аппарат - диапроектор (рис. 5.26) состоит из механической и оптической частей. Механическая часть, объединяя конструктивно все элементы аппарата, обеспечивает правильное положение проецируемых объектов перед объективом, их смену, выполнение необходимых регулировок и настроек, а в некоторых аппаратах – автоматическую фокусировку и выдержку времени при смене объектов.
Оптическая часть диапроектора (рис.5.26) состоит из осветительной и проекционной частей и обеспечивает освещение и проецирование объекта.
В большинстве проекционных аппаратов и узкопленочных кинопроекторов применяются кварцевые галогенные малогабаритные (КГМ) лампы накаливания, отвечающие этим требованиям. В названии лампы указываются напряжение питания и мощность, которая определяет световой поток. Например, название КГМ 12-100 определяет кварцевую галогенную лампу, рассчитанную на напряжение питания 12В, мощностью 100 Вт.
Рефлектор
служит для того, чтобы использовался весь создаваемый лампой световой поток, т.е. в отсутствие рефлектора большая часть светового потока не попала бы в объектив. Рефлектор позволяет решить еще одну задачу повышения качества проекции, это будет рассмотрено позже.
Конденсор позволяет сконцентрировать световой поток на кадровой рамке 4, ограничивающей демонстрируемый слайд, и представляет собой систему собирающих линз.
Между линзами конденсора устанавливается оптический теплофильтр (на рис.5.19 не показан), изготовленный из специального стекла, который, задерживая инфракрасные лучи, предохраняет слайд от перегрева.
Объектив представляет собой линзовую оптическую систему и формирует на экране увеличенное изображение объекта. Параметрами объектива являются: фокусное расстояние, относительное отверстие и светосила. Они указываются на оправе объектива.
Главным фокусом называется точка, в которой пересекаются после преломления в объективе лучи, падающие на него пучком, параллельным главной оптической оси, а расстояние главного фокуса от оптического центра объектива называется главным фокусным расстоянием. Оно определяет масштаб изображения (размер изображения).
Относительное отверстие представляет собой отношение диаметра зрачка объектива к его фокусному расстоянию. Например, если фокусное расстояние объектива равно 75 мм, а диаметр его зрачка – 17 мм, то относительное отверстие этого объектива будет 17:75, т.е. 1:4,5.
Светосила характеризует способность объектива к наибольшему пропусканию света и зависит от величины относительного отверстия. Отметим, что светосила объектива с относительным отверстием 1:5,6 больше светосилы объектива с относительным отверстием 1:8.
Линзы современных объективов просветлены, т.е. на их поверхность нанесена тончайшая пленка, позволяющая уменьшить отражение лучей при прохождении их через объектив.
На рис.5.27 приведена схема проекционной части диапроектора, представленной объективом с фокусным расстоянием f. Слева от объектива расположен объект проецирования, представленный в виде стрелки высотой h, острие которой расположено на главной оптической оси. Следовательно, и острие изображения будет расположено на главной оптической оси.
Для построения изображения выбраны два луча, один из которых проходит через центр объектива и, следовательно, не преломляется, а другой, параллельный оси, преломившись, пройдет через фокус объектива.Так построено изображение стрелки на экране высотой H. Расстояние диапроектора до экрана L должно быть именно таким, как указано на рисунке, именно в этом случае каждая точка объекта проецируется в точку, и его изображение будет резким. В случае, если экран расположен ближе или дальше, чем показано на рисунке, то каждая точка объекта проецируется в пятно, и изображение будет нерезким. Подобие треугольников aOb и AOB позволяет записать соотношение h/H=Ob/L. Заменив в этом соотношении Ob на f, что не приведет к значительной погрешности, окончательно получим h/H=f/L.
Последнее соотношение позволяет определить, на каком расстоянии от экрана следует установить проекционный аппарат, чтобы получить изображение требуемого размера. Кроме того, из этого соотношения следует, что больший размер (масштаб) изображения получается при использовании объектива с меньшим фокусным расстоянием.
Дидактические возможности информационной среды обучения
Практическая реализация учебного процесса, направленного на единство образования, развития и воспитания учащихся, основывается на общих дидактических принципах, к важнейшим из которых относятся: наглядность, активность и сознательность, научность, проблемность, содержательность, доступность, систематичность и последовательность, прочность процесса обучения.
Методы обучения, будучи способами организации учебно-познавательной деятельности учащихся, основываются на этих принципах, а ИСО, как одна из составляющих учебного процесса, позволяет эффективно реализовать методы обучения.
Рассмотрим требования к ИСО и ее возможности с точки зрения реализации с ее помощью основных дидактических принципов, которые по отношению к ИСО можно условно разделить на две группы.
К одной группе отнесем принципы, имеющие общий характер и учитываемые как при прямом информационном взаимодействии учителя и учеников, так и при организации дидактического материала в условиях использования ИСО (научность, проблемность, содержательность, доступность, систематичность и последовательность, прочность процесса обучения). Другими словами, информационные потоки ИП1 и ИП3
должны представлять учащимся научно-обоснованную и достоверную информацию в доступной и удобной для ее использования форме, учебная информация должна включать познавательные вопросы, задачи и проблемы, вызывающие у учащихся потребность в познании, необходимость решения познавательной проблемы. В этой связи необходимо отметить высокую информационную насыщенность ИСО.
Ко второй группе дидактических принципов отнесем принцип наглядности и принцип активности и сознательности обучения, в реализации которых ведущая роль принадлежит ИСО.
Принцип наглядности неразрывно связан с использованием различных компонентов ИСО в различных комбинациях, которые обеспечивают непосредственное наблюдение и изучение явлений, предметов, их взаимосвязи. Использование на уроке средств наглядности облегчает и упрощает процесс обучения, делает его более интересным, помогает учащимся на основе конкретных фактов осмыслить стоящие за ними абстрактные понятия и положения.
Универсальность ИСО позволяет использовать ее в различных учебных ситуациях: при передаче учащимся новых знаний, при их закреплении, при выполнении упражнений и решении задач, при контроле знаний учащихся.
Принцип активности и сознательности обучения очень важен и, в конечном счете, определяет успех учебного процесса. Активное соучастие учащихся в учебном процессе служит непременным условием эффективного усвоения учебного материала, побуждает учащихся к самостоятельным объяснениям наблюдаемых на уроке (принцип наглядности!) процессов и явлений. Особенно эффективным в реализации этого принципа является использование в учебном процессе средств ВТ. Работа учащегося с диалоговой учебной программой, как и любой диалог, представляет собой активную форму информационного взаимодействия.
Принцип прочности знаний предполагает всестороннее осмысление учащимися полученных знаний и их усвоение на этой основе. Кроме того, должна осуществляться регулярная и всесторонняя проверка знаний. Применение средств ВТ для контроля знаний учащихся представляется весьма эффективным направлением их использования в школе, поскольку позволяет в большой степени освободить преподавателя от рутинной и трудоемкой работы по контролю знаний, чтобы он имел время для индивидуальной работы с учащимися.
Диски DVD
Теперь поговорим о новинке видеотехнологий - дисках DVD (Digital Versatile Disc). Хотя внешне эти диски почти неотличимы от VD-ROM, это диски специальной конструкции. Для увеличения плотности записи у них применяются полупроводниковые лазеры с длиной волны 0,635-0,65 мкм вместо прежних 0,76 мкм. Смена цвета излучения лазера благоприятно сказалась на разработке оптических систем для фокусировки лазерного луча. Удалось уменьшить диаметр сфокусированного луча до 0,5 мкм и меньше, что обеспечивает уверенное считывание информации с сузившихся информационных дорожек с повышенной плотностью питов. Все это, вместе взятое, позволило увеличить объем записанной информации даже на однослойном диске до 4,7 Гбайт (вместо 0,7 Мбайта на обычном CD-ROM).
Укорочение длины волны лазера привело к тому, что для фокусировки потребовалось уменьшение вдвое толщины основы диска - до 0,6 мм. Однако такой диск оказался слишком тонким и ломким. Поэтому пришлось сверху основного диска «приклеить» еще один, также толщиной в 0,6 мм. Так появились первые однослойные DVD диски.
Конструкторы довольно быстро догадались, что второй диск можно сделать также с питами. При этом делалось два диска, и они «склеивались» теми сторонами, на которых расположены питы. Так появились двухслойные диски с емкостью до 8,5 Гбайта. Для перехода от одного слоя к другому надо просто сместить лазерную головку примерно на 40 мкм - на столько отличаются поверхности с питами у двух информационных слоев. При этом считывается только тот слой, на котором лазерный луч сфокусирован. После проигрывания одного слоя проигрыватель таких дисков автоматически переходит на второй слой, а благодаря памяти на несколько секунд такой переход не заметен для зрителей.
Эта идея была развита дальше - появились диски с двумя информационными слоями на одной поверхности и даже с четырьмя на сдвоенных дисках. В последнем случае приходится использовать две лазерные головки, направляющие лучи на обе стороны диска.
Зато емкость такого, по существу четырехслойного, “пирога” возрастает до 17 Гбайт.
Итак, ныне DVD диски могут быть четырех основных типов:
1. Односторонние однослойные (4,7 Гбайт)
2. Односторонние двухслойные (8,5 Гбайт)
3. Двухсторонние однослойные (9,4 Гбайт)
4. Двухсторонние двухслойные (17 Гбайт).
Увеличение информационной емкости нового поколения дисков позволило применить метод сжатия информации MPEG-2, дающий лучшее качество изображения, но требующий существенно большей емкости на каждую минуту проигрывания. Тем не менее, типичное время проигрывания – 135 минут, что вполне достаточно для записи полнометражного фильма. При этом гарантируется HiFi качество стереофонического (и даже пространственного) звукового сопровождения по схеме 5+1.
Сигналы звукового сопровождения могут кодироваться 16, 20 и 24 разрядами с применением линейной кодоимпульсной модуляции. Предусмотрены частоты квантования 48 и даже 96 кГц, что дает верхний предел для звуковых частот в 22 и 44 кГц. Последнее делает DVD диски интересными для любителей высококачественного звука, которых не удовлетворяют обычные звуковые компакт-диски с частотой квантования 44,1 кГц. Кстати говоря, они могут считываться проигрывателями DVD дисков, но для этого требуется смещение лазерной головки на 0,6 мм, для фокусировки лазерного луча не внутри диска, а на его поверхности.
Хотя технология изготовления дисков DVD была разработана и многие фирмы (Matsushita, Thomson, Philips, Samsung, Sony и др.) уже не раз демонстрировали такие диски на выставках и презентациях, фирмы не спешили к подготовке массового производства дисков DVD. Долго решались вопросы защиты дисков от копирования. В США, например, требуют маркировки дисков специальными кодами для регулирования каналов импорта дисков.
Здесь уместно отметить, что DVD выпускаются с разными настройками на разные зоны. В настоящее время это следующие зоны:
1. США и Канада.
2. Европа, Япония, ЮАР, страны Среднего Востока.
3. Юго-Восточная Азия и Тайвань.
4. Австралия, Южная Америка, Латинская Америка, Новая Зеландия.
5. Африка (кроме ЮАР и Египта), Индия, Пакистан, Россия и страны СНГ.
6. Китай.
7. ALL - поддержка всех регионов.
Деление на зоны, к сожалению, стало следствием диктата фирм, производящих видео- и аудиопродукцию высокого класса. Если вставить в DVD-драйв диск, не относящийся к его зоне, то считывание информации окажется просто невозможным.
Дискретные и цифровые сигналы
Дискретные сигналы - это сигналы, которые можно представить дискретными уровнями их параметров. Скажем, выключатель света в вашей комнате может быть либо только включенным, либо только выключенным. Сигнал о его состоянии будет дискретным и двоичным. Если этих уровней много, можно говорить о цифровом представлении информации. Сигналы, мгновенные значения которых представлены числами, принято называть цифровыми сигналами.
 |
Аналоговый сигнал можно квантовать, т. е. представлять его рядом ступенек, высота которых задается уровнем сигнала в начале каждой ступеньки (в момент выборки) и остается неизменной на протяжении каждой ступеньки (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Квантование электрического сигнала синусоидальной формы
В общем случае производят выборку (вырезку) сигналов в определенные моменты времени (рис. 1.4). Они могут равномерно или неравномерно отстоять друг от друга. Выборку электрических сигналов и их представление в виде чисел или кодов конечной разрядности выполняют так называемые аналого-цифровые преобразователи - АЦП. В результате на выходе АЦП мы имеем дискретный сигнал, представленный потоком чисел (кодов). Главные показатели АЦП - это их разрядность (число уровней квантования, обычно выражаемое в двоичном виде) и скорость выполнения преобразований (число операций в секунду).
Рис. 1.4. Аналоговый сигнал произвольного вида и его выборки
Обратное преобразование цифровой информации в аналоговую выполняют цифро-аналоговые преобразователи – ЦАП. Для наиболее распространенных электрических сигналов АЦП и ЦАП выпускаются в виде больших интегральных микросхем, особенности которых мы рассмотрим чуть ниже.
Дисплеи ПК на электронно-лучевой трубке
Домашние компьютеры – «доски»
Тем временем множество фирм (Atari, Commodore и др.) буквально забросали прилавки магазинов своими бытовыми ПК, в народе образно названных «досками». Эти ПК имели вид клавиатуры, с которой был объединен системный блок. В качестве дисплея применялся обычный телевизор, а в качестве накопителя информации - кассетный магнитофон. Все это упрощало и удешевляло компьютер.
Тем не менее дешевые домашние компьютеры 80-х годов были серьезными вычислительными машинами. Многие из них программировались на десятках языков программирования, могли использоваться для подготовки текстов и рисунков, обладали незаурядными звуковыми средствами и, разумеется, позволяли играть с десятками тысяч созданных для них игр.
Домашние видеотеатры
Вовсе не компьютеры и прочие современные аудиовизуальные устройства первыми донесли до нас могучее и подчас таинственное и не вполне объяснимое влияние сочетания видео- и аудиоинформации. Первым был кинематограф. Вспомним крылатую фразу вождя мирового пролетариата В. И. Ленина: «Из всех искусств для нас важнейшим является кино».
Хорошо известно, что просмотр фильма в хорошем кинотеатре доставляет куда больше удовольствия, чем просмотр по телевизору. Почему? Есть как минимум три важных обстоятельства - высокое качество наблюдаемого «живого» видеоизображения, реальность его звукового сопровождения и отсутствие мерзкой рекламы. До сих пор качество просмотра фильмов было намного выше, чем предусмотренное телевизионными стандартами (не говоря уже о стандартах для дешевых видеомагнитофонов, вроде VHS). К тому же в современных кинотеатрах использованы многоканальные системы звуковоспроизведения, приближающие звуковую обстановку сюжетов фильмов к естественной, словом, создающие виртуальную звуковую реальность.
С появлением проигрывателей DVD кино пришло в наш дом в виде так называемых домашних видеотеатров. Домашний видео-театр – это довольно обширный комплекс видео- и аудиосредств, позволяющий пользователю организовать высококачественный просмотр видеофильмов с виртуальной (кажущейся) звуковой реальностью.
Просмотр видеофильмов для домашних видеотеатров производит неизгладимое впечатление, порою он просто ошеломляет. Создается полная иллюзия присутствия пользователя в месте действия событий, о которых повествуется в фильме. Вы, к примеру, слышите пение птиц и стрекот кузнечиков не только спереди, но и с боков и даже сзади. Вы можете следить за перемещениями певца по сцене и ощущать перемещение звуков его песни. А грохот грома с раскатами заставит вас вздрогнуть и покрыться мурашками (не хватает только вылить на вас ведро воды, но и эта реальность не за горами). Не случайно одним из первых видеофильмов для домашних видеотеатров стал «Парк юрского периода» - картина, познавательное значение которой трудно переоценить, как и мастерство примененных в ней видео-, аудио- и компьютерных эффектов.
Домашний видеотеатр обычно состоит из следующих компонентов;
· высококачественного телевизора или проектора;
· проигрывателя дисков DVD;
· усилительного комплекса или ресивера (УКВ приемника с многоканальным усилителем) обычно на 6 каналов (схема 5+1);
· нескольких акустических систем.
Любой высококачественный телевизор пригоден в качестве основы домашнего видеотеатра. Новые телевизоры с широким экраном (отношением сторон 16/9, как в широкоэкранном кино, вместо обычного 4/3), повышенной частотой смены кадров (100 Гц вместо 50), устраняющей мерцание экрана, и, наконец, недавно появившиеся телевизоры с высокой четкостью и плазменной панелью позволяют уже сегодня получить качество изображения намного лучшее, чем в обычном кино.
За рубежом уже вовсю начато телевизионное, в том числе спутниковое, вещание в форматах видеотеатров, описанных ниже. У нас такое вещание пока не ведется. Владельцы спутниковых телевизионных систем могут принимать ряд зарубежных телевизионных каналов, вещающих на домашние видеотеатры. Но при этом придется установить на балконе или крыше громоздкую антенну – «тарелку» и приобрести еще ряд электронных устройств - конвертор, тюнер и систему управления антенной.
Эффекту реализма в большой мере содействует применение в домашнем видеотеатре многоканальной системы пространственного звучания. Но многоканальные системы с прямой передачей звуковых сигналов по каждому каналу слишком дороги даже для профессиональных применений. Поэтому применяются системы звуковоспроизведения, основанные на применении двух обычных стереофонических каналов с дополнительной передачей по ним пространственных (объемных) эффектов звуковоспроизведения.
К ставшим стандартными двухканальным системам объемного звучания принадлежит система Dolby Pro Logic Surround, разработанная известной своими пионерскими достижениями в области электроакустики фирмой Dolby Laboratories.
Система ориентирована на озвучивание домашних видеотеатров. Однако сейчас она широко применяется даже в обычных музыкальных центрах фирм Aiwa, Philips, Sony, Technics. Эта система преобразует двухканальное звуковоспроизведение в многоканальное и обеспечивает совместимость акустических трактов. Это значит, что видеофильмы с многоканальным воспроизведением можно просматривать в системе с обычным стереофоническим звуковым сопровождением (но не наоборот!).
Для реализации системы домашнего видеотеатра входящий в ее состав усилитель (отдельный или в составе телевизора или видеомагнитофона) должен быть оснащен специальным процессором Logic Suround, выполненным в виде микросхемы и превращающим исходную двухканальную систему фактически в трехканальную. На выходе матричного декодера появляются обычные стереофонические сигналы для левого и правого фронтальных громкоговорителей и монофонический сигнал для центрального громкоговорителя. Этот дополнительный центральный громкоговоритель устраняет провал в звуковом поле, который нередко наблюдается у обычных стереосистем, особенно если основные (фронтальные) колонки расставлены на значительном расстоянии друг от друга.
Две задние колонки обеспечивают неплохое воспроизведение звуков, идущих сбоку (в этом им помогают и основные колонки) и сзади. На эти колонки подается тот же центральный сигнал, но со сдвигом фазы на +90 градусов для левой и -90 градусов для правой колонок. Для этого в усилитель вводятся широкополосные фазовращатели и дополнительные оконечные каскады усиления мощности (их мощность обычно в 3-4 раза меньше мощности основных усилителей).
Если дополнительные колонки (центральная и задние боковые) отключены, по система дает самое обычное стереофоническое воспроизведение как обычных стереофонических программ, так и специально записанных программ. Обычные программы, записанные без спецэффектов, воспроизводятся системой также без искажений (по крайней мере теоретически). Но, разумеется, в этом случае эффекта локализации отдельных звуков в пространстве нет.
Так что, если у вас нет записей по системе Dolby Pro Logic, то приобретение комплекса с этой системой лишено практического смысла.
Можно согласиться с тем, что пять акустических систем в одной комнате явно многовато! Но, к счастью, ощущение пространственного расположения звука дают лишь средние и высокие частоты. Поэтому в дополнительных колонках нет особого смысла воспроизводить низкочастотные звуки с частотами ниже 100 Гц. Для воспроизведения других частот эти колонки могут иметь небольшие размеры, и проблемы с их размещением не столько связаны с ними самими, сколько с тянущимися к ним проводами. Хотя уже есть и беспроводные системы с активными колонками, но они пока дороги.
Система пространственного звучания THX является дальнейшим развитием рассмотренной выше системы Dolby Pro Logic Surrond. Это система будущего, поскольку она обеспечивает дальнейшее повышение качества пространственного звуковоспроизведения. Она создана фирмой Lucasfilm на базе профессиональных систем такого рода, применяемых в современных широкоэкранных кинотеатрах. Перенос профессиональной системы в быт позволяет получить качество звукового сопровождения, не уступающее тому, которое присуще новейшим кинотеатрам (увы, конечно, не тем, куда мы все реже и реже ходим).
Технически реализация системы THX выглядит заметно сложнее. Достаточно отметить, что для декодирования по этой системе приходится использовать два декодера Dolby Pro Logic и дополнительный декодер THX. Опуская дальнейшие, сугубо технические, подробности, отметим, что фактически в этой системе появляется еще один центральный канал и число примененных акустических колонок возрастает до шести.
В состав домашних видеотеатров входят сравнительно новые акустические устройства, впрочем, уже известные любителям аудиотехники - это сабвуферы (Sound Woofers), или мощные низкочастотные акустические колонки, создающие звуковые колебания большой интенсивности с частотами от 18-30 до 100-120 Гц. Последнее придает естественность звукам грома или пушечных выстрелов, звучанию больших барабанов и иных крупных инструментов, например, таких, как церковный орган.
Еще совсем недавно минимальная стоимость оборудования домашнего видеотеатра составляла 5-10 тысяч долларов. И применение домашнего видеотеатра в качестве средства ТСО было скорее редчайшим исключением, чем правилом. Но времена меняются и ныне комплект домашнего видеотеатра (все, кроме телевизора) можно приобрести всего за несколько сот долларов.
Примером такого дешевого и достаточно высококачественного домашнего видеотеатра является комплект DAV-S400 корпорации Sony. Внешний вид его представлен на рис. 5.49. Развертывание домашнего видеотеатра DAV-S400 не потребует специальных знаний для установки и подключения.
Рис. 5.49. Комплект для домашнего видеотеатры DAV-S400 корпорации Sony
Стильная и чрезвычайно компактная система Sony DAV-S400 способна воспроизводить диски DVD, CD, VideoCD, а также, в отличие от модели прошлого года, к ним добавлены диски Super Audio CD (в т.ч. многоканальные) и CD-R / CD-RW. Выходная мощность увеличена до 40 Вт на каждый из пяти каналов и 100 Вт на сабвуфер. Имеется встроенный радиоприемник FM/MW.
Система оснащена встроенными декодерами Dolby ProLogic, Dolby Digital и DTS с 5+1-канальным звуком. В комплект входят 5 акустических систем, сабвуфер, пульт дистанционного управления, комплект соединительных проводов и документация. Развертывание системы занимает от силы несколько минут.
Столь же элегантно и функционально выглядит комплект для домашнего видеотеатра компании Aiwa XR DV 701. Он представлен на рис. 5.50. Возможности этого комплекта аналогичны уже описанным.
Подобный набор становится стандартным для видеотеатров и выпускается в настоящее время многими фирмами. Это позволяет надеяться на быстрое распространение такой техники в быту.
Два класса микропроцессоров (CISC и RISC)
Микропроцессоры выпускаются двух классов:
· CISC (Complex Inctruction Set Commands) – процессор с полным набором инструкций (команд);
· RISC (Reduced Inctruction Set Commands) – процессор с сокращенным набором инструкций.
Самые распространенные микропроцессоры Pentium относятся к категории CISC, хотя внутри и используют архитектурные решения RISC процессоров. RISC процессоры используются в ПК корпорации Apple, в серверах и рабочих станциях IBM и Sun Microsystems. Процессоры этого типа нередко применяются и в карманных компьютерах, поскольку они менее сложны технологически и потребляют меньше электрической энергии по сравнению с процессорами класса CISC. Особых преимуществ друг перед другом процессоры этих классов не имеют и развиваются параллельно.
DVD-драйвы
Теперь поговорим о новинке видеотехнологий – цифровых универсальных дисках DVD (Digital Versatile Disc). Для чтения этих новых дисков, внешне таких же, как CD-ROM, применяются полупроводниковые лазеры с меньшей длиной волны - 0,635-0,65 мкм. За счет этого удалось уменьшить диаметр сфокусированного луча до 0,5 мкм и обеспечить уверенное считывание информации с сузившихся информационных дорожек с повышенной плотностью питов. Все это позволило увеличить объем записанной информации даже на однослойном диске до 4,7 Гбайт.
Укорочение длины волны лазера привело к тому, что для фокусировки потребовалось уменьшение вдвое толщины основы диска - до 0,6 мм. Однако такой диск оказался слишком тонким и ломким. Поэтому пришлось сверху основного диска «приклеить» еще один пустой диск. Так появились первые однослойные DVD-диски.
Конструкторы довольно быстро догадались, что второй диск можно сделать также с питами. При этом оба диска склеивались теми сторонами, на которых расположены питы. Так появились двухслойные диски с емкостью до 8,5 Гбайта. Для перехода от одного слоя к другому надо просто сместить лазерную головку примерно на 40 мкм именно настолько отстоят друг от друга поверхности с питами у двух информационных слоев.
Затем эта идея была развита дальше - появились диски с двумя информационными слоями на одной поверхности и даже с четырьмя на сдвоенных дисках. В последнем случае приходится использовать две лазерные головки, направляющие лучи на обе стороны диска. Емкость такого диска возрастает до 17 Гбайт.
Дисководы DVD стоят заметно дороже CD-ROM-драйвов. Современные дисководы DVD поддерживают воспроизведение звуковых, видео- и программных файлов большинства ранее известных форматов. Здесь уместно отметить, что DVD-драйвы выпускаются с разными настройками на разные зоны. Например, зона 1 - это США и Канада, зона 4 - Россия и страны СНГ, 6 – все зоны. Сейчас наиболее удобны мультизонные DVD. Выпуск таких дешевых дисков освоен в России, хотя и не всегда на законных основаниях.
Файловые системы
Операция форматирования наносит на диски систему магнитных меток. Эта операция реализована в операционных системах ПК. Информация на дисках хранится в виде файлов – наборов данных, имеющих определенную структуру, заголовок и признак конца. Заголовок файлов состоит из имени и расширения, указывающего на тип файла. Они разделяются точкой, например: let.txt – текстовый файл формата ASCII, let.doc – файл текстового редактора Word. Расширения .exe и .doc задаются исполняемым файлам, т. е. программам в машинных кодах, расширения .bas, .pas и т.д. – относятся к файлам языков программирования Бейсик, Паскаль и т.д.
Каждый диск (как жесткий, так и гибкий) имеет системную загрузочную область и специальную таблицу FAT
(Files Allocation Table), в которую занесен порядок расположения файлов на диске и указаны названия файлов. Эта таблица - аналог библиотечному каталогу. Таких таблиц даже две – основная и резервная. Если основная таблица оказывается испорченной, она восстанавливается с помощью резервной таблицы.
Файлы на диске хранятся в виде отдельных блоков – кластеров (не путайте с кластерами ЭВМ). Размеры их зависят от типа файловой системы компьютера. Операционные системы MS-DOS и Windows 95 использовали операционную систему FAT16 (или просто FAT), которая отводила на адресацию кластеров 16 двоичных разрядов. Таким образом, число кластеров составляло 216=65536. Максимальный размер кластера составлял 32 Кбайта, а диска – 2 Гбайта.
Кластер задает минимальный объем памяти, отводимой под запись файла. Даже если информация в файле занимает всего несколько байт, кластер будет отведен под нее полностью. По этой причине реальная емкость дисков может оказаться заметно меньше расчетного значения. Уже у дисков с емкостью около 2 Гбайт может теряться до 30% их емкости.
Для устранения этого серьезного недостатка используется разбивка
одного диска на несколько логических дисков (разделов). Для этого используются специальные утилиты MS-DOS, и этот процесс подробно описан в старой литературе по компьютерам.
Обычно гибкие диски имеют имена A и B, а жесткий диск – C. Если он разбит на разделы, то появятся логические диски с именами D, E и т.д.
Уже во второй редакции Windows 95, а затем и в массовой Windows 98 появилась файловая система FAT32 с 32-разрядной таблицей размещения файлов. В ней 232
кластеров, а максимальный размер кластера 32 Кбайта. Это означает, что емкость жесткого диска может доходить до 2048 Гбайт или до 2 Тбайт. При реально используемой емкости жесткого диска до десятков гигабайт размер кластера уменьшается до 4 Кбайт. Это ведет к существенному уменьшению потерь дисковой памяти.
Иногда при записи даже небольшого файла Windows сообщает, что емкость диска исчерпана. Это часто связано с хранением так называемых временных файлов, которые создает как сама операционная система, так и некоторые прикладные программы. Одним из источников больших по размеру временных файлов является так называемая виртуальная память, широко используемая в операционных системах класса Windows.
По этим причинам в последнее время даже при использовании дисков с емкостью 5-40 Гбайт разбивка их на логические разделы часто не практикуется. Да и зачем она? Вы можете создавать на диске сколько хотите папок со своими именами и пользоваться ими для хранения своих файлов. Предоставьте Windows делать то, что она умеет – рационально распределять дисковое пространство.
Файлы, записанные на диск, могут занимать множество кластеров, причем они могут располагаться в самых разных местах диска. Ясно, что разрывный характер файла замедляет его считывание. Поэтому созданы специальные программы - дефрагментаторы, которые объединяют кластеры в одну цепочку и ускоряют считывание информации.
С кластерами связана еще одна проблема - они могут оказаться дефектными, например, из-за сбоя программы или отключения электропитания в момент, когда файл не успел полностью записаться на диск. Наконец, случается, что один и тот же кластер захватывается двумя файлами, что чревато потерей информации при модификации или стирании одного из файлов.Есть специальные программы, которые убирают дефектные кластеры и ликвидируют их сцепление.
Наконец, нельзя не упомянуть реестр файлов (registry), входящий в операционные системы класса Windows. Реестр – это специальным образом организованный каталог всех средств ПК – аппаратных и программных. Установка или удаление любого устройства или программного средства фиксируется в реестре. Реестр, как и файловая таблица, дублируется и восстанавливается при случайной порче. Существует специальная программная утилита – редактор реестра. Ее применение рекомендуется только опытным пользователям.
Факторы, приведшие к созданию ЭВМ
Переход общества от аграрной к индустриальной экономике привел к чудовищному росту объемов вычислительных работ в социальной и научно-технической сферах. Механические и электромеханические устройства имели слишком низкую скорость работы и малую надежность. Сильно досаждал и шум таких устройств.
Между тем в начале ХХ века появились первые электронные лампы, скорость работы которых в тысячи раз превосходила скорость работы реле. Еще в 1913 году русский ученый Бонч-Бруевич первым соединил выход неинвертирующего входной сигнал нелинейного усилителя на двух электронных лампах с его входом. Тем самым он создал электронную систему с положительной обратной связью. Так появился ламповый триггер! Но в то время в роли запоминающего устройства триггер на больших вакуумных лампах еще не был затребован. Лампы были больше по размерам, чем реле, и куда их сложнее.
Тем не менее ламповая радиотехника и радиоэлектроника дали огромный толчок в развитии ЭВМ. Но случилось это далеко не сразу. В годы второй мировой войны лампы и устройства (схемы) на них уже широко применялись для связи и радиолокации. В быт входило радиовещание и телевидение - вначале черно-белое, а затем и цветное. Для радиоприемных устройств мощные и большие электронные лампы были не нужны, а потому появились миниатюрные пальчиковые и даже сверхминиатюрные электронные лампы.
Возникла и бурно развивалась импульсная техника, создающая и обрабатывающая импульсные сигналы, характерные для вычислительных устройств. Стало ясно, что необходимые для построения быстрых вычислительных машин цифровые и логические устройства можно построить на электронных лампах.
Война принесла многим народам неисчислимые беды и страдания. Но она же показала, что войскам воюющих сторон остро нужны высокоточные и высокоскоростные вычислительные устройства. Механические и электромеханические вычислители артиллерийских устройств не успевали следить за быстро пролетающими самолетами и даже за внезапно появляющимися из укрытия танками.
А прицельное бомбометание из быстро летящих самолетов было целым искусством. Так же, как и прицельная стрельба из быстро движущихся по неровной местности танков.
В итоге, на поражение единичной цели порой уходили сотни дорогих снарядов. Быстрые и мощные вычислители требовались для систем самонаведения артиллерийских снарядов, ракет и торпед на цель, для учета быстро изменяющейся обстановки на поле боя и планирования огромных по своим масштабам операций снабжения.
По окончании войны стало ясно, что такие устройства нужны и для мирных целей - прогноза погоды, выполнения все усложняющихся научных и экономических расчетов. Развитие атомной энергетики и создание различных видов ядерного оружия потребовали выполнения огромной работы по моделированию ядерных взрывов и работы ядерных реакторов. Не менее сложными оказались расчеты при проектировании аэрокосмических аппаратов, которое началось вскоре после войны (а в некоторых областях и раньше).
Формы адекватности информации
Обычно информация должна быть адекватна образу (объекту), который она описывает. Различают три формы адекватности информации:
· синтаксическая, отражающая формально-структурные свойства информации без учета ее смыслового содержания
· семантическая (смысловая), отражающая смысл информации и позволяющая судить о соответствии информационного образа объекта и самим объектом;
· прагматическая (потребительская) ценность информации для тех целей, ради которых она используется.
Ниже мы рассмотрим эти формы и отвечающие им меры информации более подробно.
Гигагерцевая оптоэлектроника
Многоканальные световолоконные кабели ныне проложены между континентами, странами и городами. Они вместе с узлами (крупными компьютерными центрами) образуют распределенные сети национального и регионального значения и входят в состав глобальной сети Интернета. В последнее время более дешевые световолоконные кабели подводятся и к обычным жилым домам, что открывает возможности получения услуг скоростного Интернета.
Уже давно ведутся исследования в области оптоэлектроники. Несомненен прогресс в создании световолоконных кабелей, передающих на дальние расстояния световые сигналы с частотами до 10 ГГц и выше. Но только с появлением СБИС и новейших микроэлектронных технологий появились возможности создания оптико-электронных интегральных микросхем, работающих с такими частотами.
Предел пропускной способности световолоконных линий связи теоретически составляет десятки Тбит/c. Однако реальная пропускная способность таких линий была на 4-5 порядков ниже и достигает 10 Гбит/с. Intel удалось создать транзисторы и СБИС терагерцевого диапазона (см. Главу 1) и разработать специальную технологию упаковки информации во много информационных каналов, передаваемых по одному световолокну.
Эта технология названа DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing – плотное мультимлексирование по длине волны). На большие расстояния удается передавать несколько каналов с пропускной способностью каждого 10 Гбит/c. Ожидается повышение ее до 40 Гбит/c с перспективой передачи по одному волокну триллиона бит в секунду. Это превосходит весь мировой трафик Интернета в настоящее время.
АРХИТЕКТУРА И УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ
3.1. Зарождение индустрии персональных компьютеров
Главных вопросов
1. Что такое информация и какова ее роль?
2. Как оценивается адекватность информации?
3. В каких единицах измеряется объем информации?
4. Какие виды чисел вы знаете?
5. Какими свойствами обладает синусоидальный сигнал?
6. Чем аналоговая информация отличается от цифровой?
7. Какие цифровые информационные устройства и системы вы знаете?
8. Что такое знания и информационная культура общества?
9. Приведите примеры информационных взрывов.
10. Расскажите об основных вехах в истории компьютеров.
1. Расскажите историю развития микропроцессоров до появления Pentium II корпорации Intel.
2. Каковы главные особенности нового поколения микропроцессоров класса Pentium II, III и 4 корпорации Intel?
3. Какие типы микропроцессоров Celeron вы знаете и в чем их особенности?
4. Какие новые команды введены в процессоры Pentium MMX, Pentium II и Pentium III?
5. Что нового реализовано в процессорах Pentium 4?
6. Каковы особенности микропроцессоров других фирм?
7. Какие узлы содержит микропроцессор и каковы их функции?
8. В чем основные особенности мобильных процессоров?
9. Какие особенности характерны для микропроцессоров карманных компьютеров?
10. Какие эмпирические законы относятся к развитию микропроцесоров и в чем их суть?
1. Назовите все виды сетей, которые вы знаете.
2. Какие вы знаете способы повышения скорости передачи данных через линии связи?
3. Как распространяется свет в световолокне?
4. Как устроены лазерные светоизлучающие диоды?
5. Какие структуры компьютерных сетей вы знаете?
6. Что такое инфракрасный порт и как он работает?
7. Для чего применяются модули Bloetooth?
8. Как организована работа сотовой радиотелефонной сети?
9. Как устроен сотовый телефон и какими он обладает возможностями?
10. Каковы особенности передачи информации в Интернете?
1. Какова связь между физическими параметрами звука и соответствующими им ощущениями?
2. Каковы основные принципы звукозаписи (магнитной и оптической) и их сравнительная помехозащищенность?
3. Каковы конструкция, устройство и приемы управления аппаратурой звукозаписи?
4. Какова связь между физическими параметрами оптического сигнала и соответствующими им ощущениями?
5. Какую аппаратуру экранной статической проекции вы знаете, каковы ее особенности и возможности, как рассчитать расстояние от проектора до экрана?
6. Какую аппаратуру экранно-звуковых средств обучения и воспитания вы знаете, каковы ее особенности и возможности?
7. Каковы основные принципы телевидения и видеозаписи, как правильно соединить видеомагнитофон и телевизор?
8. Каковы возможности и устройство современного мульти-медиапроектора?
9. Как устроены современные аналоговые и цифровые видеокамеры и цифровые фотоаппараты?
10. Как устроены современные цифровые фотоаппараты?
Головные телефоны - наушники
Иногда нужны малогабаритные устройства для прослушивания звуков. К ним относятся наушники, или головные телефоны. Два телефона, снабженные оголовьем, называются головными телефонами (наушниками). Принцип работы телефона аналогичен принципу работы громкоговорителя. Однако капсулы наушников представляют собой очень миниатюрные динамики, потребляющие малую мощность - порядка нескольких мВт.
Поскольку наушники надеваются на уши, то при достаточно плотном контакте акустическое короткое замыкание отсутствует. Это, наряду с малой и тонкой мембранной позволяет получить очень высокое качество воспроизведения звука. Многие наушники имеют диапазон частот от 20 Гц до 20 кГц и даже выше, т.е. полностью охватывают диапазон частот звуковых колебаний. Индивидуальный характер прослушивания также имеет ряд положительных моментов - можно слушать музыку, не мешая окружающим.
Телефоны с металлической мембранной над электромагнитом, применяемые в старых телефонных трубках, имеющих металлический и дребезжащий звук, уже давно ушли в историю. По старинке они еще применяются в обычных телефонных аппаратах. Современные наушники обеспечивают высочайшее качество звучания. При этом наушники имеют весьма разнообразную конструкцию.
Стереофонические наушники классической конструкции (рис. 5.8) имеют два капсуля - головки и дугу, которая одевается на голову. Дуга надежно придавливает капсули к ушам, что способствует хорошему воспроизведению низких частот и подавлению внешних шумов. На капсули надевают пористую прокладку для защиты капсулей от пота - увы, но при жаркой погоде уши в таких наушниках могут запотевать.
Рис. 5.8. Наушники (головные телефоны) стандартной конструкции - Sony MDR 201TV
Рис. 5.9. Наушники Sony MDRQ 33LPS с индивидуальным креплением на каждое ухо и сменными вкладками
Рис. 5.10. Миниатюрные наушники Sony MDRE 818LP, вставляемые в уши
Есть и ряд других типов головных телефонов, отличающихся типом крепления к ушам, размерами и техническими характеристиками. В частности, для особо высококачественного прослушивания применяются большие наушники, многие наушники имеют выносной пульт управления - нередко с регулятором громкости. Для сотовых телефонов и персональных мультимедийных компьютеров выпускают гарнитуры - головные телефоны с пристроенным к ним микрофоном на специальном рычаге. Некоторые телефоны имеют пультик управления с регулятором громкости.
Графический манипулятор – мышь
Работа с современным компьютером стала просто немыслимой без применения графического манипулятора того или иного типа. Это второе по значимости устройство ввода и управления компьютером после клавиатуры. Отчасти это связано с повсеместным применением в современных программах графических меню и иных средств графического интерфейса, например кнопок, полос прокрутки, выпадающих списков, линейчатых регуляторов и т.д.
Применяются следующие типы графических манипуляторов:
мышь – общеизвестный обычно внешний графический манипулятор;
трэкбол – как бы перевернутая мышь;
тоучпад – графический манипулятор на основе сенсорной панели;
мини-джойстик, или трэкпоинт – манипулятор в виде миниатюрной рукоятки с кнопками пуска;
световой карандаш – манипулятор в форме карандаша;
сенсорный дисплей – манипулятор в виде сенсорной панели и пассивного «пера» - палочки.
Мышь – самый распространенный графический манипулятор. Он используется как внешнее устройство, подключаемое к ноутбуку через последовательный порт RS-232, порт PS/2 или USB. Механическая мышь (рис. 3.21) имеет обрезиненный шарик, который катается по поверхности стола (лучше по поверхности специального коврика) и вращает два валика, угол поворота которых преобразуется в коды, поступающие в компьютер. Мышь имеет также 1-3 управляющие кнопки.
Рис. 3.21. Устройство механической мыши
Существуют и оптические мыши, у которых обрезиненный шарик отсутствует, а перемещения фиксирует фотодиод. Оптическая мышь очень практична, поскольку не требует чистки и механической настройки. Мыши могут быть однокнопочные (в ПК фирмы Apple), двух- и трехкнопочные, а также мыши с колесиком для плавной прокрутки документов. Уже появились и беспроводные мыши, соединяемые с ПК каналом радио- или инфракрасной световой связи. Мыши обслуживаются своим драйвером.
Громкоговорители и акустические системы
называется устройство, предназначенное для громкого воспроизведения звука. Наиболее распространены электродинамические головки прямого излучения (рис 5.7). Принцип работы головки основан на явлении перемещения проводника с током, помещенного в магнитное поле. При протекании тока по звуковой катушке 6, находящейся в магнитном поле, катушка перемещается, увлекая за собой диффузор 1. Если на звуковую катушку подается напряжение с усилителя, то колебания диффузора будут создавать звуковые волны, соответствующие воспроизводимому звуку.
Рис. 5.7. Устройство (а) и условное графическое обозначение (б) электродинамической головки прямого излучения
Звуковая катушка, диффузор и центрирующая шайба 4 образуют подвижную систему головки. Катушка расположена в зазоре магнитной цепи, состоящей из постоянного магнита 9, верхнего 10 и нижнего 7 фланцев и керна 8. Катушка перемещается строго вдоль зазора. Со стороны катушки в диффузор вклеен пылезащитный колпачок 3 (особенно опасны небольшие частицы магнитного материала, которые могут притянуться магнитным полем и нарушить работу громкоговорителя).
Диффузор представляет собой конус с гофрированным основанием. Гофр 11 обеспечивает смещение диффузора вдоль оси головки в обоих направлениях. Диффузор крепится к диффузородержателю 5, являющемуся основанием головки и обеспечивающему необходимую жесткость всей конструкции.
Чем больше размеры диффузора, тем эффективнее он передает низшие частоты, но плохо излучает высшие частоты звукового диапазона. Главной причиной этого является акустическое «короткое замыкание». Например, если диффузор движется вперед, то спереди его создается зона повышенного давления воздуха, а сзади – зона разрежения. Воздух спереди диффузора легко перетекает в пространство сзади диффузора. В итоге медленные (низкочастотные) колебания диффузора создают слабые низкочастотные звуки. Для исключения этого явления динамик надо помещать в ящик больших размеров и делать диффузор большим.
Для эффективного излучения высших частот необходимы малые размеры и масса подвижной системы. Совместить эти противоречивые требования в одной конструкции трудно, поэтому в звуковоспроизводящих системах высокого класса используются раздельные головки для воспроизведения низших, средних и высших частот. В более дешевых и простых системах используются две (высокочастотная и низкочастотная головки). Для улучшения воспроизведения высших частот головки часто снабжают дополнительным диффузором 2. Пример создания звуковых колонок с раздельным усилением низких и средних (большой динамик) и высоких (малый динамик) частот показан на рис. 5.3.
Акустическая система представляет собой один или несколько громкоговорителей, размещенных в ящике или имеющих то или иное акустическое оформление. Обратите внимание на отверстие снизу звуковых колонок рис. 5.3. Это отверстие так называемого фазоинвертора. Звуковые колебания спереди и сзади диффузора находятся в противофазе и потому гасят друг друга. Однако в корпусе больших размеров выходящие из отверстия звуки смещены по фазе. При правильном выборе пути звука от задней стороны динамика можно получить сдвиг по фазе, близкий к 180°, и добиться, что на низких частотах колебания передней и задней поверхностей диффузора будут сфазированы. Таким образом, фазоинвертор повышает отдачу колонок на низких частотах.
Существует еще один тип звуковых колонок с наглухо закрытыми ящиками. Однако в таком ящике возникают резонансные явления, что порой портит звук больше, чем снижение отдачи динамиков на низких частотах. Для снижения резонанса ящик заполняют поглощающим звуки веществом, например пенопластом.
Информация и ее роль в человеческом обществе
Информация относится к классу первичных понятий, по которым нельзя дать точного определения. Под ней обычно подразумевают некоторую совокупность сведений, позволяющих расширить наши представления о тех или иных объектах и явлениях окружающего нас мира, их взаимодействии и состоянии.
Люди издавна научились ценить и передавать информацию. Присущий нам от природы мозг не только способен хранить огромные объемы информации, но и перерабатывать
ее и делать из этого определенные выводы. Однако мозг не может долго хранить информацию, она забывается и со смертью человека вообще теряется.
Человек имеет целый ряд органов для приема и передачи информации. Это органы зрения (глаза) и слуха (уши), а также голосовые связки и средства мимики. Благодаря этому человек способен принимать звуковую и зрительную информацию и передавать ее. Восприятие температуры кожей и запаха носом тоже способствует информационному обмену человека с окружающей средой и с особями своего (и не только) рода. Таким образом, человек изначально имел средства приема и передачи информации.
Уже первобытные люди обладали зачатками мышления и сознания. Многие миллионы лет тому назад они уже умели общаться жестами и криками, могли использовать простейшие орудия труда, такие, как камни и палки. Стремление освободить руки для их свободного применения привело к тому, что человек стал прямоходящим существом. В свою очередь, это освободило рот от удерживания предметов, таких, как кости, палки, не съеденные остатки пищи.
Это, как и увеличение информационного обмена между людьми привело к возникновению речи – этой уникальной возможности людей, которой, в столь развитой форме, не обладают другие объекты живой природы. Считается, что речь возникла примерно миллион лет тому назад.
Мозг человека способен ограниченное время хранить информацию, т.е. в информационной системе природа-человек он служит как бы оперативным запоминающим устройством. Первые попытки людей сохранить информацию дошли до наших дней в виде наскальных рисунков, а затем и надписей (рис. 1.1).
Это случилось по крайней мере тридцать тысяч лет тому назад. Тем самым появились первые рукотворные средства долговременного
Рис. 1.1. Каменная плитка показывает, что древним людям были известны матрицы – прямоугольные таблицы с числами
Позже люди научились представлять и передавать информацию на большие расстояния с помощью костров на сопках, специальных сигналов (пример – сигнальщики на кораблях), с помощью звуков барабанов и бамбуковых труб, световых маяков и т.д. Таким образом, они стали использовать внешние средства
для информационного обмена. Основы кодирования информации были давно заложены азбукой Морзе, кодами сигнальщиков и тайнописью.
Затем уже появилась письменность и средства механической передачи записанной информации - почта. Намного позже, уже в наши дни, на смену гонцам и обычной почте пришли современные средства телекоммуникаций - от мобильного телефона и факса до спутниковой связи и всемирной компьютерной сети Интернета.
Информация и живая природа
Информация, как материя и энергия, является краеугольным камнем мира и окружающей природы, прежде всего живой. Характерным признаком живых организмов стала возможность восприятия ими информации об окружающей их среде, переработки этой информации и способности делать из нее выводы, важные для дальнейшего их поведения.
Открытие генов – единиц наследственной информации - произвело подлинную сенсацию и выдвинуло информационные процессы на роль первичных в развитии жизни. Открыто множество генов, которые как бы программируют рост, вес и окраску живых существ, предрасположенность их к тем или иным заболеваниям и т.д. Создание генной инженерии сделало возможным клонирование, т.е. размножение идентичных особей животных и даже людей.
Информационная модель человека
Информационная модель человека (рис.1.6) содержит все элементы, реализующие основные функции работы с информацией, а именно: прием, передачу, обработку и хранение информации. Ее рассмотрение позволяет выявить слабые и сильные стороны технических средств получения, обработки и представления информации.
Рис. 1.6. Информационная модель человека
Устройство ввода информации УВв представлено органами чувств, обработка информации происходит в устройстве обработки информации УОИ, ее запоминание - в запоминающем устройстве ЗУ, состоящем из кратковременной КП и долговременной ДП памяти, вывод информации реализует устройство вывода УВыв, а координацию всех информационных процессов осуществляет устройство управления УУ.
Поскольку человек является весьма сложной системой, практически очень трудно четко разделить функции отдельных элементов информационной модели. Однако можно отметить, что обработку информации, ее запоминание и координацию информационных процессов осуществляют мозг и центральная нервная система, они участвуют также в большей или меньшей степени в процессах обмена информацией с окружающей средой.
Органы чувств УВв отличаются физической природой принимаемого сигнала, способом его кодирования и неравноценны в информационном отношении. Большую часть информации человек получает по зрительному (примерно 90%) и слуховому (примерно 9%) каналам, и только 1% принимаемой информации приходится на остальные органы чувств (осязание, обоняние, вкус), поэтому основное внимание при рассмотрении каналов приема информации будет уделено первым двум.
Возможности человека в части вывода информации зависят от того, кому передается информация. При передаче информации другому человеку используются языковые (речь и письмо) и графические (изобразительное искусство, техническая графика и т.п.) средства. Если информация передается техническому устройству, например при управлении, то используются органы управления, представляющие собой обычно тактильные устройства, например клавиатуры.
Память человека хранит все его знания и характеризуется психофизиологическими процессами запоминания, сохранения и воспроизведения информации. Кратковременная память КП характеризуется небольшим временем хранения и объемом хранимой информации. В долговременной памяти ДП информация сохраняется длительное время и предполагает способность человека вспомнить (перенести из долговременной в кратковременную память) хранящуюся там информацию с целью ее использования.
Объем запоминаемой информации зависит от способа кодирования, т.е. канала ее приема (зрение, слух, другие органы чувств). Более эффективным с точки зрения количества запоминаемой информации является зрительный анализатор, позволяющий сохранить до 25%, затем следует слуховой - до 15% воспринимаемой информации. Приведенные данные весьма приблизительны, так как сложные психофизиологические процессы, происходящие в памяти, определяются потребностью и готовностью к приему информации (восприятию) и характеризуются уровнем знаний, установкой, уровнем внимания, эмоциональным состоянием человека.
Однако максимальное количество принимаемой информации воспринимается человеком при одновременном (комбинированном) воздействии на его органы чувств, так в случае одновременного воздействия на зрение и слух воспринимается до 65% переданной информации. На это обратил внимание К. Д. Ушинский: «Педагог, желающий что-нибудь прочно запечатлеть в детской памяти, должен заботиться о том, чтобы как можно больше органов чувств - глаз, ухо, чувства мускульных движений и даже, если это возможно, обоняние и вкус, приняли участие в акте запоминания. Чем больше органов наших чувств принимает участие в восприятии какого-либо впечатления или группы впечатлений, тем прочнее ложатся эти впечатления в нашу механическую нервную память, вернее сохраняются ею и легче потом вспоминаются».
Способность человеческой памяти хранить огромные объемы информации объясняется особой организацией ее хранения, которая не может быть сведена к механическому запоминанию получаемой извне информации.
Эта информация, будучи информацией первого (низшего) уровня, служит материалом для формирования в результате сложных мыслительных процессов связей (отношений) между явлениями и предметами, т.е. классификации; формирования образов, понятий, создания структурированной информации второго (высшего) уровня, т.е. знаний. Именно на этом уровне хранится информация в памяти человека, именно этим объясняется ее большой объем и эффективность ее использования при весьма скромных возможностях в части объема памяти и ее быстродействия.
Обработка человеком получаемой информации является функцией мозга и лежит в основе процессов мышления.
Рассмотрим подробнее, что именно представляется в виде данных и результатов их обработки человеком.
Первой функцией УОИ представляется формирование на основе получаемой извне информации знаний, т.е. усвоение некоторой кодирующей системы, позволяющей рационально хранить и эффективно использовать информацию. Вторая функция УОИ относится к использованию знаний, обработке на основе имеющихся знаний получаемой извне информации.
В заключение рассмотрения информационной модели человека приведем ее основные характеристики:
· скорость передачи информации по каналам ввода – вывода - 30 бит/сек;
· максимальное количество информации, накапливаемое к 50 годам, - 10 Мбит;
· число мысленных сравнений в 1 сек в процессе интеллектуальной деятельности - 18;
· число адресов, которые можно одновременно хранить в краткосрочной памяти, - 7;
· время доступа к адресуемому фрагменту информации в краткосрочной памяти - 2 сек;
· скорость передачи данных из долговременной памяти в кратковременную для последовательности двоичных символов фрагмента - 3 эл./сек;
· количество воспринимаемых глазом цветовых оттенков - около 10 миллионов.
Характеристики человеческого мозга, особенно в части скорости обработки информации, значительно уступают возможностям современных ЭВМ, но мыслительные процессы основаны на иных принципах, которые мы называем творческими, позволяющих более эффективно, чем ЭВМ, решать задачи творческого характера, несмотря на малое быстродействие и небольшой объем памяти.
Информационная модель процесса обучения
Сущность интеллектуальной деятельности человека заключается в приобретении и использовании знаний. Знания, умения и навыки формируются в процессе обучения, который может быть представлен в виде информационной модели (рис. 1.7), учитывающей двустороннее информационное взаимодействие учащихся, преподавателя и информационной среды обучения (ИСО) и позволяющей рассмотреть учебно-познавательную деятельность учащихся и обучающую деятельность преподавателя.
Рис. 1.7. Информационная модель обучения
Учебно-организаторская деятельность преподавателя реализуется в информационных потоках ИП1, а его контролирующая деятельность - в потоках ИП2. Эти же потоки составляют основу учебно-познавательной деятельности учащихся. Непосредственное информационное взаимодействие преподавателя и учащихся представляет собой исторически первую и наиболее эффективную на сегодня модель процесса обучения.
С появлением письменности и грамотности появились первые представители ИСО - учебники, существенно изменившие характер учебного процесса, а появление и совершенствование различных видов технических средств обучения, формирующих ИСО, все более усиливает их роль в учебном процессе.
ИП3
обеспечивают передачу информации от ИСО к учащимся и реализуют функции управления процессом обучения, возложенного на ИСО.
ИП4
осуществляют обратную связь, заключающуюся в автоматизированном или автоматическом контроле знаний учащихся.
С появлением первых элементов ИСО возникла проблема их эффективного применения, т.е. рационального сочетания информационных потоков, связывающих учителя и учеников и ИСО. Естественно, что по мере развития и совершенствования ИСО актуальность этой проблемы только усиливается.
ИП5 отражают взаимодействие преподавателя с ИСО, обеспечивая выбор преподавателем элементов информационной среды, подбор требуемого дидактического материала (на этапе подготовки урока) и обеспечения функции управления элементами информационной среды (на занятиях).
ИП6
осуществляет обратную связь в системе «преподаватель - ИСО».
По этому каналу преподаватель получает справочную информацию о возможностях ИСО (на этапе подготовки урока) и информацию о ходе и результатах (индивидуальных и обобщенных) обучения.
В процессе обучения используются все указанные на рис. 1.7 информационные потоки или любая их комбинация. Организаторская сторона деятельности преподавателя как раз и заключается в рациональном выборе используемых для решения конкретной учебной задачи информационных потоков и конфигурации ИСО.
ИСО содержит весь арсенал ТСО, включая средства вычислительной техники, и только хорошо знакомый с возможностями и особенностями каждого вида ТСО и их комплексов преподаватель может в полной мере реализовать их возможности.
Функции современной ИСО не ограничиваются хранением информации и организацией ее потоков. По мере развития и совершенствования ИСО, а особенно благодаря появлению в ее составе средств вычислительной техники, ИСО принимает на себя функцию управления процессом обучения, свойственную ранее только учителю. Это управление может осуществляться на основе модели обучения каждого ученика, формируемой ЭВМ и отражающей уровень знаний ученика и психологические особенности его личности.
Весьма интересным представляется вопрос о соотношении информационных потоков информационной модели. Очевидно, что по мере совершенствования и развития ИСО информационные потоки, связывающие ИСО и учеников, будут усиливаться, значительную часть работы по управлению учебным процессом и организации информационных потоков будет выполнять ИСО, освобождая учителя, от рутинной части его работы. В этих условиях существенно изменяется и становится более ответственной роль учителя, который должен принимать решения на более высоком уровне, он будет иметь больше времени для воспитания, управления воспитанием и обучением учеников, для индивидуальной работы с ними.
Информационная модель (рис. 1.7) учитывает самые существенные в обучении информационные связи, однако она не может отразить всего множества информационных воздействий, в различной степени влияющих на формирование комплекса знаний ученика и его личности.
Среди этих информационных воздействий нужно выделить средства массовой информации и информационные связи между учениками.
Средства массовой информации, представленные печатной продукцией (газеты и журналы), телевидением и радио, часто сообщают об интересных фактах и событиях, являясь, таким образом, источником новых знаний; их воспитательную роль также трудно переоценить.
Информационные связи между учениками служат основой организации коллективных форм обучения, развивая у учеников навыки общения и коллективного творчества. Здесь нельзя не отметить важную роль мобильных телефонов, роль которых в обучении пока намного меньше их роли в общественной и личной жизни.
Информационные революции
Обычно информация накапливается довольно медленно. Однако в некоторые периоды истории, часто связанные с крупными открытиями и техническими достижениями, объем информации начинает лавинообразно нарастать. При этом информация оказывает на жизнь людей столь большое значение, что происходит информационная революция – коренное изменение в значимости и технологии использования информации, оказывающих большое влияние на жизнь общества и экономику мира. Считается, что человеческое общество пережило четыре информационные революции:
1. Появление письменности как средства представления и долговременного хранения информации.
2. Появление книгоиздания в середине XIV века, позволившего в массовых масштабах тиражировать информацию и знания.
3. Применение электричества и радиоволн в конце XIX века для передачи информации на дальние расстояния, что привело к появлению средств телекоммуникаций, таких, как телеграф, телефон, радио и телевидение.
4. Создание микропроцессоров и разработка персональных компьютеров, открывших возможности эффективной работы с информацией, представленной в цифровой форме, в том числе в Интернете.
Были революции и масштабом поменьше, например, связанные с изобретением фотографии и кинематографа. Но они повлияли на нашу жизнь все же не столь кардинальным образом, как указанные выше информационные революции.
Информационный взрыв
Для создания крупных заводов или технических объектов (например, морских судов, самолетов, космических кораблей, военных средств и т.д.) требовались огромные объемы знаний. Это привело к невиданному ранее расцвету науки и техники. Ученые подметили характерную для этого времени (примерно два последних столетия) зависимость – за некоторый промежуток времени объем информации возрос в некоторое число раз. При этом этот промежуток время от времени сокращался.
К примеру, к 1900 году объем знаний удваивался за 50 лет, к 1950 году за 10 лет, к 1970 году за 5 лет, к 1990 году - уже за каждый год, а в наше время еще быстрее. Такой лавинообразный процесс характерен и для химической реакции – взрыва. Потому и стали говорить об информационном взрыве.
Постепенно все большее число членов общества (людей) из сферы материального производства и распределения товаров и услуг стало переходить в сферу накопления, обработки и анализа информации. Основным устройством накопления, хранения и быстрой обработки информации стали компьютеры. Казалось бы, совсем недавно – в конце 40-х годов двадцатого века - появились первые электронные вычислительные машины (ЭВМ). А персональные компьютеры (ПК) появились совсем недавно – в начале 80-х годов. Но уже в апреле 2002 года число компьютеров во всем мире превысило магический рубеж в 1 миллиард! Это значит, что уже многие миллиарды людей имеют дело с ними.
Мир покрылся сетью проводных, радио- и световолоконных линий связи. Сотовые телефоны позволили людям носить их с собой и пользоваться в любом месте, куда проникают радиоволны. Появились переносные компьютеры (ноутбуки) и даже карманные персональные компьютеры (КПК), по вычислительной мощности намного превосходящие 30-тонную громадину «ЭНИАК» и весящие меньше 200 граммов. Вместо десятков киловатт электроэнергии они потребляет от автономного аккумулятора доли Ватта. Таковы зримые достижения новых информационных технологий.
Информатизация и этапы развития общества
Многие века общество было аграрным. Главное развитие в нем получило сельское хозяйство, направленное на удовлетворение людей в обычной пище и одежде. Но уже тогда люди стремились освоить приемы вычислений, порой достаточно сложных. Получила развитие, например, геометрия и стереометрия – эти области математики требовались для раздела земельных участков, учета их площади и т. д., нередко с учетом шарообразности Земли. Бурное развитие получила астрономия, поскольку законы движения Земли вели к смене климата, влияли на урожайность сельскохозяйственных культур.
Затем наступил этап индустриализации, характеризующийся бурным развитием техники и созданием крупной промышленной индустрии. Благодаря этому резко возросла производительность людей в сфере производства товаров массового потребления – той же еды, одежды, технических товаров и т.д. Потребовались знания во многих разделах математики, стало развиваться, например, математическое моделирование, возникла необходимость существенного расширения знаний в области математической физики, механики, электро- и радиотехники, биологии и космоса
Триумфом этого этапа развития общества стало освоение атомной и термоядерной энергии и покорение космоса. Навеки в историю вошли такие замечательные достижения, как полет первого человека в космос (СССР) и высадка людей на Луну (США).
Постепенно экономика стала распределительной, поскольку требовалось решать огромные по масштабам задачи распределения материальных и прочих ценностей, производимых на локальных объектах (заводах, фабриках и прочих предприятиях) по всему миру. Это породило необходимость в специальных знаниях по планированию объемов продукции (линейное программирование), по планированию оптимальных маршрутов для потоков товаров (теория оптимизации и теория графов) и т.д. и т.п.
Интегральные микросхемы
Набор активных и пассивных компонентов образует электронное устройство. Это может быть усилитель электрических сигналов, ключ, логическое устройство, триггер, ячейка памяти и т.д. Соединения между элементами описываются электрической или принципиальной схемой. Однако уже давно смысл слова «схема» изменился – им уже называют реальное устройство.
Вскоре после изобретения транзистора появились миниатюрные интегральные схемы (микросхемы), в которых на одной пластине (подложке или чипе) стали размещаться вначале несколько десятков, а затем сотен, тысяч и даже миллионов транзисторов, вместе с другими сопутствующими компонентами электронных схем, такими, как диоды, резисторы, конденсаторы и т.д.
Основные элементы схем единовременно формируются путем диффузии различных примесей в глубь поверхности полупроводника – чистейшего кремния и операций напыления проводящих слоев. Число слоев в этаком «пироге» может достигать десятков. Групповая технология изготовления различных элементов и высочайшая культура производства позволяют получить высокую надежность интегральных микросхем.
Важным геометрическим параметром БИС является их разрешающая способность. Она означает минимальный геометрический размер элементов микросхемы на ее поверхности. Размеры по глубине могут быть намного меньше. Так, если мы говорим о технологии 0,13 мкм, это означает, что минимальная ширина проводника или какой-либо области транзисторов составляет 0,13 мкм. Это в сотни раз меньше толщины человеческого волоса!
Рис. 1.13. Вид кремниевого диска с будущими микросхемами на нем (одна выделена)
Далее все определяет искусство создания электронных схем. Ныне даже простенький микропроцессор для стиральных машин или холодильников содержит сотни тысяч таких транзисторов, объединенных в некоторую очень сложную схему. Их число в одной БИС достигает уже десятков миллионов. Потому такую интегральную схему называют большой (БИС) или даже сверхбольшой (СБИС).
Рис. 1.14. Корпуса некоторых СБИС - микропроцессоров
Корпус современных БИС и СБИС - это очень сложное устройство: число выводов у микропроцессоров составляет несколько сотен и корпус должен предусматривать легкий доступ к ним, например припайку соединительных проводов или размещение микросхем в специальных колодках.
Интерфейсы дисковых накопителей
Для подключения накопителей используются дисковые интерфейсы
- совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих общение накопителей с прочими узлами ПК и пользователем. В ПК умеренной стоимости используются следующие типы интерфейсов:
· IDE (Integrated Drive Electronics) – устаревший интерфейс жестких дисков фирмы Western Digital с последовательной (бит за битом) передачей данных, позволяющий подключать 2 жестких диска с емкостью до 528 Мбайт каждый.
· ESDI (Enhanced Small Device System) - улучшенный интерфейс для малых систем.
· ATA (AT Attrachment) - 16-разрядный интерфейс IDE для ПК класса AT, предложенный фирмами CDC, Compaq, Western Digital и др.
· Fast ATA - современный быстрый интерфейс, поддерживающий логический блочный доступ (Logical Block Address - LBA) без ограничения в 528 Мбайт. Предложен фирмой Seagate.
· EIDE (Enhanced IDE) – как и Fast ATA поддерживает до 4 устройств с емкостью более 528 Мбайт, моды 0 – 4 и режим LBA. Предложен фирмой Western Gigital. Самый распространенный интерфейс современных домашних и офисных ПК.
Профессиональные интерфейсы SCSI, SCSI-2 и SCSI-3 применяются в относительно дорогих и мощных ПК, таких, как серверы локальных сетей. Мы их не рассматриваем.
Интернет-экономика и цифровая вселенная
Ныне глобальная мировая компьютерная сеть Интернета стала доступной практически в любой точке земли. Она смела государственные и национальные барьеры в распространении информации и обеспечила людям доступ к огромному океану информации. Трудно переоценить роль Интернета в общении людей в самых разных странах мира. Сейчас в Интернет можно выйти не только из дому с помощью настольного ПК, но и из почти любого места с помощью карманного персонального компьютера с беспроводным каналом связи или с помощью сотового телефона.
Оформление документов, работа (особенно в высокоинтеллектуальных сферах, таких, как журналистика, художественная графика, писательское дело и т.д.) и просто получение знаний все чаще и чаще выполняется с помощью Интернета. Стали говорить о вступлении мира в этап Интернет-экономики. Объем трансакций (проводок денежных средств) уже достигает ежегодно многих миллиардов долларов и постоянно растет.
А развитие цифровых методов обработки информации позволило вести речь о «цифровом мире» и даже о «цифровой Вселенной». Последний термин был введен крупнейшей микроэлектронной корпорацией мира Intel. Цифровая вселенная означает применение цифровых методов хранения и обработки информации во всех сферах человеческой деятельности.
История микропроцессоров Intel от до ItaniumÄ
Чтобы понять многие особенности современных микропроцессоров и компьютеров, нужно рассмотреть историю создания микропроцессоров. Это связано с тем, что новейшие процессоры должны поддерживать все возможности старых процессоров, т. е. должна обеспечиваться аппаратная и программная совместимость сверху вниз. История создания микропроцессоров очень поучительна.
1971 год: микропроцессор 4004
До появления микропроцессора 4004 все микросхемы имели конкретное и довольно узкое назначение, например, логические элементы, переключатели или устройства памяти. Первый микропроцессор корпорации Intel 4004 стал поистине революционным изобретением: он представлял собой устройство, функциональные возможности которого могли меняться программным путем в широчайших пределах. Поэтому один микропроцессор мог заменить множество различных микросхем.
Новая микросхема была 4-разрядной и содержала 2200 транзисторов. На ее кристалле в хороший оптический микроскоп можно было рассмотреть отдельные детали – проводники, некоторые диоды и транзисторы. Процессор 4004 имел простейшее арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры и порты ввода/вывода, зачатки блока управления памятью. Он мог выполнять только целочисленные операции и работал на частоте всего 108 КГц.
1972 год: микропроцессор 8008
Вычислительная мощь процессора 8008, по сравнению с его предшественником, возросла вдвое - частота 200 КГц. Дон Ланкастер применил процессор 8008 в разработке прототипа персонального компьютера — устройства, которое служило терминалом ввода-вывода.
1974 год: микропроцессор 8080
Этот процессор с частотой 2 МГц стал основой первого компьютера «Альтаир», напоминающего отдаленно персональный компьютер. Десятки тысяч экземпляров комплекта для самостоятельной сборки «Альтаира» разошлись за несколько месяцев.
1978 год: микропроцессоры 8086
16-разрядный микропроцессор 8086 объединял в себе три важнейших устройства ЭВМ:
· арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции,
· блок управления, осуществляющий согласованное управление различными узлами микро-ЭВМ, построенной на базе микропроцессора,
· блок ввода/вывода, осуществляющий управление портами ввода/вывода.
8086 мог прямо адресоваться всего к 216=65536 ячейкам памяти, что было явно недостаточно. Тогда конструкторы процессора предложили оригинальный ход: задавать адрес двумя 16-разрядными числами. Специальная комбинация их позволяла с помощью 20-разрядной шины адресов задавать 65536 сегментов памяти и относительный сдвиг адреса для выбранного сегмента. В результате стала возможной адресация до 1 048 576 ячеек памяти (или 1 Мбайта). На деле из мегабайта адресуемой памяти можно было использовать только 640 Кбайт – это была основная память ПК. Но этот несовершенный механизм адресации памяти пришлось сохранять в последующих микропроцессорах.
Процессор 8086 мог работать с частотами 5, 8 и 10 МГц. С целбю ускорения математических расчетов для этого процессора был создан математический сопроцессор 8087, резко повысивший скорость математических расчетов.
1979 год: микропроцессоры 8088
Возможности микропроцессора 8086 оказались избыточными для применений конца семидесятых годов. Так, подавляющее большинство периферийных устройств тех времен были 8-разрядными. Поэтому в 1979 году фирма Intel разработала и выпустила новый микропроцессор 8088, ставший упрощенным вариантом 8086 с восьмиразрядной шиной данных.
Именно микропроцессоры 8088 выбрала IBM для своих массовых ПК IBM PC XT. Они оказались самыми подходящими для ПК начала 80-х годов и поставлялись фирмой Advanced Micro Devices (AMD), вначале тесно сотрудничавшей с Intel. Частоты процессора составляли 5 и 8 МГц.
1982 год: процессоры 80186 и 80188
В 1982 году фирма Intel выпустила усовершенствованные микропроцессоры 80186 и 80188. Они сохранили архитектуру микропроцессоров 8086 и 8088, но имели ряд усовершенствований.
Из них основные - это встроенный контроллер прямого доступа к памяти (DMA) и счетчик/таймер. Эти процессоры широко применялись в контроллерах периферийных устройств и в некоторых ПК.
1982 год: микропроцессор 286
В процессоре 286 (80286) к устройствам ввода/вывода, АЛУ и блоку управления добавилось новое устройство - блок управления памятью с объемом до 16 Мбайт. Этот микропроцессор мог работать в двух различных режимах работы - реальном и защищенном. В реальном режиме он имитировал работу микропроцессора 8086. При этом доступный для адресации объем памяти составлял, как и прежде, всего 640 Кбайт. В защищенном режиме 286-ой понимал команды доступа к памяти с объемом до 16 Мбайт. Но память при этом по-прежнему делилась на сегменты (страницы) с размером 64 Кбайта.
Частота работы микропроцессора 286 была повышена до 10 МГц, а в его последующих модификациях – даже до 20-25 МГц. Этот микропроцессор был избран фирмой IBM для ее очередной удачной модели IBM PC AT. Для микропроцессора 286 был создан математический сопроцессор 287.
1985 год: микропроцессор Intel 386™
Микропроцессор Intel 386™ насчитывал уже 275 000 транзисторов. Это был 32-разрядный процессор с возможностью одновременного выполнения нескольких программ. Он содержал: АЛУ, блок шинного интерфейса и блок управления памятью, включающий блок сегментации памяти и блок подкачки страниц. Каждая страница памяти могла быть разбита на сегменты по 4 Кбайта. Блок подкачки страниц обеспечивал управление памятью с объемом до 4 Гбайт (1 Гбайт - это 1024 Мбайтов), т.е. барьер в 640 Кбайт был превзойден, причем очень сильно.
Микропроцессор 386 мог работать в многозадачном режиме, при котором компьютер выполнял одновременно несколько задач. Он также мог осуществить работу с так называемой виртуальной (кажущейся) памятью. При ее применении у пользователя создается впечатление, что он работает с памятью большего размера, чем это есть на самом деле. А на деле «лишние» и временно не используемые участки памяти просто записываются на жесткий диск компьютера и, после освобождения ОЗУ, вновь заносятся в него.
Важным нововведением в процессорах 386 стало кэширование памяти. Это означает хранение ожидаемых команд микропроцессора или нужных данных в специальном быстром ОЗУ - кэш-памяти (памяти приоритетов), из которого они в нужный момент быстро извлекаются. Кэширование основано на теории предсказания команд, которые могут использоваться процессором в ближайшее время.
Для микропроцессора 386 был создан математический сопроцессор 80387 фирмы Intel и еще более мощный сопроцессор Weitek 3167. Это резко повысило скорость выполнения математических операций - до уровня, характерного для мини-ЭВМ.
Первыми разработчиками ПК, оценившими достоинства микропроцессора 386, стали специалисты из фирмы Compaq - одного из серьезных конкурентов IBM в области производства массовых ПК. С их ПК началась эра 32-разрядных ПК с микропроцессором 386. Вскоре множество фирм (в том числе и IBM), спохватившись, стали разрабатывать и выпускать ПК на базе микропроцессоров 386. А выпуск ПК с процессорами 8086/8088/286 пошел на убыль.
1989 год: микропроцессор Intel 486™ DX
В 1989 г. Intel выпустила очередную новинку - микропроцессор 486. Микросхема микропроцессора 486 содержала уже около 1,2 миллиона транзисторов! Впервые число транзисторов на кристалле превысило эту непостижимую по тем временам величину. Микропроцессор 486 также имеет 32-разрядную шину данных и позволяет адресоваться к почти фантастическому объему памяти - до 64 000 Мбайтов (или 64 Гбайта)! Впервые математический сопроцессор был встроен в кристалл с процессором.
Другая важная новика - встроенная в микропроцессор сверхбыстрая кэш-память первого уровня – L1 с объемом 8 Кбайта. Эта память занимала почти треть площади кристалла. Поскольку кэш-память расположена на одном кристалле с процессором, резко уменьшается время обмена между ними информацией. Кроме того, обмен идет по внутренней 128-разрядной шине. В результате при прочих равных условиях микропроцессор 486 работал более чем вдвое быстрее, чем лучшие образцы 386.
Микропроцессор 486 заключен в довольно большой керамический корпус со штырьковыми выводами (их 168), расположенными по всем четырем сторонам. Как правило, для охлаждения микропроцессора используется радиатор или миниатюрный вентилятор.
Процессор 486 имел рабочую частоту до 50 МГц. Однако дальнейшее повышение частоты стало ограничиваться еще и пропускной способностью шины данных. Она во время появления этого процессора не превышала 30-35 МГц. Был найден довольно необычный выход из этого положения. Он заключается в умножении частоты работы микропроцессора внутри его кристалла. Такие микропроцессоры были созданы и получили названия вида 486DXN-F, где N – число, задающее кратность частоты F внутри кристалла.
1992 год: процессор Pentium®
Не успел пройти триумф 486-х микропроцессоров, как фирма Intel выдала на рынок очередную новинку – 32-разрядный микропроцессор уже пятого поколения P5 (586). Впрочем, он вскоре получил более звучное название Pentium (пятый). Первые образцы процессора имели частоты 60 и 66 Мгц. Они содержали на кристалле 3,5 миллиона транзисторов. Шина адресов у Pentium 32-разрядная. Процессоры выполнялись по технологии с разрешением 0,8 мкм и при напряжении питания 5 В потребляли мощность около 13 Вт.
Архитектура процессора была вновь улучшена. Теперь работа процессора базируется на конвейерной и суперскалярной архитектуре. Конвейер в процессоре - это блок одновременно выполняемых команд, поступающих в его начало и идущих к концу конвейера. А суперскалярность означает одновременную работу ряда конвейеров. В процессоре был реализован и механизм предсказания переходов в программах.
Pentium содержит два 5-стадийных конвейера, которые могли (с определенными ограничениями) за один такт выполнять две идущие подряд целочисленные команды. Вдвое (до 16 Кбайтов) был увеличен объем кэш-памяти первого уровня - половина ее отведена на данные, другая на программы. Это повышает эффективность кэширования.
Все процессоры Pentium используют умножение частоты в 1,5, 2, 2,5 или в 3 раза, что позволяет применять их со стандартными шинами, которые стали самым узким местом в архитектуре современных ПК.
Рабочая частота наиболее распространенных шин PCI вдвое меньше внешней максимальной тактовой частоты микропроцессоров первого поколения (50, 60 и 66 МГц) и достигает, таким образом, 33 МГц.
К другим важным техническим решениям при создании Pentium относятся:
· частичное применение RISC-технологии,
· разделение кэш-памяти на два блока (для данных и команд), что повышает вероятность предсказания данных и команд,
· использование специального протокола обратной записи MESI, повышающего эффективность работы кэш-памяти.
· увеличение разрядности шины данных с 32-х до 64-х разрядов и конвейерная обработка циклов шины данных,
· контроль за четностью данных и адресов.
Рис. 2.1. Микропроцессор Pentium (слева с открытой крышкой)
Процессор нуждался в принудительном охлаждении, поэтому на него сверху устанавливался небольшой радиатор с миниатюрным вентилятором.
1995 год: процессор Pentium® Pro
Фирма Intel в 1995 году выпустила свой новый процессор шестого поколения P6 или Pentium Pro. Новый процессор оказался почти вдвое производительней Pentium при той же технологии и при той же тактовой частоте, что было достигнуто за счет улучшения архитектурных решений.
Первый уровень - сверхскоростная кэш-память с объемом в 16 Кбайт. Она встроена в кристалл самого процессора и разделена на две области - данных и команд. Это сокращает время быстрого доступа к тем и другим.
Рис. 2.2. Микропроцессор Pentium Pro
На дополнительном кристалле находится кэш второго уровня на 256 или даже 512 Кбайт. Такое двойное кэширование существенно ускоряет скорость работы микропроцессора, но заметно усложняет его конструкцию и повышает стоимость. Достаточно отметить, что число транзисторов на кристалле кэш-памяти составляло 15,5 и 31 миллион, что намного превышало число транзисторов собственно микропроцессора – 5,5 миллиона. Чип процессора занимает площадь 306 кв. мм, а чип кэш-памяти - 202 кв. мм.
В Pentium Pro использован один 12-стадийный конвейер, уменьшивший время нахождения команд в работе в среднем на 33%. За один цикл Pentium Pro выполняет уже от трех до пяти команд. В процессоре используются новые эффективные методы предвидения будущего поведения команд. При этом традиционная фаза выполнения команды заменяется на две фазы - «диспетчерирование/ выполнение» и «откат». В P6 обеспечено улучшенное предсказание переходов (почти всегда правильно определяется предстоящая последовательность команд), введен анализ потоков данных. Процессор способен выполнять некоторые команды до завершения выполнения предшествующих команд. Эта новая возможность называется опережающим выполнением команд.
В целом работа Pentium Pro реализует новую технологию динамического выполнения команд. Предприняты меры по улучшению эффективности работы окружения микропроцессора, и прежде всего ускорения доступа к памяти. Указанные меры позволили увеличить производительность Pentium Pro даже более чем вдвое. Переход на новую технологию (с разрешением 0,35 мкм) позволил повысить частоты работы Pentium Pro до 200 Мгц, а затем и до еще более высоких. Практически первые Pentium Pro 200 были на 58% производительнее, чем Pentium 200.
1995 год: процессоры Pentium MMX
Начало 90- х годов характеризовалось бурным развитием мультимедиа. Этот термин произошел от слова multimedia, что в переводе означает «множественная среда». С применением мультимедиа компьютеры стали использоваться в качестве музыкальных синтезаторов, цифровых магнитофонов, проигрывателей оптических дисков и даже видеодисков с видеофильмами. Для реализации мультимедиа Intel с рядом компаний создала новую технологию MultiMedia eXtension (сокращенно MMX).
Затем она ввела ее в новое поколение микропроцессоров - класса Pentium MMX (P55C). Начинающему дряхлеть Pentium вмиг продлили жизнь. Кратко отметим, какие конкретно новинки введены в микропроцессоры Pentium MMX:
· 57 новых команд, оптимизированных для наиболее характерных для мультимедиа вычислений,
· увеличенная до 32 Кбайт емкость кэш-памяти первого уровня,
· возможность обработки за одну инструкция разом 8 байт данных (SIMD),
· четыре новых типа данных (упакованные байты, слова и двойные слова, а также четверное слово),
· восемь 64-разрядных регистров MMX- от MM0 до MM7, совмещенных с регистрами для выполнения операций с плавающей запятой,
· повышенная скорость выполнения коротких и часто повторяющихся циклов,
· увеличенное число операций умножения,
· оптимизация всех алгоритмов, требующих интенсивных вычислений,
· увеличение числа транзисторов с 3,3 до 4,5 миллионов.
Самой важной особенностью MMX-процессоров является возможность с помощью одной инструкции работать сразу с несколькими (до 8) данными нового типа - упакованными байтом, словом, двойным и четверным словами. Эти данные могут размещаться в любом из восьми MMX-регистров, с длиной 64 бита.
Данная возможность обеспечивает групповую ( иначе говорят, параллельную) быструю обработку данных Single Instruction, Multiple Data (SIMD) - одна инструкция, много данных. MMX регистры были совмещены с теми регистрами, которые в прежних Pentium служили для реализации арифметики с плавающей запятой - FPU.
1997 год: процессор Pentium® II
В 1997 г. Intel выпустила процессор Klamath, названный в дальнейшем Pentium II. Его Высочество Pentium II был представлен свету в мае 1997 года. Фактически это Pentium PRO, но с технологией MMX. Новый процессор содержит 7,5 миллиона транзисторов. Частоты процессора - 233, 266 и 300 МГц. В процессоре использована архитектура двойной независимой шины (Dual
Independent Bus).
Вторая шина процессора для связи с кэш-памятью второго уровня работает на частоте 150 МГц, против 66 МГц у процессоров Pentium c общей шиной, и поддерживает групповой обмен данными. В результате производительность Pentium II несколько выше, чем у Pentium Pro. Предусмотрено параллельное выполнение двух MMX-команд и резко ускорено переключение процессора с работы с мультимедиа-командами на операции с плавающей запятой.
Рис. 2.3. Установка процессора Pentium II на материнскую плату компьютера
Из недостатков Pentium II можно отметить снижение скорости общения с внешней кэш-памятью второго уровня. Но более серьезен второй недостаток - ограничение предельной емкости ОЗУ. Из-за ориентации на чипсет 440FX доступный объем памяти не мог превышать 500 Мбайт. Современные профессиональные ПК и ноутбуки уже сейчас имеют близкий к этой цифре объем ОЗУ и потому применение в них Pentium II неперспективно.
1999 год: Процессор Pentium® II Xeon™
Этот процессор предназначался для мощных серверов.
Он имел кэш второго уровня с размером в 512 KБ, 1 МБ и 2 МБ и мог работать с памятью до 64 Гбайт. Пожалуй, главное отличие этого процессора от других – возможность работы в многопроцессорных системах, насчитывающих до 4 микропроцессоров.
1999 год: Процессор Intel® Celeron®
Процессором Celeron Dixon Intel открыла себе дорогу на рынок дешевых ПК. Тактовая частота процессора поначалу составляла от 300 до 500 МГц. Следующий вариант Celeron имел уже более чем серьезные характеристики:
· количество транзисторов: 19 млн (0,25-мкм процесс);
· корпус с односторонним контактом (SEPP), 242 вывода;
· корпус Plastic Pin Grid Array (PPGA), 370 выводов;
· частота шины: 66 МГц;
· разрядность шины: 64-битная системная шина;
· адресуемая память: 4 Гбайт;
· применение: недорогие ПК.
Первые образцы процессора имели только кэш первого уровня L1 с емкостью 32 Кбайт. Но затем был введен и кэш второго уровня L2 с емкостью 128 Кбайт. Дешевизне процессора способствовал его упрощенный корпус с защитой кристалла лаком. Ныне Celeron - это обобщающее название для целой серии удешевленных вариантов процессоров класса Pentium.
1999 год: Процессор Pentium® III
Продолжая совершенствовать процессоры шестого поколения, Intel выпустила в 1999 г. весьма мощный по тем временам процессор Pentium III (кстати, его фирменное обозначение – Pentium !!!). Он имел следующие характеристики:
· количество транзисторов: 9,5 млн (0,25-мкм процесс);
· кэш L2: 512 KБ (расположен в корпусе процессора, но не на его кристалле);
· тип корпуса: картридж SECC 2;
· частота системной шины: 100 MГц;
· разрядность шины: 64 бит;
· адресуемая память: 64 Гбайт;
· применение: бизнес- и потребительские ПК, одно- и двухпроцессорные серверы и рабочие станции.
Корпус процессоров Pentium II и Pentium III типа SECC 2 позволил создать достаточно дешевые процессоры. Однако «кирпич» микропроцессора напрочь исключал его применение в портативных компьютерах. Поэтому в дальнейшем были созданы микропроцессоры Pentium III в корпус Plastic Pin Grid Array (PPGA) малого размера.
В мобильных Pentium III значительное внимание уделено обеспечению нормального теплового режима работы. Так, встроенный диодный датчик температуры измеряет температуру кристалла для управления тепловым режимом. Усовершенствованная технология Intel® SpeedStep™ обеспечивает автоматическое переключение процессора на большую или меньшую тактовую частоту ядра в зависимости от загрузки процессора. Технология QuickStart продлевает время работы от батарей, снижая энергозатраты в периоды бездействия пользователя. Спящий режим Deeper Sleep включается, когда компьютер не используется, снижая среднее энергопотребление и увеличивая время автономной работы
Выпускаются варианты процессора с пониженным и сверхнизким напряжением питания. Повышается производительность и увеличивается время автономной работы для тонких и легких ноутбуков. Применяются корпуса типа micro- FCPGA и micro- FCBGA. Специальные миниатюрные корпуса открывают возможность создания самых тонких и легких ноутбуков.
1999 год: Процессор Pentium® III Xeon™
В том же 1999 году Intel выпускает процессор для серверов и профессиональных ПК Pentium III Xeon. Он имеет 9,5 млн и 0,25-мкм процесс. Размер кэша L2 512 KB. Процессор предназначен для работы в многопроцессорных системах (до 8 и более процессоров).
2000 год: процессор Pentium® 4
Начало третьего тысячелетия Intel отметила разработкой и производством нового мощного процессора для настольных ПК с расширенными аудио- и видео-возможностями и поддержкой высокоскоростных телекоммуникаций. Им стал микропроцессор Pentium 4 (рис. 2.4).
Он имел 42 млн транзисторов и частоту системной шины 400 MГц. Поначалу выполнялся по технологии 0,18 микрон.
Рис. 2.4. Внешний вид микропроцессора Intel Pentium 4
Новые процессоры выполнены по технологии 0,13 мкм в 423-контактном корпусе типа Plastic Pin Grid Array (PPGA). Intel отказалась от применения громоздкого картриджа, использованного в процессорах типа Pentium II и первых Pentium III, и перешла к миниатюрному корпусу.
Для Pentium 4 использовалась торговая марка Pentium, в продвижение которой Intel вложила огромные средства. Логотип нового процессора имеет вид, представленный на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Логотип нового микропроцессора Pentium 4
В новом процессоре рекордно большое число транзисторов – 42 миллиона (есть варианты и с 55 миллионами). Это позволило реализовать ряд новых идей в микроархитектуре микропроцессоров. Все они (конвейер удвоенной длины, скоростная системная шина, новые команды поддержки Интернета и др.) направлены на увеличение производительности нового процессора. Переход к технологии 0,13 мкм позволил увеличить частоту работы процессора до 3,05 ГГц к концу 2002 года.
Новый процессор имеет микроархитектуру с названием NetBurst. В ней используется гиперконвейерная Hyper Pipelined технология. Число этапов конвейера удвоено и теперь достигает 20. Это существенно повышает производительность процессора Intel Pentium 4 и обеспечивает резервы роста его тактовой частоты. Увы, но пока есть немного программ, которые способны реально использовать такой многостадийный конвейер.
Другое достижение - это ядро быстрого выполнения. Rapid Execution Engine. Его блоки арифметической логики работают на удвоенной, по сравнению с ядром процессора, тактовой частоте.
Это позволяет процессору выполнять некоторые инструкции за половину такта. Целочисленные операции выполняются с удвоенной скоростью. До 400-МГц (втрое) повышена частота системной шины. Cкорость передачи данных между процессором Pentium 4 (первые варианты) и контроллером памяти достигает 3,2 Гбит/c.
В процессоре реализована сверхскоростная кэш-память первого уровня L1 с отслеживанием выполнения - Execution Trace Cache. В этой кэш-памяти первого уровня сохраняются декодированные команды (примерно 12 000 микрокоманд). Благодаря этому в цикле исполнения команд устраняются задержки, связанные с декодированием. Данная технология в значительной мере повышает быстродействие кэш-памяти команд и повышает эффективность использования кэша. Емкость кэша первого уровня в Pentium 4 равна 8 Кбайт, т. е. уменьшена вдвое по сравнению с процессором Pentium III. Однако время доступа сокращено более чем вдвое - до 1,41 нс.
Кэш-память процессора организована в виде 128-байтных линий с 64-байтным доступом (процессоры предыдущих поколений имели 32-байтные линии). Общая емкость кэш-памяти второго уровня L2 Advanced Transfer Cache объемом 256 КБ обеспечивает передачу данных со скоростью 48 Гбит/с, которая увеличивается пропорционально тактовой частоте ядра.
Усовершенствование системы динамического исполнения (Advanced Dynamic Execution) обеспечивает совершенный блок спекулятивных вычислений, который дает быструю загрузку вычислительных блоков. Процессор содержит также улучшенные схемы предсказания ветвлений, позволяющие ему выполнять программы в нужной последовательности и снижающие потери времени, связанные с ошибочным выбором последовательности вычислений. Роль подобных потерь оказывается более значительной при увеличении длины конвейера.
Потоковые SIMD- 2 расширения (SSE2) дополняют ранее реализованные технологии MMX™ и SSE 144 новыми инструкциями. В их числе 128-разрядные целочисленные инструкции и 128-разрядные инструкции для вычислений с плавающей точкой.
Эти новые SIMD- инструкции позволяют существенно ускорить работу самых различных приложений.
В среднем процессор Pentium 4 обеспечивает более высокую производительность, чем процессоры предшествующего поколения, на 59% для кодирования видеопотоков, 38% для визуализации трехмерных поверхностей и фигур, 30% для исполнения программных модулей на языке Java, широко применяемом в Интернете.
На представлении процессора Pentium 4 была показана синтезированная компьютером девушка Ева, поведение и привлекательность которой зависели от отношения к ней пользователя. В другом видеофильме моделировалось поведение множества объектов в виртуальной комнате. Объекты вели себя в соответствии с законами оптики, механики и земного тяготения. Например, при снятии имитации земного тяготения все объекты начинали плавать в воздухе, как это имеет место в кабине космического корабля, и падали вниз при включении имитации тяготения.
2001 год : Процессор Intel® Itanium™
Процессор Intel® Itanium™ - это новый мощный 64-разрядный процессор Intel. В его основе лежит новая архитектура EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing - параллельная обработка команд с явным параллелизмом). Этот процессор рассчитан на применение в мощных профессиональных компьютерах и серверах с высокой производительностью.
2002 год: Мобильный процессор Pentium 4M
Первые Pentium 4 потребляли мощность до 50 Вт и не имели особых перспектив применения в мобильных ПК – ноутбуках. Но 4 марта 2002 года корпорация Intel объявила о выпуске микропроцессора Intel® Pentium® 4M для мобильных ПК. Заодно было выпущено новое семейство чипсетов для них Intel® 845.
Новый процессор имеет развитые средства управления энергопотреблением, продлевающие время работы компьютера от батарей. Среди них;
· технология Enhanced Intel® SpeedStepTM, обеспечивающая автоматическое переключение между режимом максимальной производительности и режимом экономии энергии в зависимости от интенсивности загрузки процессора;
· режим ожидания Deeper Sleep, в котором процессор работает при напряжении всего 1 В, а потребляемая мощность падает до 0,2 Вт и ниже (при этом данные приложений сохраняются);
· усовершенствованная технология Intel Mobile Voltage Positioning (IMVP).
IMVP III - это технология регулирования напряжения, динамически изменяющая напряжение питания процессора в зависимости от его загрузки, снижая тем самым расчетную интенсивность тепловыделения.
2002 г.: Новые процессоры Celeron
Следующий тип мобильного процессора Celeron – Coppermine 128 K - создавался уже на основе нового микропроцессора Pentium III (Coppermine). Этот процессор в дополнение к командам мультимедиа расширения MMX поддерживал уже и серию команд SSE. Частота системной шины была повышена до 100 МГц. Типичная емкость кэш-памяти в 128 Кбайт у некоторых моделей возросла до 256 МГц.
Были выпущены микропроцессоры Celeron пониженным напряжением питания на частоты 733, 650 МГц (0,13 микрон), 600, 500 МГц и даже со сверхнизким напряжением питания на частоты 667, 650 МГц (0,13 микрон), 600 и 500 МГц. Процессоры могут работать с наборами микросхем (чипсетами) Intel®: 440ZX, 440MX, 815EM , 830MP, 830M и 830MG.Они имеют технологию QuickStart, которая продлевает работу от батарей.
В сентябре 2002 г. Intel объявила о выпуске нового поколения процессоров Celeron с рабочей частотой 2 ГГц. Частота системной шины повышена до 400 МГц. Процессоры изготавливаются по технологии 0,13 мкм и стоят около 100 $.
2002 г.: Микропроцессоры Pentium 4 с технологией Hyper-Threading и частотой 3,06 ГГц
Гонка за повышением производительности процессоров класса Pentium 4 привела к появлению в конце 2002 года новейших Pentium 4 с частотой 3,06 ГГц и с очередной новинкой из области технологий - Hyper-Threading. Суть ее заключается в «прогонке» нескольких потоков команд, программ и приложений через один процессор одновременно – пока, правда, применена «прогонка» только двух разных программ.
Эту технологию поддерживает новейшая операционная система Windows XP.
2003 г.: Технология Intel Centrino
12 марта 2003 г. Intel объявляет о новой революционной технологии для создания мобильных ПК - Centrino. В нее входит новейший экономичный процессор Pentium M, чипсет 855 и сетевая продукция Intel Pro для беспроводной связи стандарта Wi-Fi 802.11. Процессор Pentium M содержит 77 миллионов транзисторов, работает с напряжениями 0,85-1,5 В и имеет частоты от 0,9 до 1,6 ГГц, объем кэш-памяти второго уровня - 2 Мбайт. Процессор создан «с нуля» и имеет множество оригинальных архитектурных решений. В их числе совершенная система динамического управления потребляемой мощностью, усовершенствованные методы прогноза команд, метод наслоения (одновременного выполнения) микроопераций и др. Средняя потребляемая мощность процессора снижена до 1 Вт при сохранении высокой производительности. Эта технология ориентирована на создание сверхтонких и легких мобильных компьютеров - ноутбуков.
Яблоки выросли в гараже Стивена Джобса
Рис. 3.1. Юные создатели первого массового персонального компьютера Стивен Джобс и Стив Уозняк - основатели фирмы Apple
Первое время в гараже Джобса они собирали «на коленках» и выпускали в продажу комплекты узлов для сбора простейших компьютеров в домашних условиях. Эти «компьютеры» (рис. 3.2) были выполнены на процессоре 6502 фирмы MOS Technology c рекордно низкой ценой - 20 $.
Рис. 3.2. Первый компьютер Apple был собран в деревянном ящике
Было собрано и продано около 200 таких наборов. 50 заказал и реализовал магазин популярного и поныне журнала «Бит». Эта деятельность дала молодой фирме приличный доход и позволила разработать и начать производство первого законченного ПК Apple-II. Он имел вид ПК с системным блоком, дисплеем и клавиатурой. Объем памяти у Apple II достигал 64-128 Кбайт.
К 1986 г. было выпущено свыше 2,5 млн. компьютеров Apple II, а оборот фирмы достиг 335 млн. долларов. Увы, попытки создания ряда других компьютеров Apple-III, Next и Lisa были менее удачными. Отчасти из-за дороговизны, а отчасти из-за конкуренции со стороны могучей корпорации IBM. Она в то время по обороту финансовых средств обходила Apple почти в 130 раз! И в 1982 г. началась эра IBM-совместимых персональных компьютеров (ПК).
Apple тем не менее удалось утвердиться на частично потерянном рынке с помощью своих знаменитых «Маков» (Macintosh) – необычных ПК в прозрачных корпусах, которые по сей день славятся своей дружественностью по отношению к пользователям, неприхотливостью и обширными возможностями. Особенно широко они используются в образовании (рис. 3.3) и в издательском деле. Macintosh был удешевленным и тщательно оптимизированным вариантом дорогого ПК Lisa.
Рис. 3.3. Класс с компьютерами Macintosh корпорации Apple в Иллинойском университете (США)
В США «Маки» по сей день пользуются популярностью и большим спросом. У нас в России их продает компания «МакЦентр».
Экранно-звуковые средства обучения
Теле- и видеотехника, как и кинотехника, относится к классу экранно- звуковых средств обучения и воспитания в соответствии с ранее рассмотренной классификацией. Кроме того, что эти средства являются комбинированными, они позволяют увидеть движение, т.е. рассмотреть процесс, а не состояние, в отличие от экранных средств обучения и воспитания, которые являются статическими.
Элементная база информационных устройств
Современные информационные устройства строятся на основе различных компонентов. Прежде всего, это электронные компоненты. Они применяются в радиоприемниках и телевизорах, в сотовых телефонах и в компьютерах. Для гуманитариев стоит познакомиться хотя бы с основными электронными компонентами.
ЭВМ четвертого и пятого поколений на СБИС
ЭВМ четвертого поколения выполняются на сверхбольших (СБИС) интегральных микросхемах. Это существенно уменьшило габариты, массу и электропотребление даже больших ЭВМ. На десятке - другом микросхем, размещенных на небольшой печатной плате, именуемой системной, или материнской, уже можно было выполнить миниатюрный компьютер, вполне эквивалентный мини-ЭВМ третьего поколения и даже превосходящий их. Такие компьютеры получили название одноплатных микро-ЭВМ.
Из больших ЭВМ этого поколения можно отметить IBM 370, которая пришла на смену знаменитой IBM 360. Эта ЭВМ имела скорость 15 миллионов операций в секунду. Из отечественных машин такого рода наиболее известны ЭВМ «Эльбрус». Универсальные ЭВМ четвертого поколения нередко выполняются в типовых стойках (каркасах) и называются мэйнфремами (от английского слова mainframe – главный каркас).
Наиболее мощные их ЭВМ четвертого поколения принято называть супер-ЭВМ или супер-компьютерами. Для увеличения производительности такие ЭВМ нередко делались многопроцессорными – число процессоров от 2-6 до сотен и тысяч. Наиболее известными такими ЭВМ являются ILLIAC-4 (50 миллионов операций в секунду), GRAY-1 (130 миллионов операций в секунду), GRAY-MP (64 процессора, 50 миллионов в секунду), ASCI White (12,4 миллиарда операций в секунду). В Японии создана пока опытная супер-ЭВМ с 5120 процессорами и скоростью до 30 триллионов операций в секунду.
С появлением ЭВМ четвертого поколения наметилось их развитие по двум разным направлениям. Первое – это уже рассмотренные большие ЭВМ и супер-ЭВМ. Это очень дорогие и редкие ЭВМ, используемые при самых серьезных применениях государственного масштаба – прогноз погоды, моделирование ядерных и термоядерных процессов, крупные исследовательские проекты.
А вот второе направление было ориентировано на создание персональных ЭВМ, ориентированных на индивидуальную работу, но тем не менее обладающих основными показателями (производительность, объем памяти и др.) на уровне, выше показателей ЭВМ предшествующих поколений. Эти ЭВМ, именуемые также персональными компьютерами (ПК), мы рассмотрим детально в главе 3.
Пятое поколение ЭВМ также основано на СБИС. Предполагалось, что эти машины будут основаны на логическом программировании, при котором машина сможет по заданной задаче сама конструировать программу для ее решения. Однако пока явно зримых успехов на этом направлении мало. Так что говорить о пятом поколении как состоявшимся пока, видимо, преждевременно.
ЭВМ третьего поколения на интегральных микросхемах
В 1959 году корпорации Fairchild и Texas Instruments первыми выпустили на рынок интегральные микросхемы – чипы (chips). Благодаря революционным достижениям микроэлектроники габариты третьего поколения ЭВМ уменьшились настолько, что так называемые «малые» ЭВМ (мини-ЭВМ) стали размещаться на письменном столе. Одновременно возрастала их производительность. Она намного обогнала производительность первых послевоенных ламповых «динозавров».
Рис. 1.17. Советская ЭВМ ЕС-1020 третьего поколения
ЭВМ этого поколения стали делать в виде крупных серий программно-совместимых машин. Например, наши машины серии ЕС-ЭВМ выпускались в двух десятках модификаций. При этом они могли использовать одно и то же программное обеспечение.
В СССР появились даже инженерные ЭВМ настольных габаритов, например «Наири». А разработка научной школы академика Глушкова – инженерная ЭВМ «Мир» стала первой машиной с встроенной системой символьной компьютерной математики, способной решать математические задачи не только в численном, но и в символьном (аналитическом) виде.
Калькуляторы и электронные записные книжки
Предвестником появления компьютеров четвертого поколения стали микрокалькуляторы
– миниатюрные ЭВМ для разных расчетов. Вслед за обычными калькуляторами появились программируемые - в том числе для сложнейших научных, статистических и экономических расчетов (рис. 3.26). По существу, это полноценные компьютеры для сложных математических вычислений.
Увы, такие калькуляторы в Россию не поступают. Зато простые калькуляторы буквально наводнили прилавки ларьков и магазинов, торгующих канцелярскими принадлежностями. Они раз и навсегда покончили со счетами, арифмометрами, логарифмическими линейками и электромеханическими счетными машинками, отправив их с полок магазинов на полки технических музеев.
На калькуляторы очень похожи всевозможные электронные записные книжки и органайзеры. Только клавиатура у них более полная – алфавитно-цифровая. Эти изделия привлекают своей дешевизной. Несомненно, что они будут вытеснены более мощными и универсальными карманными персональными компьютерами.
Карманные компьютеры для людей гуманитарного профиля
Многие пользователи ПК, особенно люди гуманитарного профиля, мечтали о замене громоздких настольных ПК и даже ноутбуков сверхпортативными компьютерами, которые могли бы размещаться в кармане и которые можно было бы всегда иметь при себе. Ныне такие карманные персональные компьютеры (КПК) появились! Вес КПК - менее 200 г.
Теперь писатели и журналисты в лице КПК имеют весьма удобное средство для создания набросков своих книг и статей, а также для записи на лету возникших мыслей. Эта машинка позволяет творить свое дело – писать в любой обстановке вне дома. И не только произведения эпистолярного жанра!
С появлением КПК сбывается мечта многих людей иметь при себе огромную библиотеку. В наше время пара оптических дисков CD-ROM может содержать запись в сжатом виде нескольких тысяч книг, именуемых электронными книгами. Десятки и сотни их можно хранить в памяти КПК и читать их в любом месте. При этом возможен быстрый поиск нужных слов и фраз, организация закладок, выделение отдельных фрагментов материала книг, снабжение их замечаниями и аннотациями. Заметим, что это можно делать, в отличие от обычных книг, сохраняя оригиналы в первозданном виде.
Есть уже и звуковые электронные книги – нечто вроде радиопостановок. Их зачитывают дикторы, а книги пишутся в формате звуковых файлов MP3. Электронные книги можно считывать из Интернета.
Для поэтов КПК тоже подлинная находка. Можно пребывать где угодно, например, на берегу Лазурного моря или на борту теплохода, в приятной компании или с любимой девушкой и всегда, как только к вам приходит творческое озарение, можно вынуть из кармана КПК и тут же зафиксировать родившиеся в вашей голове рифмы и строки.
Не менее привлекательны КПК и для художников. Например, любители карикатур найдут привлекательными графические редакторы, которые с помощью заостренной палочки – стило позволяют тут же на экране КПК изображать наброски рисунков. Компьютерная графика уже дает хлеб многим техническим художникам и дизайнерам.
И графика КПК – один из ее разделов.
Для преподавателей любых наук КПК - огромное подспорье на лекциях – ведь далеко не всегда возьмешь с собой настольный компьютер и даже ноутбук. А уж студенты наверняка оценят КПК как самую современную шпаргалку, хранящую в своей памяти конспекты и тексты лекций по любым дисциплинам, изучаемым в университетах, вузах, техникумах и даже в школах. Ну, а как воспользоваться ею под бдительным оком преподавателя – этому учить студентов не надо.
КПК по достоинству оценят коллекционеры. Это идеальное средство для создания баз данных по книгам и журнальным статьям, по кинофильмам и художественным произведениям и многим другим продуктам нашей деятельности. С помощью миниатюрных карт памяти можно сохранять огромные по размерам базы данных, копировать их и производить обмен.
Между тем возможности КПК развиваются невиданно быстрыми темпами, намного обгоняющими впечатляющие темпы развития настольных ПК. За каких-то пять лет КПК из расширенных записных книжек и органайзеров превратились в мощные мультимедийные центры карманных размеров. Теперь любители музыки могут использовать КПК для прослушивания любимых музыкальных произведений и ведения их архивов. Всех впечатляет возможность хранения в памяти КПК тысяч цветных электронных фотографий и их просмотра в любых условиях. Уже стал реальностью просмотр на КПК даже видеофильмов.
КПК незаменимы и для любителей путешествий, географов, биологов и зоологов – для всех, кто проводит много времени в путешествиях. КПК тут полезны как переводчики с одного языка на другой, базы данных, средства учета редких растений, животных и месторождений полезных ископаемых. С помощью приемника системы глобального позиционирования GPS КПК превращается в удобную миниатюрную систему ориентации на местности, дающую координаты положения с точностью до 5-10 метров. Недавно КПК была оснащена наша милиция. В ее КПК была записана база данных на 400 000 разыскиваемых милицией лиц.
Кэш-память первого уровня
Кэш - это сверхбыстрая память, хранящая наиболее часто используемые в ближайшее время команды микропроцессора. Если процессор повторно должен выполнить какую-то цепочку команд, то он берет их уже из быстрого кэша, а не из медленной памяти. Это обеспечивает повышение скорости работы микропроцессора.
В компьютере кэш-память имеет ряд уровней (Levels). Пока мы говорим о кэш-памяти первого уровня - L1. Важно, что она расположена на том же кристалле, что и сам процессор, а потому работает на частоте процессора (иногда на половинной частоте). Это очень быстрая память. Но она занимает много места на кристалле процессора, поэтому ее объем ограничен – обычно 16, 32 или 64 Кбайта. Лишь процессоры AMD Athlon имеют кэш-уровень L1 на 128 Кбайт.
В дальнейшем мы продолжим рассмотрение работы микропроцессоров, но уже в составе ПК (см. следующую главу).
Клайв Синклер получает почетный титул сэра
Разработкой и производством домашних вычислительных машин во всем мире занимались многие люди и фирмы. Некоторые добились выдающихся успехов. Например, англичанин Клайв Синклер получил от своей королевы почетное дворянское звание сэра за организацию производства дешевых и массовых домашних ПК класса ZX-Spectum на процессорах Z80. В итоге на какое-то время Великобритания обогнала США по числу домашних ПК на душу населения.
Схлынув на Западе, волна дешевых ZX-Spectrum в начале 90-х годов буквально захлестнула восточную Европу и СССР. Во многом она способствовала приобщению наших народных масс к компьютерным достижениям Запада и зарождению ностальгии по ZX-Spectrum.
Классификация ТСО по применению
Рассмотрим теперь классификацию ИСО с точки зрения решаемых ею учебных задач (рис. 5.1). Эта классификация достаточно условна, потому что невозможно четко очертить границы между различными применениями ТСО, однако общее представление о составе решаемых ими задач она дает.
Рис. 5.1. Классификация ТСО
К группе ИСО общего применения относятся такие ТСО, применение которых напрямую не обусловлено изучаемым предметом. Так, магнитофон или диапроектор, например, относящиеся к этой группе, могут быть использованы на уроках математики, литературы, истории и др.
ИСО группы специального применения более направлены, они больше ориентированы на приобретение учащимися умений и навыков, чем знаний.
Элементы ИСО общего применения включают в себя следующие группы:
· информационные, т.е. предназначенные для передачи информации и ее отображения;
· контролирующие, которые используются для организации контроля знаний учащихся;
· комбинированные, т.е. осуществляющие эти обе функции.
К элементам ИСО специального применения относятся:
· объект изучения,
· модель объекта изучения,
· тренажер, т.е. такое устройство, которое помогает выработать и закрепить умения и навыки, задавая последовательность учебных ситуаций в определенной области знаний и оценивая адекватность действий обучаемых в этих ситуациях.
Средства вычислительной техники (СВТ), безусловно, являются базовыми в этой схеме. Действительно, ЭВМ может выполнять все функции ТСО как общего, так и специального применения. Будучи по своей сути устройствами информационными, ЭВМ успешно решают задачи передачи информации; ЭВМ эффективно используются при контроле знаний учащихся, освобождая учителя от этой работы. Следовательно, СВТ можно с полным основанием отнести к комбинированным ТСО общего применения.
СВТ в последнее время являются объектом изучения в школе и в вузе. Моделирование с использованием ЭВМ (электронное моделирование) открывает широкие возможности при изучении различных процессов, происходящих в природе и обществе. Имеются два одинаково эффективных направления использования ЭВМ в качестве тренажера: использование специальных программ тренажеров и управление с помощью ЭВМ тренажером. Все сказанное позволяет считать, что ЭВМ решает задачи и ТСО специального применения.
Рынок аппаратуры ТСО насыщен самыми разнообразными устройствами, имеющими различные технические характеристики и цену. Далее мы будем описывать аппаратуру, отвечающую требованиям оптимального значения критерия качество\цена.
