Процессоры фирмы Advanced Micro Device
Конкурентами процессорам Pentium стали RISC-микропроцессоры K5 фирмы AMD (Advanced Micro Device). Процессоры рассчитаны под тот же разъем (Socket 7, 321 контакт), что и микропроцессоры Pentium, и на то же напряжение питания. По набору битовых команд они полностью совместимы с Pentium. С 1994 по первый квартал 1997 год фирма AMD выпустила и продала свыше 40 миллионов процессоров AMD-K5, что сделало ее второй по объему выпуска процессоров компанией в мире (первое место устойчиво удерживает Intel).
Новейший процессор AMD-K6-MMX увидел свет в конце 1996 года. Он имел следующие особенности:
· производительность, соперничающую с Pentium Pro,
· совместимость с операционными системами Windows 95/NT и другими,
· суперскалярную архитектуру, обеспечивающую выполнение разом до 6 команд,
· 64-Кбайтный кэш - по 32 Кбайта на данные и команды,
· высокопроизводительный математический сопроцессор,
· поддержку технологии MMX,
· установку в самый распространенный разъем Socket 7 (для Pentium),
· керамический корпус с матрицей выводов CPGA,
· 8,8 млн. транзисторов на кристалле, выполнен по технологии с разрешением 0,35 мкм.
Сердцем процессора является централизованный планировщик. Он содержит необходимую логику выполнения команд, изменения последовательности данных, переименования регистров, выдачи или отзыва RISC-инструкций и спекулятивного (с изменением последовательности) выполнения команд. Планировщик может просматривать окно, содержащее до 12 инструкций и за один такт выдавать до шести и отзывать до четырех RISC-инструкций. Процессор имеет 7 исполнительных блоков, ориентированных на быстрое выполнение операций с плавающей точкой и инструкций технологии MMX.
Процессор седьмого поколения корпорации AMD K7 (Athlon) - один из самых мощных процессоров своего времени. Он имеет самый большой кэш с объемом 128 Кбайт (по 64 Кбайта на инструкции и данные). Кэш второго уровня с объемом 512 Кбайт работает на частоте 1/2 или 2/5 от частоты процессора. Системная шина EV-6 имела частоту 200 МГц с перспективой ее удвоения. Был выпущен ряд вариантов этого мощного процессора с частотами от 0,5 до 1 ГГц и даже выше. Внешне процессор напоминал Pentium III, но имел иное расположение контактов.
Процессоры PowerPC
Выдающимся событием в компьютерной индустрии обещал стать альянс трех фирм (Apple, IBM и Motorola) в создании нового поколения микропроцессоров класса PowerPC, которые должны были «врезать по мозгам» явно зарвавшейся фирме Intel. Первым стал 32-разрядный упрощенный процессор PowerPC 601, который и впрямь временно обскакал первые модели Pentium по производительности. Однако повышение тактовых частот Pentium с 60 до 200 МГц быстро свело достоинства этого процессора на нет.
Вслед за PowerPC 601, уже нашедшим применение в ПК, были выпущены процессоры 602 и 603 (последний с пониженной потребляемой мощностью). Они за один цикл выполняют две и три команды соответственно. Затем появился PowerPC 604. А в 1995 г. стал доступен новейший 64-разрядный микропроцессор PowerPC 620. Последний имеет кэш-память первого уровня с емкостью 64 Кбайт. Процессор изготовляется по технологии с разрешением 0,5 мкм.
Естественно, что и старшая модель PowerPC 620 совместима с предшествующими моделями по программному обеспечению. Хотя PowerPC 620 превосходит по производительности Pentium Pro, он используется только в довольно дорогих ПК, которые трудно отнести к офисным или домашним ПК. В Intel-совместимых компьютерах класса IBM PC процессоры данного класса не применяются.
Процессоры с малым потреблением электроэнергии
Позиции AMD на рынке ноутбуков заметно окрепли после создания мобильных процессоров Athlon XP и Duron. Процессор Athlon XP с частотой до 1,6 ГГц и оригинальной архитектурой QuantiSpeed™. Выпускается по новейшей 0,13-микронной технологии. Выполнен в корпусе под разъем Soket A и оптимизирован под операционную систему Windows XP. Процессор использует технологию AMD Power Now для обеспечения минимума потребляемой электроэнергии.
Мобильный процессор AMD Duron предназначен для дешевых ноутбуков. Тем не менее, имея тактовые частоты 0,95, 1, 1,1 и 1,2 ГГц, он способен реализовать высокую скорость выполнения подавляющего большинства программ.. Он также оптимизирован под операционную систему Windows XP и использует технологию электросбережения AMD Power Now.
Новый 64-разрядный процессор класса x86-64 процессор AMD Opteron™ основан на процессорном ядре AMD 8-го поколения. Он предназначен для запуска существующих 32-разрядных приложений с непревзойденной производительностью и обеспечения клиентам плавного перехода к 64-разрядной технологии.
Около 5% рынка микропроцессоров в настоящее время занимают процессоры молодой компании Transmeta - Crusoe. Эти процессоры имеют минимальные размеры и тепловыделение при полноценной вычислительной мощности. Это достигается благодаря применению гибкой системы энергосбережения, позволяющей не просто «усыплять» процессор при длительных паузах в работе, но и регулировать его мощность в зависимости от выполняемых операций. Они широко применяются в сверхкомпактных ноутбуках. В настоящее время наиболее мощная серийная версия поставляется с частотой 700 МГц, и ожидается ее повышение до 1 ГГц.
Прогнозы на основании закона Мура
Если усреднить представленные данные по числу транзисторов с помощью нелинейной регрессии, то время их удвоения составит 1,67 года. Прогноз по этим усредненным данным на первые десять лет выглядит вполне реалистичным (рис. 2.8 - левый график).
К 2010 году можно ожидать появления микропроцессоров, на кристалле которых будет до 3 миллиардов транзисторов. Это близко к оценкам, о которых говорил Президент корпорации Intel Крейг Барретт в своем выступлении на форуме разработчиков Intel.
Но вот прогноз на следующее десятилетие выглядит скорее фантастическим, чем реальным: судя по нему, к 2020 году число транзисторов на кристалле достигнет примерно 140 миллиардов (рис. 2.8 -правый график)! Но кто знает, может, так и будет? Ведь создатели первых микропроцессоров 4004 вряд ли могли предполагать, что через 30 лет число транзисторов в микропроцессорах увеличится в
34 000 раз, а частота работы их возрастет более чем в 28 000 раз!
Физическим ограничением на рост числа транзисторов может оказаться очередной предел геометрического разрешения в производстве интегральных микросхем. Даже с учетом внедряемой новейшей технологии литографии со сверхжестким ультрафиолетовым излучением (EVU) этот барьер перемещается от 0,1 мкм до 0,03-0,05 мкм. При этом толщина подзатворного диэлектрика микроскопических полевых транзисторов, уже ныне составляющая менее 5 атомных слоев, достигнет предельного значения в один атомный слой.
Наконец, главный козырь к приостановке действия закона Мура - компьютерные системы из дискретных систем, скорее всего, превратятся в распределенные системы. В результате надобность в сверхмощных одиночных процессорах попросту отпадет. И закону Мура придется подчиниться другому, тоже отнюдь не точному в математическом смысле закону о переходе количества в качество.
Программирование на калькуляторах и на Бейсике
В отсутствие доступа к персональным компьютерам миллионы будущих российских программистов в начале 80-годов ухватились, как тонущие за соломинку, за появившиеся в это время программируемые микрокалькуляторы Б3-21, Б3-34, МК-52, МК-56 и др. Калькуляторы позволяли освоить символьно-кодовое программирование, которое широко использовалось и в куда более дорогих настольных ЭВМ, например, «Электроника C-35».
Калькуляторы были подлинно индивидуальными и достаточно мощными вычислительными устройствами. Кое-кто ухитрялся даже программировать на них игры. Но в основном калькуляторы были в почете у научных работников, преподавателей вузов и студентов. Трудно переоценить те возможности, которые они дали в изучении численных методов и математических моделей.
В те годы литература по программируемым калькуляторам пользовалась огромным спросом. Так, справочник [21], изданный в крупнейшем научном издательстве СССР «Наука. Физматлит», разошелся тремя изданиями с тиражом более 1 миллиона экз.
Затем пошла мода на программирование на языках высокого уровня. Особую популярность получил Бейсик – книга [22] вышла тиражом в 300 000 экз. Оценили наши работы по Бейсику и за рубежом – книга [23] признана на западе одной из лучших и продается по сей день. Свой вклад внесли языки программирования Алгол, Паскаль, Фортран, Лого, Форт и многие другие.
Проигрыватели дисков DVD
Для проигрывания дисков DVD, наряду со встроенными в компьютерами драйвами, применяются стационарные проигрыватели. Они выпускаются многими фирмами. На рис. 5.48 показан стационарный проигрыватель фирмы Sony DVP-NS700V/S.
Рис. 5.48. Стационарный проигрыватель DVD и втдеодисков фирмы Sony DVP-NS700V/S
Эта модель оснащена самым современным механизмом привода Precision Drive 2, встроенным декодером системы Dolby Digital (см. ниже) и обеспечивает точное воспроизведение дисков любых форматов: DVD Video/ DVD-R/ DVD-RW/ SACD/ CD/ CD-R/ CD-RW.
Проигрыватели MPфайлов с твердотельной памятью
Проигрыватели MP3-файлов с твердотельной памятью – самые миниатюрные из электронных аудиоустройств. Они выпускаются даже в составе электронных часов (например, фирмы Casio) и в виде отдельных проигрывателей. Как правило, в них предусмотрена возможность замены файлов, путем перезаписи их с компьютера, с CD-ROM дисков или даже из Интернета. Пожалуй, главный недостаток таких проигрывателей заключается в необходимости время от времени подключать их к компьютеру. Иначе набор записанных в память вещей быстро вам наскучит. Другой недостаток - небольшой объем встроенной памяти - от 32 до 128 Мбайт. Это вынуждает использовать сильно сжатые MP3-файлы, что несколько снижает качество воспроизведения музыки. Тем не менее, оно выше, чем у аналоговых кассетных магнитофонов.
Аудиоплейеры CD-YEPP фирмы Samsung с системой улучшенного воспроизведения басов Super Bass Sound воспроизводят файлы в форматах МР3 и WMA с дисков CD, CD-R/RW. Цифровые МР3-файлы можно записать на CD-R/RW с Web-сайта или переписать с аудио диска с помощью компьютера. Все модели YEPP оснащены системой «антишок» — дополнительным ресурсом памяти, из которой воспроизводится запись во время кратковременных сбоев, вызванных сотрясением плейера. Плееры серии YEPP используют для хранения музыки наиболее распространенные карты памяти SmartMedia Card.
Плеер YP-30S (рис. 5.24) имеет объем встроенной памяти 64 Мбайта. Питания от одной батарейки AAA хватает на время записи в режиме цифрового диктофона до 4,5 ч. Аппаратик поставляется с компакт-диском, на котором имеется программное обеспечение (RealJukebox, телефонная книга и примеры музыкальных MP3-файлов). Плеер имеет эквалайзер на 4 фиксированные настройки. Есть порт USB, к которому поставляется соответствующий кабель USB. Дисплей отображает три строки, предусмотрено отображение даты и времени. Размеры: длина (мм) 65 мм, ширина 44 мм, высота 14,5 мм, вес всего 34 г. Придаются: зажим для ношения на поясе и ремешок для ношения на руке.
Рис. 5.24. Проигрыватель MP3-файлов Yepp YP-30S
Два других плеера YP-20S и YP-20T (рис. 5.25) отличаются «космическим» дизай
Рис. 5.25. Проигрыватель MP3-файлов Yepp YP-20S и YP-20T
Проигрыватели видео-CD
В последние годы резко возросли требования к качеству воспроизведения видеофильмов - как профессиональных, так и учебных и любительских. Этому способствовало появление целого ряда видеокамер, обеспечивающих четкость изображения порядка 450-500 линий по горизонтали и выше. Аналоговые средства записи изображений такое качество изображения не обеспечивают, а цифровые камеры слишком дороги. Надежды на внедрение высококачественного видео связаны с появлением видеодисков и DVD-дисков.
Официально видеодиски родились в сентябре 1993 года, когда группа крупных фирм (Matsushita, JVC, Philips и Sony) предложила единый стандарт для видеодисков с MPEG-с кодированием информации. Он был изложен в виде белой книги (White book) и специалистам известен как стандарт «Video CD v1.1 technical standart». Стандарт базируется на положениях, взятых за основу создания дисков караоке.
Летом 1994 года была предложена вторая версия стандарта Video CD v.2, в которой были заданы интерактивное управление дисками, получение стопкадра и управление процессом воспроизведения. При этом обеспечивается два режима воспроизведения:
1. Нормальный – с разрешением 352 линии по горизонтали и 288 по вертикали.
2. С повышенным разрешением - 704 линии по горизонтали и 480 по вертикали.
Благодаря эффективному сжатию информации скорость считывания у Video-CD составляет 1,376 Мбит/c, что практически равноценно скорости считывания информации у обычных аудио-CD и у CD-ROM-драйвов. Тем самым обеспечена возможность просмотра Video-CD на проигрывателях, считывающих CD-ROM и аудио-CD. Правда, при этом время записей на Video-CD остается тем же, что и у аудио-СD, т.е. 74 минуты.
Сейчас в крупных магазинах и на базарах можно встретить десятки и сотни наименований видеодисков типа Video-CD. Стоимость видеодисков лежит в пределах от нескольких долларов для так называемых «пиратских» копий и до 20-250 $ для фирменных дисков. Учитывая, что в быту такие видеодиски выдвигаются на роль образцовых записей видеофильмов (они и впрямь дают наивысшее качество изображения среди бытовых видеоустройств), то такая цена не кажется высокой.
Лазерные видеодиски и их проигрыватели обладают целым букетов достоинств:
· высокое качество изображение (а у дисков формата MPEG-2 просто превосходное),
· независимость качества воспроизведения от числа проигрываний и времени хранения (записи на видеокассетах теряют качество уже после десятка-двух проигрываний и после нескольких лет хранения),
· высокая стабильность изображения,
· возможность проигрывания целым рядом средств - мультимедиа-ПК, специализированными и многосистемными проигрывателями, приставками для игр и т.д.,
· малыми габаритами и весом,
· легкостью тиражирования.
К сожалению, Video-CD не лишены и недостатков:
· пока Video-CD заметно дороже видеокассет с готовыми записями,
· запись Video-CD требует сложного и дорогого оборудования и пока, даже при наличии записывающих CD-ROM-драйвов, нереальна в бытовых условиях,
· воспроизведение быстро изменяющихся объектов иногда ведет к их распаду на отдельные квадратики,
· время воспроизведения мало (74 минуты), так что большинство полнометражных фильмов записывается на пару дисков в одной упаковке,
· при смене дисков возникает пауза в просмотре (хотя и куда меньшая, чем пресловутые рекламные паузы в передачах нашего телевидения),
· качество изображения все же хуже, чем в форматах S-VHS и Hi8,
· при проигрывании на мультимедиа-ПК HiFi качество звукового сопровождения достигается только при достаточно производительном компьютере - например с микропроцессором, оптимизированным под исполнение мультимедиа-команд (процессоры класса MMX).
Тем не менее, можно сказать, что Video-CD состоялись! Многие их недостатки были устранены применением Video-CD нового поколения (c MPEG-2) и с появлением новых дисков VCD. Многие фирмы мира выпускают проигрыватели видео-CD в основном в виде настольных аппаратов. Как правило, они проигрывают как диски Video-CD, так и VCD.
Особое значение в последние годы приобрели компакт-диски нового поколения – формата MP4. Они являются дальнейшим развитием Video-CD и позволяет довести время воспроизведения видеофильмов с высококачественным звуковым сопровождением (по системе 5+1, принятой в домашних видеотеатрах) примерно до 3 часов. При этом обеспечивается качество воспроизведения, вплотную приближающееся к качеству дисков DVD (см. ниже), но при несравнимо меньшей стоимости дисков (у нас 2-3 $). Однако на момент подготовки этой книги проигрывание дисков формата MP4 было возможно только на компьютерах.
Проигрыватели звуковых оптических компакт-дисков
Проигрыватели звуковых оптических компакт-дисков появились уже давно. Однако это были дорогие стационарные установки. С появлением компьютерных технологий обработки и записи цифровых сигналов, описанных в Главе 3, они были использованы и для новых разработок устройств, как для проигрывания, так и для записи звуковых компакт-дисков. В результате сейчас такие устройства стали вполне обыденными.
Рис. 5.19. CD-проигрыватель XP-R123 фирмы Aiwa
Такие проигрыватели обычно имеют стандартные органы управления в виде кнопок или клавиш со следующими обозначениями:
^ OPEN - открытие крышки диска;
¦ - остановка проигрывания;
>¦ ¦ - пуск и остановка проигрывания;
>>¦ - переход к следующей записи;
¦<< - переход к предшествующей записи.
Разумеется, у каждой модели проигрывателя могут быть и другие органы управления.
Особое место занимают проигрыватели аудио-CD, позволяющие проигрывать еще и диски с файлами формата MP3. Такие диски содержат число записей в 5-15 раз большее, чем обычные аудио-CD. Для проигрывания MP3-файлов нужны специальные аппаратные и программные средства, которые входят в проигрыватели этого класса, что несколько их удорожает. На рис. 5.20 представлен такой проигрыватель корпорации Sony.
Особое место среди проигрывателей MP3-файлов занимают проигрыватели, в которых такие файлы хранятся на миниатюрном жестком диске с емкостью около 6 Гбайт. Этого хватает на запись 100-150 часов музыки. К сожалению, такие проигрыватели пока дороги и применяются редко. Они как бы образуют переход от проигрывателей с механизмом проигрывания к полностью твердотельным проигрывателям, у которых вообще нет механизмов вращения дисков и магнитных или оптических головок.
Работа с сотовым телефоном
Перед вводом телефона в эксплуатацию надо установить в телефон так называемую SIM-карту и аккумулятор и зарядить последний. SIM-карта (Subscriber Identity Module) — это идентификационный модуль пользователя, то есть устройство, открывающее доступ к услугам сети какого-либо оператора. Телефон стандарта GSM без SIM-карты способен только на звонки по экстренному номеру (112). В памяти микросхемы SIM-карты хранится персональная информация об абоненте, его идентификационный номер и телефонная книжка.
Рис. 4.12. Внешний вид и назначение органов управления мобильного телефона Ericsson R520m
Теперь наберите номер, по которому вы собираетесь звонить. Учтите, что это должен быть, скорее всего, полный номер с указанием кода вашего региона (города, области и т.д.). Номер набирается нажатием нужных цифровых клавиш с индикацией номера на экране дисплея. Если вы ошиблись в наборе какой-то цифры (смотрите на дисплей), то удалите ее клавишей C и продолжайте набор.
Завершите набор нажатием клавиши YES, и телефон начнет выполнять соединение с вашим абонентом. Это будет подтверждено сообщением на экране дисплея, а из динамика послышатся известные всем звуки - гудки. После ответа абонента начните разговор с ним в самом обычном порядке. По завершении разговора нажмите кнопку NO. Телефон перейдет в режим «спячки» или ожидания. При этом вам могут звонить другие абоненты - если вы дали им номер своего мобильного телефона.
Нажмите клавишу YES и начните разговор с вызвавшим вас абонентом. По завершении разговора нажмите клавишу NO. Если вы не хотите вести разговор, то зачастую можно послать вызывающему сигнал «Занято». Например, используя аппарат Ericsson R520m для этого достаточно дважды быстро сдвинуть рычажок регулятора громкости вверх.
Очень удобным средством вызова является телефонная книга. Эта книга вызывается из меню. Телефонная книга – это просто список абонентов с их телефонами (обычными, мобильными и факсами). Список отсортирован в алфавитном порядке. Вы можете вызвать любого абонента из этой книги и начать говорить с ним.
Иногда мобильный телефон надо отключить от сотовой сети. Для этого нажмите кнопку NO и удерживайте ее несколько секунд - пока телефон не выключится (перестанет гореть светодиодный индикатор и очистится экран дисплея). В этом случае звонить на ваш номер нельзя и оператор сети будет сообщать, что ваш телефон отключен или находится вне пределов сети.
Для управления телефоном обычно служит меню. Меню у каждого телефона свое. Например, у телефона Ericsson R520m оно представлено семью окнами:
1. Phone book - телефонная книга.
2. Messages - сообщения.
3. On going call или Call info - информация о вызовах.
4. Settings - установки.
5. Extras - внешние устройства.
6. WAP services - сервис WAP для работы в Интернете.
7. My shortcuts - клавиши пользователя.
В каждой позиции меню, представленной окном-вкладкой, имеется ряд команд. Для вызова первого или последнего окна меню используются клавиши графического манипулятора «Вправо» и «Влево». Они же используются для переключения окон перемещением выделения вкладок, список пиктограмм которых представлен сверху каждого окна. Клавиши графического манипулятора «Вверх» и «Вниз» применяются для выделения (инверсией цвета надписи и фона) соответствующих позиций меню (команд) с перемещением выделения по кольцу.
Для фиксации и отмены ввода используются клавиши с надписью YES и NO. Оставшиеся две клавиши управляют вводом опций и отменой последней операции.
Некоторые возможности сотового телефона требуют ввода текстов. В отличие от компьютеров, сотовые телефоны имеют заметно упрощенную клавиатуру. Помимо указанных на рис. 5.7 управляющих клавиш большинство сотовых телефонов имеет всего 12 клавиш из которых 10 - цифровые, а 2 служат для переключения регистров и ввода специальных символов. Их приходится использовать и для ввода текстовых символов. При этом каждая клавиша используется многократно. Например, на средней клавише верхнего ряда есть обозначение
2
ABC
Оно означает, что при цифровом вводе клавиша вводит цифру 2, а при текстовом вводе - одну из букв A, B или C. Для ввода буквы A достаточно быстро нажать клавишу один раз, для ввода B - два раза и для ввода C - три раза. Клавиша C позволяет удалять последний введенный символ. Клавиша переключения регистра (самая левая снизу) позволят задавать ввод букв строчных или прописных. Таким образом, особых проблем с вводом англоязычных текстов нет - за исключением отнюдь не удобного ввода большинства символов нажатием нужной клавиши два и более раз.
Оценивая в целом средства ввода текстов можно сказать, что у мобильных телефонов они находятся в зачаточном состоянии. Эти средства не предназначены для серьезной работы с текстами. Но она и не является характерной для сотовых телефонов. Все, что нужно при работе с ними, - это вводить короткие текстовые сообщения и заполнять телефонную книгу.
Размножение и накопление информации
Другим важным свойством информации является возможность ее размножения
и накопления. Книгоиздание – один из самых известных примеров реализации этих возможностей. С появлением книг и печатного станка (его изобрел Иоганн Гутенберг еще в середине XV века) человек приобрел возможности тиражирования информации и ее накопления. В наши дни широкое распространение получили светокопировальные устройства, позволяющие в секунды получить копию листа с текстом и с рисунками.
В то же время надо учитывать, что информация постепенно утрачивается. Это связано как с прямой ее потерей, так и старением информации. В ходе старения информация теряет свою актуальность, а нередко просто забывается и теряется.
Регистры микропроцессора
Для выполнения большинства операций нужно где-то хранить входные данные, промежуточные и итоговые результаты вычислений. Для этого процессор имеет свои быстродействующие устройства памяти, называемые регистрами. Числа в них раскладываются как бы по полочкам – разрядам так называемых регистров. Регистры имеют порты ввода и вывода данных. Микропроцессор имеет множество регистровых операций, например, очистки регистров, перемещения чисел из одного регистра в другой и т.д.
Имеются также регистры, в которых создаются и хранятся адреса ячеек ОЗУ с программами и данными – регистры адресации. Детали организации регистров и их специальные названия едва ли нужны большинству пользователей, но программисты должны их знать. Так же, как и язык программирования микропроцессоров Ассемблер, который переводит символические команды программ в машинные коды.
Вид дисплея на электронно-лучевой трубке
ЭЛТ цветных дисплеев имеют три электронных луча и специальные устройства сведения их в трехцветные области экрана (триады – рис. 3.23). Меняя интенсивность этих лучей, можно получить практически любой цвет пятна. Для направления каждого луча на нужную область триад (красную, зеленную или синюю) служит специальная металлическая маска - либо теневая с отверстиями, либо с апертурной решеткой в виде вертикальных полос.
Рис. 3.23. Схематичное устройство цветного кинескопа
Дисплеи имеют генераторы кадровой и строчной развертки, вырабатывающие сигналы для построчного перемещения луча. Они подаются на катушки магнитной системы отклонения луча. Кроме того, дисплеи имеют электронику управления и стабилизации изображения и источник питания (см. более подробное описание в Главе 5).
Стандартные VGA и SVGA дисплеи имеют размер по диагонали 14 дюймов (36 см). Он оптимален для многих применений в MS-DOS. Для операционных систем класса Windows, окна которых наполнены мелкими объектами - пиктограммами, желателен больший размер экрана. Для бытовых условий это 15 дюймов (39 см). Дорогие дисплеи с большим размеров экрана нужны при профессиональном применении ПК, например, для верстки газетных и журнальных страниц, работе с графическими САПР и т.д. Диаметр светового пятна современных дисплеев от 0.2 до 0.39 мм.
Современные дисплеи зеленой линии (Green Line) используют энергосберегающий режим работы. По сигналу от ПК во время его бездействия они снижают потребляемую мощность с 70-90 Вт до 10 Вт и менее. По степени защиты пользователя от радиации дисплеи делятся на обычные (без защиты) и класса LR (Low Radiation - низкая радиация). Многие дисплеи имеют антибликовое покрытие экрана.
Роль магнитной памяти
Оперативная память сразу теряет информацию при выключении питания. Да и не так она велика, чтобы хранить множество программных продуктов, с которыми работает современный ПК с многозадачной операционной системой, и данных для них. Поэтому возникает необходимость во внешней памяти.
Внешняя память реализована в основном на магнитных дисках. Для работы с ними служат дисковые накопители различных типов. Самыми распространенными являются накопители на несъемных жестких дисках и на съемных гибких дисках, а в последнее время и накопители на оптических и других специальных дисках.
Рождение IBM PC
В наше время только в США установлены десятки тысяч больших ЭВМ, вроде IBM 360/370, называемых сейчас мэйнфреймами (mainframe –компьютер в стойке). Но в конце 70-х годов IBM столкнулась с новым и крайне неприятным для нее фактором - серьезной конкуренцией со стороны мини-ЭВМ, а затем и микро-ЭВМ. Их куда охотнее покупали многие малые компании, чем знаменитые большие IBM 360, популярные в те годы.
Специалисты свободного творчества (писатели, художники, научные работники) тоже были не прочь иметь компьютер у себя дома. Разумеется, занимающие целые залы дорогие ЭВМ 360 и 370 для этой цели были абсолютно непригодны. Не годились для них и радиолюбительские наборы для сборки компьютеров: известно, что многие представители этой творческой братии не знают, как держать в руках даже отвертку. А дать им в руки паяльник просто опасно!
Стал расти спрос на малые компьютеры фирмы Apple II. Огромное количество их явно перерастало в новое качество - все большая часть экономических и научно-технических приложений ЭВМ стала отходить от больших ЭВМ к микро-ЭВМ. Большим потребителем таких машин стала сфера образования – мудрая Apple направила бесплатно в школы США 100 000 своих компьютеров и навсегда сделала их желанными в школах и университетах.
Ответом IBM на это стал проект разработки массового персонального компьютера - IBM PC. Группа, которой была поручена разработка ПК, пользовалась неслыханными льготами. Ей было разрешено даже использовать любые разработки других фирм. В итоге был создан вполне полноценный офисный и домашний компьютер, оснащенный качественным устройством отображения информации (дисплеем) и современным дисковым накопителем.
Для выброса IBM PC на рынок фирма IBM выбрала очень подходящий момент. После первого успеха с Apple-II фирма Apple сорвала разработку вначале Apple-III, а затем и мощной, но дорогой ЭВМ «Lisa» (прообраза куда более удачного ПК Macintosh). Ее цена достигла 10000 $, что исключало применение такого компьютера в качестве персонального.
В этом момент (август 1981 года) IBM и осуществила массированное выдвижение на рынок США своих ПК -IBM PC. Компьютеры были названы «PC», откуда и появился термин «персональные компьютеры», или «писишки». По зарождающемуся рынку простых и дешевых малых компьютеров был нанесен сокрушительный удар!
Первые ПК IBM PC имели один накопитель на гибком диске и использовали кассетный магнитофон в качестве другого накопителя. В ПЗУ ПК был встроен язык программирования Бейсик. Емкость ОЗУ ПК составляла всего 64 Кбайта. Дисплей ПК был алфавитно-цифровой, но давал прекрасное качество отображения букв и цифр.
Семантическая и прагматическая меры информации
Для измерения смыслового (семантического) количества информации используется тезаурус – совокупность сведений, которыми располагает пользователь или система распознавания информации. Пусть S – смысловое содержание информации, а Su – тезаурус пользователя. Если Su = 0, то поступающая информация для пользователя (или системы) бесполезна, ибо пользователь не знает, как ее интерпретировать. А если Su ® ¥, то пользователь уже все знает и поступающая информация для него также бесполезна. Таким образом, можно утверждать, что зависимость количества получаемой семантической информации Is = f(Su) имеет максимум и спадающие участки по обе стороны от него.
Отношение количества семантической информации Is к объему данных Vd принято называть относительной мерой количества семантической информации С = Ic/Vd.
Прагматическая мера информации определяет ее ценность для конкретного пользователя. Например, информация может быть ценной из-за того, что она относится к конкретному лицу или устройству, которое интересует пользователя. Она может быть ценной из-за того, что может размещаться на доступных пользователю накопителях информации и т.д.
Семейство роботов-собак AIBO
Недавно мир был потрясен созданием в Японии роботов-собак семейства AIBO, которые уже поступили в продажу и имели большой спрос ввиду своей умеренной цены (от одной до трех тысяч долларов) и необычных возможностей.
Рис. 5.51. Собака-робот ERS-220A
Инженеры Sony научили робот вполне реалистичному передвижению, способности видеть, чувствовать и имитировать все повадки собак. Для этого робот наделен искусственным интеллектом. Она учится, наблюдая за происходящими вокруг событиями и даже выражает свое настроение - радуется, если с ней часто играют и, наоборот, может проигнорировать очередную вашу команду, если ей уделяли мало времени.
AIBO доставит немало радости и детям и взрослым! Но главное, он позволяет на самом современном уровне изучать применение таких сложных искусственных объектов, как роботы. Для полного использования возможностей робота нужно приобрести одну из программ: AIBO Explorer или AIBO Life-2.
Интересно отметить технические характеристики робота, представленные как характеристики собаки:
· Порода: ERS-220.
· Окрас: серебристый.
· Интеллект: 64-разрядный RISC-процессор, 32 МБ оперативной памяти.
· Движения: 16 степеней свободы, обеспечивающих удивительную естественность движений робота.
· Зрение: цифровая видеокамера и инфракрасный сенсор расстояния.
· Слух: два стереомикрофона.
· Осязание: датчики прикосновения на голове, спине, хвосте, лапах.
· Словарный запас: понимает 75 голосовых команд, поданных на английском языке, от «сидеть» до «спой песенку».
Такие роботы, применяемые как средства ТСО, весьма перспективны. Они позволяют не только осваивать основы робототехники, теории и практики управления сложными объектами, но и решать задачи реального применения систем искусственного интеллекта и нечеткой логики.
Шины и разрядность микропроцессора
Микропроцессор подключается к системной шине, как и прочие блоки компьютера. Для выделения каждого устройства оно наделяется уникальным адресом – как квартиры, дома и улицы в большом городе. Недаром современные ПК имеют так называемую шинную архитектуру, которая позволяет в неограниченном количестве наращивать ПК все новым и новым периферийным оборудованием.
Шина на материнской плате компьютера – это множество плоских проводников. К шинам подключены специальные буферные микросхемы.Удобства ради принято делить системную шину на три шины.
Шина данных – двунаправленная шина, по которой данные от различных периферийных устройств подаются в процессор или, напротив, посылаются от процессора в эти устройства.
Шина адресов – однонаправленная шина, по которой от процессора посылаются сигналы, указывающие на адрес того или иного периферийного устройства.
Управляющая шина – двунаправленная шина, по которой передаются управляющие сигналы, обеспечивающие заданную последовательность работы микропроцессора и различных периферийных устройств компьютера.
По проводам шин данных и адресов идут двоичные электрические сигналы. Число проводов задает разрядность шин. В общем случае она различна для данных и адресов. Чем выше разрядность шины данных, тем больше информации передается за раз по ней. Разрядность шины адресов определяет максимальный адрес адресуемой ячейки памяти. Рабочие частоты шин современных микропроцессоров лежат в пределах от 66 до 800 МГц.
Помимо внешних шин, микропроцессор обычно имеет свои встроенные шины, которые формируются на его чипе. Размеры чипа (кристалла микропроцессора) малы, а потому такие шины могут иметь более высокие частоты работы.
Шины ПК и разъемы расширения
На материнской плате ПК шина - это внешне незаметная группа печатных проводов. Применяются следующие типы шин:
ISA (Industry Standard Architecture) – устаревшая шина ПК IBM PC XT, имеющая разрядность данных 8 бит и адресов 20 бит (у ПК AT она была увеличена до 16 и 24 бит соответственно). Разъемы расширения шины имели 62 контакта (плюс 36 для AT). Вариант EISA (Extended ISA) имел уже 32-разрядную шину данных (рис. 3.7);
MCA (MicroChanel Architecture) – шина компьютеров IBM PS/2 с закрытой архитектурой. Эта шина также уже не применяется;
PCI (Peripheral Computer Interconnect) – основная в наши дни шина для подключения периферийных устройств к ПК (рис. 3.7). Это надежная синхронная 32/64-разрядная шина. Частота ее работы была увеличена с 33 до 150 МГц и выше. Поддерживает подключение до четырех устройств, но с помощью мостов (PCI Bridges) их число можно увеличить. Слоты шины уменьшенного (по сравнению с ISA) размера имеют 94 контакта.
Со временем для ускорения работы видеоадаптера и жесткого диска были введены так называемые локальные шины (local
bus):
· VLB (VESA Local Bus) – локальная ускоренная 32-разрядная шина, введенная после создания процессоров Intel 486. В настоящее время устарела и в новых ПК не применяется;
· AGP (Accelerated Graphic Port) – новая ускоренная шина (графический порт) для подключения видеоадаптера, имеющая 66 контактов. Тактовая частота порта 66,66 МГц. Появились порты с ускорением в два раза AGP´2 и даже в четыре раза – AGP´4.
Широкое применение получила высокоскоростная универсальная последовательная шина – USB. Она хорошо дополняет традиционные порты ПК – последовательный порт RS-232 (COM) и параллельный (LPT).
Синтаксическая мера информации – бит и байт
Синтаксическая форма адекватности информации характеризуется объемом данных и количеством информации. Объем данных чаще всего измеряется числом символов (разрядов) Vd в передаваемом сообщении. В двоичной системе один разряд - это бит (или байт = 8 бит), в десятичной системе - это число, представленное одной арабской цифрой (от 0 до 9).
Единицей двоичной информации является бит. Он имеет всего два значения - логический 0 и 1 (или утверждения «Да» и «Нет» или «True» (Истина) или «False» (Фальшь или неправда). Бит может быть простейшим электрическим сигналом - есть напряжение на проводе, это логическая единица, нет - логический ноль. Точная величина напряжения принципиального значения не имеет.
Двоичные числа могут иметь много разрядов. К примеру, для передачи 16 значений десятичных чисел от 0 до 15 придется использовать минимум четыре разряда двоичного числа (24
= 16). Число 0, к примеру, мы можем записать как двоичное 0000, число 15 как 1111, а число 10 как 1010. В последнем случае имеем 10=1´8 + 0´4 + 1´2 + 0´1, где 8, 4, 2 и 1 - это веса разрядов двоичного числа.
По мере роста объема передаваемой информации пришлось перейти к более крупным единицам ее измерения. Оказалось, что для кодирования текстов самым приемлемым пакетом двоичных единиц информации стали байты - они содержат восемь двоичных единиц и, соответственно, имеют два в восьмой степени состояний (всего 28 = 256 со значениями от 0 до 255). Итак, информацию можно оценивать ее объемом - байтами, килобайтами (1 Кбайт = 1024 байта), мегабайтами (1 Мбайт = 1024 Кбайт) и т.д.
С идеи двоичного кодирования началось развитие цифровых вычислительных машин. Этому способствовало и то, что были созданы простые электронные схемы с двумя устойчивыми состояниями равновесия - например, электронные триггеры и запоминающие ячейки на основе заряжаемого и разряжаемого конденсатора. Простота этих схем содействовала надежности их работы и возможности миниатюризации.
Сканеры
Неоценимую пользу в подготовке графических файлов может принести сканер – устройство ввода, сканирующее по строкам любой рисунок или текст и передающее информацию о нем в персональный компьютер. Большинство настольных планшетных сканеров выглядят просто как прямоугольный ящик с крышкой. Под нее на стекло кладется сканируемые тексты или рисунки (вниз сканируемой поверхностью). Крышка закрывается и начинается процесс сканирования. Крышка сканера часто делается съемной для сканирования страниц толстых книг. У некоторых сканеров предусмотрена возможность сканирования слайдов.
Для работы со сканерами нужно проинсталлировать их драйверы и использовать программы, имеющие возможности для такой работы. Обычно они поставляются в комплекте со сканерами. Но есть много программ, например PhotoShop, PhotoPaint и др., которые обеспечивают многофункциональную работу со сканерами. Стандартным считается набор драйверов с названием TWAIN.
Отсканированное изображение записывается в виде файлов с обычными графическими форматами TIF, PCX, JPEG и др. Довольно часто сканеры используются для сканирования текстов и преобразования их в текстовые файлы. Для этого используется программа Fine Reader и другие подобные программы.
Состав информационной среды обучения
ИСО включает в себя две взаимосвязанные и взаимодействующие составляющие, которые вместе обеспечивают ее эффективное функционирование: носители информации, хранящие дидактические материалы (дидактическое обеспечение), и аппаратуру для воспроизведения хранящейся на носителях информации (аппаратное обеспечение) (рис. 1.8).
В зависимости от того, на какие органы чувств воздействует тот или иной элемент ИСО, можно выделить следующие их группы:
· звуковые средства обучения и воспитания (ЗСОВ);
· экранные средства обучения и воспитания (ЭСОВ);
· экранно-звуковые средства обучения и воспитания (ЭЗСОВ);
· средства вычислительной техники (СВТ).
ЗСОВ включают радиопередачи и звукозаписи. Для того чтобы использовать в учебно-воспитательной работе учебные радиопередачи, требуется радиоузел.
Согласно физическим принципам, положенным в основу записи, хранения и воспроизведения информации, к носителям звуковой информации относятся: магнитная лента и компакт-диск и соответствующая им аппаратура - магнитофон и проигрыватель компакт-дисков. Часто магнитофон и проигрыватель компакт-дисков и радиоприемник конструктивно объединяются в одном устройстве, называемо магнитолой.
Рис. 1.8. Состав информационной среды обучения
К носителям ЭСОВ относятся диапозитивы, диафильмы, эпиобъекты и транспаранты.
Диапозитивы и диафильмы представляют собой фотографические позитивные изображения (цветные и черно-белые) и демонстрируются на просвет (диа - сквозь), а эпиобъекты - это непрозрачные плоские графические изображения (открытки, иллюстрации, схемы и т.п.), которые демонстрируются в отраженном свете. Транспаранты - это особый вид диаобъектов, представляющие собой графические изображения, выполненные на прозрачной пленке и имеющие значительные по сравнению с диапозитивами размеры, что позволяет учителю изготовить их самостоятельно.
Аппаратура ЭСОВ - это диапроекторы, эпипроекторы, эпидиапроекторы ( комбинированные аппараты, позволяющие демонстрировать эпи- и диаобъекты) и кодоскопы (графопроекторы).
Следующий класс ИСО - это ЭЗСОВ, которые воздействуют одновременно на зрение и слух, кроме того, они являются динамическими, так как позволяют демонстрировать подвижные изображения, т.е. показать процесс, тогда как ЭСОВ, будучи статическими, позволяют показать только неподвижные изображения, т.е. состояние.
К носителям ЭЗСОВ относятся кинофильмы, телепередачи и видеозаписи, а соответствующая им аппаратура - это киноустановка, телевизионный приемник, видеомагнитофон и видеопроектор.
Современные средства вычислительной техники СВТ представляют собой новый и мощный класс, занимающий особое место в ИСО. Статические и динамические изображения объектов на экране дисплея и звуковые возможности компьютера позволяют апеллировать к зрению и слуху учащихся, и в этом отношении СВТ обладают всеми возможностями ЭЗСОВ.
Реализация диалогового взаимодействия с учащимися качественно изменяет характер «общения» и существенно расширяет область использования СВТ в различных учебных ситуациях.
Носителем информации этого класса ИСО является программное обеспечение (ПрО). Следует отметить, что физическим носителем информации в СВТ служат магнитные и оптические носители, однако именно ПрО делает компьютер каждый раз как бы новым устройством, решающим совершенно другую задачу, и это обстоятельство позволяет нам считать носителем информации именно ПрО.
Аппаратурой этого вида ИСО являются ЭВМ, объединенные, как правило, в информационную сеть (компьютерный класс). В будущем можно полагать, что в ИСО будут широко применяться новейшие информационные технические средства, такие, как мобильные (в том числе карманные) компьютеры и телефоны, объемные экраны и иные новинки, которые могут появиться уже в самое ближайшее время.
Состав ИСО показывает, какими мощными и разнообразными техническими средствами располагает современный учитель.Они образуют область, именуемую техническими средствами обучения - ТСО. Нельзя указать наиболее эффективный вид ТСО, в зависимости от конкретной задачи и учебной ситуации возможно применение любого вида ТСО или их комплекса.
Развитие ИСО происходит в направлении совершенствования технических характеристик ее составляющих и создания комплексов ТСО на базе средств вычислительной техники, осуществляющей управление этими комплексами.
Современные магнитофоны
Магнитофоны делятся на две группы: катушечные и кассетные, однако для учебных целей применяются исключительно кассетные магнитофоны, которые мы и будем рассматривать. Кассетные магнитофоны используют скорость движения ленты 4,7 или 2,3 см/с. Важным преимуществом кассетных магнитофонов является удобство их эксплуатации.
Большинство магнитофонов являются стереофоническими. В этом случае на каждую сторону магнитной ленты записывается одновременно сигнал левого и правого каналов. Стереофонический магнитофон содержит два комплекта узлов электрической схемы, представленных на рис. 5.13.
Некоторые магнитофоны не имеют оконечного усилителя и громкоговорителей. Такие магнитофоны называются магнитофонами-приставками, или деками. Деки часто делают с двумя лентопротяжными механизмами для перезаписи программ из одного механизма на другой.
Аналоговой магнитной записи присущи шумы, особенно заметные в паузах. Для их снижения применяются специальные шумоподавители системы Долби. Используется также динамическое подмагничивание, при котором уровень высокочастотного сигнала, подаваемого на головку записи зависит от уровня сигнала - он уменьшается при малых сигналах. Это повышает отдачу, особенно на высоких частотах и заметно снижает уровень шумов магнитофона (до -60 дБ).
Рис.5.14. Миниатюрный магнитофон-проигрыватель HS-PS 301 фирмы Aiwa
Есть и специальные миниатюрные магнитофоны для записи речи - диктофоны (рис. 5.15). Они оснащены средствами быстрого включения и выключения при начале речи и ее окончании. Диктофоны обычно имеют небольшой динамик, позволяющий прослушать сделанную запись. Они очень удобны для протоколирования заседаний и проведения интервью журналистами.
Рис.5.15.
Миниатюрный магнитофон-диктофон VS-615 фирмы Aiwa
Рис. 5.16. Диктофон на микрокассете Sony M-550V
Важнейшими параметрами магнитофона являются:
· номинальный диапазон воспроизводимых частот;
· коэффициент нелинейных искажений;
· уровень помех и коэффициент детонации.
Коэффициент детонации характеризует равномерность движения магнитной ленты в магнитофоне. Если магнитная лента при записи и (или) воспроизведении движется неравномерно, то возникают характерные искажения звука - детонации.
Эти искажения наиболее заметны при воспроизведении фортепьянной музыки и проявляются в виде «плавания» звука. Для высококачественного магнитофона коэффициент детонации не должен превышать 0,05...0,1 %. Уровень помех характеризует соотношение между величиной полезного сигнала и величиной сигнала помех, возникающих в магнитофоне. В хорошем магнитофоне уровень помех составляет -50...-60 дБ.
Магнитные ленты делают на основе полимерного материала, на который нанесен рабочий слой. Рабочий слой состоит из порошка ферромагнитного материала, распределенного в связующем веществе. Магнитные ленты различаются шириной, материалом и толщиной основы, а также типом ферромагнитного материала рабочего слоя. Более тонкие магнитные ленты позволяют увеличить длину ленты на кассете и повысить время звучания. Выпускаются магнитные ленты толщиной 55, 37, 27 и 19 мкм.
Наибольшее применение находят магнитные ленты с рабочим слоем из порошка оксида железа (тип I). Для кассетных магнитофонов выпускаются также ленты с рабочим слоем из диоксида хрома (тип II) и др.Необходимо помнить, что использование магнитной ленты, не предусмотренной изготовителем, может привести к ускоренному износу магнитных головок. Тип магнитной ленты указан на кассете.
Магнитную ленту при эксплуатации следует оберегать от воздействия влаги, пыли и др. Нельзя ее размещать вблизи источников магнитного поля (электродвигатели, трансформаторы и т.д.), источников тепла, подвергать ее действию прямых солнечных лучей. При длительном хранении фонограмм необходимо один раз в полгода перематывать ленту для снятия внутренних напряжений. Необходимо эксплуатировать магнитную ленту на исправной аппаратуре. Неисправный лентопротяжный механизм вызывает вытягивание и коробление ленты, что приводит к порче фонограммы.
Современные модули оперативной памятиÄ
С 1997 г. произошел массовый переход на память, реализуемую микросхемами SDRAM в модулях DIMM. Они давали время доступа 50 нс при использовании чипсета 440BX. Затем появилась модули SDRAM PC100 (частота 100 МГц) с временем выборки 8 нс. Они широко используются с процессорами Celeron.
Совершенствование этих модулей привело к созданию DDR SDRAM (SDRAM II) и ESDRAM со стандартным разъемом на 168 контактов (рис. 3.9) и частотой до 125 и позже 133 МГц. Пропускная способность ESDRAM достигла 1.6-3,2 Гбайта/c. Эти модули памяти используются в ПК с Pentium II, Pentium III и Pentium 4.
Новый процессор Pentium 4 оказался подлинным «полиглотом» в части применения памяти самого разного вида. Он поддерживает работу даже с модулями PC133, обеспечивая если и не рекордное, то вполне приемлемое ускорение скорости работы офисных программ. Это открыло возможность применения Pentium 4 с такой памятью для построения дешевых ПК.
Еще лучше результаты получаются при использовании DDR266/333, что дает выигрыш по скорости работы до 2-2,3 раз. Однако в целом применение этих модулей оказалось не очень оправданным – в ПК низшей категории можно применять старую и хорошо отработанную память на модулях PC133. Но новые модули вполне разумно применять для компьютеров на процессорах Athlon XP фирмы AMD. Перспективным видом памяти для ПК с Pentium 4 становится сверхскоростная память RDRAM фирмы Rambus, реализованная в модулях PC800 с рабочей частотой 800 МГц с разъемом RIMM (Rambus In-Line Memory Module).
Если для вполне удовлетворительной работы операционной системы Windows 98 хватало 64 Мбайт памяти, то новая Windows XP требует хотя бы 128 Мбайт. А для хорошей работы ее работы потребуется 256 Мбайт.
Создание корпорации Intel
Лидер микроэлектронной индустрии – корпорация Intel была основана тремя специалистами: Бобом Нейсом, Гордоном Муром и Энди Гроувом - в конце 60-х годов прошлого века. Название фирмы происходит от слов INTegral ELectronic (интегральная электроника). Начальную финансовую поддержку фирме в объеме 2,5 миллиона долларов оказал финансист Артур Рок. Поначалу Intel выпускала ходовой в те годы товар - микросхемы памяти.
В 1969 году некая малоизвестная японская фирма Busicom заказала Intel разработку дюжины микросхем для своего нового микрокалькулятора. Ее поручили трем сотрудникам фирмы Intel - Теду Хоффу, Федерико Феджину и Стэну Мэйзору. Эта разработка и стала тем золотым яичком, которое снесла Intel и за которое они были занесены в список лауреатов Национального зала славы изобретателей США. Славная троица вместо десятка микросхем придумала одну, но такую, функции которой задавались программным путем.
Новую микросхему назвали 4004, а вскоре за ней утвердилось название «микропроцессор», поскольку ее функции напоминали функции центрального процессора ЭВМ. Создатели первых микропроцессоров считали их особенно перспективными в устройствах промышленной электроники и бытовой техники. Разработкой и производством микропроцессоров занялось множество фирм. Но бессменным лидером микропроцессорной индустрии остается корпорация Intel.
Специальные виды кодирования и криптография
Рассмотренное выше кодирование информации является самым простым. Существует множество и других систем кодирования:
· кодирование с целью сокращения объема информации путем удаления из нее избыточной информации;
· кодирование для оперативной шифровки информации;
· помехоустойчивое кодирование для устранения влияния помех и случайных сбоев в каналах связи;
· кодирование для устранения несанкционированного доступа к информации или к информационным устройствам.
Более актуальным является кодирование для запрета несанкционированного доступа к данным или просто к информационным устройствам – программам, компьютерам, сотовым телефонам, средствам Интернета и т.д. Разработкой методов такого кодирования занимается специальная наука – криптография.
Имеется много вполне очевидных способов кодирования сообщения. В детстве все мы кодировали слова, произнося их задом наперед. Например, слово «привет» при этом звучало как «тевирп». Юрий Цезарь еще до нашей эры немного превзошел детей. В его письмах каждая буква с начала алфавита заменялась такой же по порядку, но с конца алфавита.
Применение компьютеров позволяет использовать в ходе кодирования хитроумные коды, получаемые в результате сложных математических расчетов и вводимые с помощью особых правил - ключей. При этом для расшифровки надо использовать другие ключи. Часто такие ухищрения применяются для защиты от копирования программ или обеспечения защиты от несанкционированного доступа к компьютеру или сотовому телефону.
Любопытно, что расшифровка кодов, например, простейшим методом их перебора, может быть возложена на сам компьютер. Однако при кодах высокой разрядности и специальных приемах шифрования (например, разложением чисел на простые множители) для разгадки кодов требуется так много операций, что такая разгадка становится сложной даже для супер-ЭВМ, превосходящих по производительности ПК во много тысяч раз.
Сравнение новых микропроцессоров класса Pentium
О данных трех последних поколений микропроцессоров Intel позволяет судить приведенная ниже таблица.
| Характеристика | Pentium II | Pentium III | Pentium 4/4 M | ||||
| Число транзисторов | 7,5 млн. | 9,5 млн. | 42 - 75 млн. | ||||
| Тактовая частота | 0,45 ГГц | 1 ГГц | 1,4-3,06 ГГц и выше | ||||
| Тип исполнения | Динамический | Динамический | NetBurst, Hyper-Threading | ||||
| Кэш L2 | Отдельный | Отдельный | На кристалле | ||||
| Системная шина | 100 МГц | 133 МГц | 400 – 533 МГц | ||||
| Технология MMX | Есть | Есть | Есть | ||||
| Потоковые SIMD-
Расширения | Нет | Есть | Есть | ||||
| Потоковые SIMD-
Расширения – 2 | Нет | Нет | Нет |
Это сравнение позволяет еще раз сделать вывод о том, что процессор Pentium II стал бесперспективным. Его выпуск уже прекращен, тогда как выпуск Pentium III продолжается. Нишу Pentium II заняли более мощные и вполне современные микропроцессоры Celeron новых поколений.
Стереофоническое воспроизведение звука
Звуковые волны, достигающие правого и левого уха, несколько отличаются друг от друга. Если источник звука расположен сбоку от слушателя, то к одному уху звуковая волна приходит непосредственно, а к другому- обогнув голову. Мозг улавливает разницу в звуковых колебаниях, воспринимаемых левым и правым ухом. В результате человек может определить местонахождение в пространстве источника звука. Способность слуха определять направление на источник звука называется бинауральным эффектом.
Слушатель, прослушивающий звуковую программу через один громкоговоритель, теряет часть информации, которую содержит звуковая волна. Для него звуки всех инструментов оркестра кажутся исходящими из одной точки. Теряется объемность звука. Такой способ звукопередачи называется монофоническим.
Рис. 5.3. Музыкальный стереофонический центр Sony CYBER CMT-5
Слушатель, находящийся в зоне стереоэффекта, ощущает объемность звука. Возникает возможность определить направление на источник звука. Качество звучания улучшается, повышается его естественность. При стереофоническом звуковоспроизведении менее заметны на слух частотные и нелинейные искажения. Качество звучания в целом существенно повышается.
Двухканальная стереофония нашла широкое применение в радиовещании и магнитной записи звука. Иногда применяются более сложные системы, например квадрофоническая четырехканальная система. При ней громкоговорители располагаются в углах комнаты. В так называемых домашних видеотеатрах применяются шестиканальные системы (5+1). Они имеют две пары акустических колонок спереди слушателя и сзади, отдельную колонку в центре (над или под телевизором) и низкочастотную колонку - сабфувер. Такие системы обеспечивают натуральное объемное звучание, например, при звуковом сопровождении видеофильмов, записанных на так называемые диски DVD, которые мы рассмотрим чуть ниже. Они обеспечивают высочайшее качество воспроизведения как видеофильмов, так и звука.
Световолокно и структура световолоконной линии
Свет имеет самую высокую скорость распространения из всех известных носителей информации. Мы часто видим вспышку молнии, и лишь через некоторое время до нас доходит звук грозового разряда. Ток в проводах распространяется намного быстрее звука, но и заметно медленнее, чем свет. Поэтому в последние годы широко применяются световолоконные линии связи.
Отдельное световолкно такой линии представляет собой пруток из стекла с коэффициентом преломления n1 в центре и плавным переходом к оболочке, имеющей коэффициент преломления n2 - см. рис. 4.1. Воздушная среда имеет коэффициент преломления n0. Для подачи светового луча в световолокно и вывода его используются специальные оптические разъемы. Они похожи на электрические разъемы, но сложнее их и дороже.
Рис. 4.1. Конструкция волокна современного световолоконного кабеля
Если пустить вовнутрь трубки световой луч под малым углом ja, то он будет испытывать многократные внутренние отражения от стенок трубки и будет передаваться от начала трубки к ее концу. Если коэффициент преломления n внутри волокна меняется плавно, то и отражения будут носить плавный характер - как на рис. 4.1.
Поразительно, но в стекловолокне свет может передаваться на многие километры без сильных потерь, и при этом его можно модулировать с частотами примерно до 10 ГГц. Таким образом, через световолокно можно передавать гигантские объемы информации со скоростью, близкой к скорости света. При этом потери энергии света гораздо меньше потерь электрической энергии в проводных линиях связи.
Структура простейшей световолоконной сети следующая (eвх(t) и eвых(t) - временные зависимости напряжения входного и выходного сигналов):
eвх(t) ® излучающий диод ® световолокно ® фотодиод ® eвых(t).
Каждое преобразование ведет к потере энергии сигнала. Но это оправдывается возможностью передачи по световолокну огромных объемов информации. Кроме того такие потери информации компенсируются применением электронных усилителей, например после фотодиода. Нередко линии строятся с применением промежуточных ретрансляторов, которые имеют описанную структуру и дополняются усилителями.
Связь с применением инфракрасного порта
Инфракрасный порт, или ИК-порт,
одно из наиболее часто используемых устройств для беспроводного обмена данными между мобильными устройствами: сотовыми телефонами, карманными компьютерами и ноутбуками. Есть даже внешние (периферийные) устройства с инфракрасными портами, например принтеры, сканеры, цифровые фотоаппараты и т.д.
ИК-порт представляет собой приемопередатчик, состоящий из свето- и фотодиодов, работающих в инфракрасном диапазоне (длина волны — от 850 до 880 нанометров). Цифровой сигнал после усиления направляется на светодиод одного устройства и посылается в виде инфракрасного излучения на фотодиод другого устройства. Сигнал фотодиода усиливается и восстанавливается по форме. Аналогично работает канал связи в обратном направлении. Таким образом, у обоих устройств должна быть пара светодиод-фотодиод.
Внешним признаком наличия ИК-порта является окошечко из темной (или темно-красной) прозрачной пластмассы, за которым находится пара светодиод-фотодиод. Скорость передачи информации с помощью ИК-связи колеблется в диапазоне от 2400 бит/с до 115 кбит/с, а в случае с компьютерными ИК-портами может достичь 4 Мб/с. Для ИК-связи существует свой стандарт совместимости — IrDA, позволяющий устройствам разных производителей понимать друг друга.
Для того чтобы связать два устройства посредством ИК-портов (рис. 4.6), необходимо соблюдать ряд требований. Так, между ИК-портами обоих устройств не должно быть никаких преград, расстояние между ними не должно превышать одного метра, а угол, под которым устройства должны находиться по отношению друг к другу, не должен превышать 60 градусов. Все эти нюансы делают ИК-связь не столь удобной в использовании, как бы того хотелось.
Рис. 4.6. Использование инфракрасного порта для связи между мобильным телефоном и компьютером (слева) и между двумя телефонами (справа)
Инфракрасный порт используется для решения простых задач - например, обмена данными телефонных книг, передачи музыкальных сигналов вызова и цифровых фото, подключения к компьютеру принтера и т.д.
Технические основы Интернета
Глобальная (общемировая) сеть Интернета – это совокупность неопределенного множества самых различных сетей, работающих по согласованным правилам - протоколам. Вначале решающее значение в глобализации Интернета сыграла уже существующая общемировая телефонная сеть. Именно она была способна подключить к «информационному облаку» Интернета практически любого пользователя, вне зависимости от места его проживания.
Для связи удаленных компьютеров по телефонным линиям были разработаны специальные устройства для МОдуляции цифровых сигналов и их ДЕМодуляции - модемы. Они позволяли превращать цифровые сигналы компьютеров в аналоговые, передаваемые по телефонной линии связи, и наоборот. В результате появилась возможность обмена информацией между удаленными на огромные расстояния компьютерами через модемы с помощью уже построенных и довольно распространенных телефонных линий.
Применение цифровых методов для обработки информации позволило в реальном масштабе времени использовать хорошо отработанные компьютерные методы сжатия цифровой информации. В итоге через телефонную линию, обычно передающую сигналы с частотой до 2,5 кГц, стало возможным передавать цифровые сигналы со скоростью до 20-33, а сейчас и до 56 Кбит/c и даже 112 Кбит/c. Впрочем, тут надо сразу отметить, что в большинстве случаев скорость передачи информации по обычной сети Интернет для рядовых пользователей редко превышает 28-33,6 Кбит/с. Зато специальные технические решения позволяют довести ее до нескольких Мбит/c.
Специальные линии, например, в виде коаксиальных кабелей, линий с повышенной скоростью передачи цифровой информации ISDN (Integrated Services Digital Network - цифровая сеть интегрированных служб) или световолоконных линий связи, позволили увеличить скорость передачи информации в сотни и даже в тысячи раз. Такие линии сейчас проложены между многими крупными городами мира и между почти всеми странами. Они составляют часть весьма разнообразных технических средств Интернета.
Все эти линии, узлы, серверы, поисковые системы, клиентские ПК и так далее образуют ресурсы Интернета, которые можно рассматривать как самую большую в истории человечества, непрерывно расширяемую и доступную всем базу данных.
Важно отметить, что по Интернету передаются не полные сообщения, а пакеты - части сообщений. Они снабжаются адресами и распространяются по разным направлениям, пока не будут где-то собраны в одно целое. Один и тот же пакет может распространяться по нескольким ветвям сети с непременным дублированием, что гарантирует его доставку даже при обрыве ряда ветвей. Разумеется, пакеты имеют данные, указывающие на то, как их «сшить», чтобы получить исходное сообщение в первоначальном виде.
На первых порах в Интернете особую значимость имела проблема последней мили. Так именуют отрезок телефонной линии, подключающий компьютер пользователя через модем к местной АТС. Именно этот отрезок дает ограничение скорости обмена информацией через Интернет. Однако затем стали появляться решения этой проблемы путем прокладки внутригородских кабельных и световолоконных линий связи, применения спутниковых систем и, наконец, беспроводной связи через радиомодемы, в том числе встроенные в сотовые телефоны.
Технические средства подготовки дидактического материала
Видео- и фотосъемка представляют собой сплав науки и искусства, и при этом их реализация зависит от правильного выбора и использования соответствующих технических средств. Из материала, приведенного ниже, читатель узнает о принципе действия, устройстве и возможностях этой аппаратуры. Приемы же работы ему придется осваивать самому на практике, прибегая к помощи специальной литературы.
Телевидение и телевизоры
Телевизионные передачи ведутся в метровом (6.2 – 1.3 м) и дециметровом (64 – 47 см) диапазоне волн. В метровом диапазоне расположено 12 телевизионных каналов (с 1 по 12), в дециметровом диапазоне размещено 40 каналов (с 20 по 60). Для приема телевизионных сигналов применяются телевизионные приемники - телевизоры.
Телевизионный приемник должен обеспечивать:
· выбор требуемого канала (передающей телестанции), который осуществляется селектором каналов;
· выделение аудиосигнала,
· выделение видеосигнала, который поступает на блок цветности и яркости;
· выделение сигналов синхронизации, поступающих на блок разверток (строчной и кадровой).
Функциональная схема телевизора представлена на рис. 5.29.
 |
Рис.5.29. Блок – схема телевизионного приемника (1- антенный вход, 2- гнездо Video In (видеовход), 3- гнездо видеовыхода Video Out, 4- гнездо аудиовход Audio In, 5-гнездо аудиовыхода Audio Out).
Видео- и аудиосигналы (на рис. 5.29. звуковой канал изображен пунктиром) поступают на электронный коммутатор, с которого видеосигнал передается на блок цветности и яркости, а аудиосигнал поступает на усилитель звуковой частоты и затем - на громкоговоритель.
Электронный коммутатор снабжен штекерными гнездами и\или специальным разъемом, что позволяет при соответствующем выборе режима работы телевизора использовать полученные сигналы. Входные сигналы (гнезда Video In, Audio In) используются при воспроизведении видеозаписей, а выходные сигналы (гнезда Video Out, Audio Out) –для работы с видеомагнитофоном в режиме записи. Особенности соединений телевизора и видеомагнитофона будут рассмотрены позже.
Блок цветности и яркости на основе видеосигнала формирует сигналы трех составляющих (R- красный, G- зеленый, B- синий) цвета изображения. С выхода этого блока сигналы поступают на три электронных прожектора электронно-лучевой трубки (см.
рис. 3.23), соответствующие этим цветам. На рис. 5.30 показана современная электронно-лучевая трубка с магнитным отклонением (кинескоп) и со щелевой маской (Trinitron).
Если сложить все три основных цвета с максимальной интенсивностью, то получится чисто белый цвет; если просуммировать три цвета нулевой интенсивности, то получится чисто черный цвет. Сложение основных цветов с одинаковой интенсивностью в общем случае дает серый цвет. Если светятся синие и зеленые точки люминофора, то зрительно экран будет казаться голубым; если светятся красные и синие точки, то экран будет пурпурным и т.п. Таким образом, изображение на экране состоит из большого количества (примерно 1,5 млн.) светящихся различным цветом точек, т.е. представляет собой дискретный сигнал.
Подобную технику используют художники, правда, с гораздо меньшим количеством точек, чем на экране. Это направление в изобразительном искусстве называется пуантилизмом, а его самым известным представителем является французский художник Жорж Сера.
Построение изображения на экране электронно-лучевой трубки происходит по элементам, и этот процесс называется разверткой изображения. Для этого служит блок разверток. Сигналы с выхода блока разверток поступают на магнитную отклоняющую систему электронно-лучевой трубки, осуществляющей отклонение (развертку) электронного луча по горизонтали и по вертикали.
Рис.5.31. Формирование кадра телевизионного изображения
Движение луча по горизонтали называется строчной разверткой, а движение по вертикали - кадровой разверткой. Движение луча от начала строки к ее концу- прямой ход развертки (жирные линии на рис.5.31), возвращение луча к началу строки- обратный ход (тонкие линии на рис.5.31).
Для перемещения луча ( одновременно трех лучей) по экрану служат отклоняющие системы: строчная – для перемещения луча по горизонтали и кадровая – для перемещения луча по вертикали. Кадровая развертка, как и строчная, имеет прямой и обратный ход. Во время обратного хода как строчной, так и кадровой развертки электронные лучи «гасятся».
В телевизионных системах частота смены кадров принята 25 Гц и применяется чересстрочный способ, при котором передается кадр, состоящий из двух полукадров, или полей. За время развертки первого поля вычерчиваются нечетные строки, а за время развертки второго поля - четные.
Каждое поле содержит информацию только о половине элементов изображения целого кадра. Однако благодаря инерционности зрения изображение обеих полей воспринимается как слитное изображение, содержащее полное число элементов. Слитному восприятию способствует также тот факт, что при большом числе строк разложения сюжет изображения одной строки мало отличатся от сюжета изображения следующей строки.
Таким образом, мы еще раз отмечаем дискретный характер (триады, строки, поля, кадры) изображения на экране.
Полный телевизионный сигнал в упрощенном виде (рис. 5.32) включает импульсы кадровой и строчной разверток и видеосигнал.
Рис. 5.32 Полный телевизионный сигнал
На рис. 5.32 вверху изображены кадровые (серый цвет) и строчные синхроимпульсы, в нижней части рисунка представлены графики напряжения кадровой (пунктир) и строчной разверток.
Принцип получения подвижного изображения в телевизионной технике такой же, как в кинотехнике, т.е. на экране строится последовательность неподвижных кадров, на каждом из которых зафиксирована определенная фаза движения. Частота смены кадров, принятая в телевизионной технике, – 25 кадров в сек. - очень мало отличается от частоты смены кадров в кинотехнике, – 24 кадра в секунду, что, впрочем, не является принципиальным.
Рис. 5.33. Настольный телевизор фирмы Aiwa TV-SE2130 со стереофонической акустикой
Современные телевизоры имеют, как правило, пульт дистанционного управления (на рис. 5.33 он показан слева), а также разъемы для подключения различных внешних устройств - видеомагнитофонов, DVD-проигрывателей, игровых приставок и т.д. Удобно (как на рис. 5.30), когда эти разъемы расположены на передней панели телевизора.
Терагерцовые полевые и биполярные транзисторыÄ
(TeraHertz) (рис. 1.10). Приборы способны работать с фантастически высокими частотами переключения – более 1000 ГГц (или выше 1 ТГц).
Рис. 1.10. Терагерцовый сверхминиатюрный полевой транзистор (источник Intel)
Этот прибор способен работать в тысячу раз быстрее, чем обычный полевой транзистор с изолированным затвором (рис. 1.9). Прибор как бы утоплен в металле. Изолятор его затвора (Gate) состоит из нового диэлектрика (New gate dielectric) – ноу-хау Intel. Он имеет намного меньшие токи утечки, что позволяет транзистору работать при очень малых рабочих токах. Область транзистора – островок кремния (Silicon) - ограничена и оксидным слоем (Oxide), истоком (Source) и стоком (Drain) транзистора, что позволяет создавать тысячи транзисторов на месте, где ранее удавалось создать всего один (кстати, тоже очень маленький) транзистор.
Intel утверждает, что новый транзистор позволит создавать микропроцессоры с числом в тысячу раз большим, чем даже у Pentium 4, а в них их больше 40 миллионов. Это значит, что оно достигнет уже под сорок миллиардов, да еще без увеличения потребляемой мощности.
Рис. 1.11. Структура биполярных кремниево-германиевых сверхскоростных транзисторов на основе гетеропереходов
Кремниево-германиевая база этого транзистора имеет уникально малую толщину. Прибор использует так называемые гетеропереходы (слои разных по свойствам материалов), в разработку которых внес большой вклад лауреат Нобелевской премии академик Жорес Алферов (Россия, Санкт-Петербург).
Эти приборы обладают рекордными показателями по скоростям переключения, имеют меньшие шумы и работают при более низких рабочих напряжениях, чем полевые транзисторы со структурой «металл-диэлектрик-полупроводник» - МДП (или MOS). Они используются в коммуникационных и тестовых микросхемах, применяемых для сверхскоростных электронно-оптических устройств.
Типичный пример цифровой системы записи информации
На преобразовании аналоговых сигналов в цифровые и наоборот основана работа многих устройств и систем (рис. 1.5), например.
Рис. 1.5. Система цифровой записи информации на жесткий диск компьютера
Аналоговая информация в системе с помощью АЦП преобразуется в цифровую, представленную в виде двоичных чисел. Через усилитель импульсов она в виде сигналов поступает на головку записи/считывания жесткого диска. Эта головка представляет собой катушку, намотанную на миниатюрном железном или ферритовом сердечнике. На жестком диске информация хранится в виде намагниченных головок и размагниченных участков.
Канал воспроизведения содержит головку считывания (обычно совмещаемую с головкой записи), усилитель импульсов и ЦАП. Магнитное поле поверхности диска создает в катушке головки электрический сигнал, который усиливается усилителем и подается на ЦАП. Последний превращает цифровые сигналы в аналоговые, но с заметными ступеньками. От них избавляются с помощью фильтра.
Коды цифровой информации практически не меняются при многократной перезаписи или копировании информации. Шумы могут повлиять на физические уровни логического нуля и единицы цифрового сигнала. Но они практически не влияют на логические уровни этого сигнала. Например, логический нуль может быть в пределах от 0 до 1 В, а логическая единица от 2,5 до 5 В. В результате, если уровни сигнала не выходят за эти пределы, то появляется возможность многократного тиражирования цифровой информации вне зависимости от числа копий и при сохранении качества записи.
Преобразование аналоговой информации в цифровую позволяет использовать мощные средства компьютерной обработки информации. Например, информация может сжиматься для сокращения ее объема или кодироваться для повышения помехоустойчивости. Возможна цифровая обработка сигналов специальными цифровыми сигнальными процессорами DSP (Digital Signal Processor) для создания различных звуковых эффектов.
Голосовое управление компьютером, сканирование и распознавание печатных текстов стало уже вполне обыденной задачей, как и их звуковое воспроизведение компьютером. К примеру, компьютерный переводчик Magic не только переводит тексты с одного языка на другой (и наоборот), но и произносит их вслух. Выпущено уже множество таких переводчиков в виде миниатюрных аппаратов.
Типы современных КПК
Одними из первых были созданы клавиатурные КПК. Но они постепенно доживают свой век. Ныне в производстве клавиатурных КПК удержались лишь модели могучей корпорации Hewlett Packard – Jornada 690 и 720 (рис. 3.30), использующие ОС Windows CE.
Огромен вклад в разработку КПК корпорации Palm. Рынок Palm-подобных КПК c надежной Palm
OS (до версии 5.0) самый обширный и представительный. В России вовсю представлены модели Palm III, Palm V, Palm 100/125/ 130/ m500/m515 и многие другие. Достойно представлены и новые модели корпорации Sony. В среднем эти КПК стоят дешевле моделей Pocket PC. Однако в настоящее время КПК класса Palm теряют свои позиции на рынке КПК.
С этими КПК недавно стали конкурировать КПК класcа Pocket PC c ОС Windows CE 2.0/3.0. Но сейчас самым перспективным является рынок КПК класса Pocket PC 2002 с одноименной ОС. На российском рынке уже представлен с десяток моделей таких КПК фирм Hewlett Packard, Compaq (рис. 3.31), Casio и Toshiba и др. Их типовая цена 450-800 $. Почти все эти фирмы пошли на упрощение своих базовых моделей КПК, выпустив более простые и дешевые (стоимостью 300-350 $) варианты КПК с уменьшенной емкостью. Емкость ОЗУ у них 16 или 32 Мбайта вместо типовых 64 Мбайта.
Большую популярность получили микрокомпьютеры для просмотра текстов и выполнения функций электронного органайзера типа Pocket Viewer (PV) корпорации Casio. Они уникальны надежностью хранения данных (все во флэш-памяти) и прекрасно выполненной локализацией.
К специальным КПК можно отнести также миниатюрные компьютерные переводчики, например PARTNERÒ. Это говорящий переводчик с базой на миллион слов с транскрипцией, снабженный справочником по грамматике, набором неправильных глаголов, идиом и тестов TOEFL. Он имеет встроенный переводчик (адаптированный Socrat), способный переводить сообщения электронной почты по мере их поступления. С помощью встроенного модема PARTNERÒ может работать с электронной почтой и отправлять факсы. Он может синхронизироваться с настольным КПК, например, для получения электронных книг, которые можно читать на его контрастном экране с подсветкой. Наконец, у этого переводчика есть функции органайзера, синхронизированного с Microsoft Outlook.
Транзисторые ЭВМ второго поколения
Рис. 1.16. ЭВМ «Урал-16» - одна из последних советских ЭВМ второго поколения
Уже на этапе развития второго поколения ЭВМ можно было выделить их сердцевину - центральный процессор. Это было весьма сложное устройство, в сущности выполняющее все логические и арифметические операции над данными под управлением программы. Разработчики каждой ЭВМ создавали свой центральный процессор, на что уходило много времени и сил.
Появление транзисторов привело к возможности резкого увеличения объемов памяти и функциональных возможностей ЭВМ. Там, где раньше применялись тысячи ламп, стали применять сотни тысяч транзисторов. Они уходили на расширение памяти и выполнение сложных функций, отводимых процессору и периферийным устройствам. Поэтому габариты и масса ЭВМ оставались большими.
Трехмерные полевые транзисторыÄ
Рис. 1.12. Структура (слева) и микрофотография (справа) трехмерного полевого микроскопического транзистора
Применение такой структуры позволило, не увеличивая общую площадь, занимаемую транзистором в целом, повысить площадь канала и увеличить крутизну транзистора S = DIc/DUз. А это увеличивает скорость переключения прибора.
Усиление звуковых сигналов
Рис. 5.2. Схема акустического тракта, содержащего микрофон, усилитель и акустическую систему
Подобное устройство, выполненное в одном небольшом корпусе, называется мегафоном. Оно широко применяется для дачи объявлений и команд.
Усилители звуковых частот
Сигнал от микрофона очень мал (обычно тысячные ватта), тогда как подаваемая на громкоговорители мощность составляет десятки и сотни ватт. Таким образом, возникает необходимость в усилении звуковых сигналов. Усилителем называется электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности (напряжения или тока) электрических сигналов. Основные активные элементы современных усилительных устройств – биполярные или полевые транзисторы. Ко входу усилителя подключается источник сигнала, например, микрофон, к выходу усилителя подключается нагрузка.
Усилители выпускаются как самостоятельные, вполне законченные устройства, так и выполненные в составе различных устройств, например музыкальных центров (см. рис. 5.3 в центре). Усилители имеют выключатель питания и регулятор громкости. Некоторые усилители имеют регуляторы тембра по низким и высоким частотам и даже «графичесские» регуляторы тембра - эквалайзеры.
Важнейшими параметрами усилителя являются выходная мощность, номинальный диапазон частот, линейность характеристики «вход - выход». Рассмотрим эти характеристики и связанные с ними понятия.
Частотные искажения.
Человек слышит звуки в полосе частот примерно от 20 Гц до 20 000 Гц. И если мы хотим услышать из громкоговорителя звук во всем его частотном богатстве, то нужно провести этот звук (точнее, его электрическую копию) от микрофона до громкоговорителя без каких-либо частотных искажений. То есть на всем пути, пролегающем, например, через микрофон, усилители, устройства звукозаписи и считывания, громкоговорители, нужно сохранить изначальное соотношение между всеми частотными компонентами сложнейшего звукового аккорда, между составляющими звука во всей полосе от 20 Гц до 20 кГц. Задача непростая, если решать ее в полном объеме, аппаратура получится сложной, дорогой. Поэтому в аппаратах средней и невысокой стоимости воспроизводят более узкую полосу частот, скажем, 20 Гц — 12 кГц или 200 Гц — 6 кГц, и мирятся с тем, что звучание получается не отличным, а хорошим или даже всего лишь удовлетворительным.
Рис.5.11. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя
Коэффициент нелинейных искажений. Если подать на вход идеального усилителя синусоидальный сигнал, то сигнал на выходе также будет синусоидальным. Однако если усилитель имеет нелинейность, то сигнал на выходе будет отличен от синусоидального, и на его выходе появятся дополнительные составляющие - гармоники. В результате на выходе всей системы, то есть в громкоговорителе, появляются компоненты звука, которых не было на входе, слышатся посторонние призвуки и хрипы.
Эти искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений - отношением среднеквадратического значения напряжения (или тока) высших гармоник к напряжению (или току) первой гармоники. Часто эта величина задается в процентах. Считается, что нелинейные искажения в 2—3 процента незаметны на слух, но все же в высококлассной аппаратуре стараются, и не без оснований, сделать их менее одного процента, а порой и гораздо меньше.
Выходная мощность усилителя. Вообще говоря, существует множество определений мощности усилителя - номинальная, максимальная, пиковая и т.д. Ограничимся приведением определения номинальной мощности - эта мощность на выходе усилителя при заданном значении коэффициента нелинейных искажений.
Уровень собственных шумов. Даже когда на входе усилителя отсутствует сигнал, на его выходе существует напряжение шумов, и эти шумы слышны в громкоговорителе. Шумят ламповые и транзисторные усилители из-за ничтожных флюктуаций тока. По той же причине в какой-то мере шумят все элементы электронных схем, даже обычные проводники.
Шумы - вещь неприятная, и не только потому, что слышны в паузах.
Шумы забивают слабый сигнал, приходится искусственно поднимать его уровень и при этом жертвовать реальным динамическим диапазоном - соотношением самого громкого «форте» и самого тихого «пиано».
Уровень шума измеряется отношением напряжения шумов на выходе усилителя Uш к максимальному напряжению Uм сигнала. Это отношение обычно измеряется в децибелах как 20×log(Uш/Uм). В хорошей аппаратуре уровень собственных шумов обычно меньше –60 дБ, т.е. шумы по напряжению в 1000 раз меньше, чем сигнал.
При использовании микрофона в системе звуковоспроизведения возможно самовозбуждение системы, проявляющееся в появлении сильного звука некоторой частоты. Это происходит, если звук от громкоговорителя попадает в микрофон, затем сигнал усиливается, достигает громкоговорителя и т.д. Это явление называют акустической обратной связью. Для устранения самовозбуждения следует располагать микрофон так, чтобы звуковые колебания, излучаемые громкоговорителем, не попадали в микрофон, можно также уменьшить громкость.
Устройство и назначение микропроцессора
Микропроцессор - это миниатюрное устройство для выполнения различных логических и арифметических операций без участия человека по заданной для него программе, которая (как и данные) хранится в памяти – чаще всего оперативной.
Можно рассмотреть несколько наиболее важных блоков микропроцессора и уточнить их функции и работу. Все эти блоки располагаются на системной (или материнской) плате компьютера.
В СССР кибернетика объявлена лженаукой
Между тем в период самого бурного расцвета вычислительной техники кибернетика в СССР была объявлена лженаукой и даже гнусным порождением мирового империализма. Научные коллективы кибернетиков разгонялись и шельмовались. Забвению надолго были преданы их немалые достижения.
Впрочем, почуяв ядерную угрозу, наши правители быстро опомнились, и разработке больших компьютеров был дан «зеленый свет». Но время ушло, и инициатива была утеряна! Особенно в области создания малых массовых компьютеров, отнесенных у нас к пресловутому ширпотребу.
Первые типы отечественных настольных компьютеров были ненадежны, а по цене доступны лишь крупным предприятиям. Наши в то время именуемые «профессиональными ПК» ДВК-2, ДВК-3М, EC-1840/1841/1842, Искра-1030 и Электроника-60 заметно уступали по всем характеристикам западным моделям ПК того времени.
Начавшаяся перестройка привела к массовому завозу в СССР зарубежных домашних и персональных компьютеров. Выдержать с ними конкуренцию наша продукция такого профиля не могла. Постепенно выпуск практически всех персональных компьютеров нашего производства (за исключением простейших ПК класса ZX-Spectrum) прекратился. Зато возник ряд фирм, производящих на базе западных комплектующих (нередко просто готовых узлов) IBM-совместимые ПК так называемой «красной» сборки.
Видеоадаптеры с аппаратной декомпрессией изображений
Повышение качества и размеров изображения потребовало разработки новых, более совершенных алгоритмов компрессии и декомпрессии изображений. Для этого была создана специальная группа экспертов по подвижным изображениям - Motion Picture Experts Group. Она создала один из наиболее совершенных стандартов - MPEG. Он имеет две реализации: MPEG1 для аппаратной декомпрессии и MPEG2 для декомпрессии программными средствами (пригоден для ПК Pentium 90 и выше). Для компрессии/декомпрессии звуковых сигналов используется стандарт MP3, а для видеофильмов – MP4.
Для поддержки этих форматов изображений в видеоадаптеры была введена быстрая аппаратная декомпрессия сжатых изображений. Ныне она реализована в большинстве видеокарт современных ПК, в том числе и в ноутбуках.
Видеоадаптеры с D - ускорителем и графическим процессором
Графические изображения часто состоят от отдельных отрезков прямых, дуг, окружностей, точек и т.д. В некоторые видеоадаптеры были введены специальные акселераторы (ускорители) и графические процессоры для ускорения подобных построений.
Например, если строится окружность обычным способом, то нужно рассчитать координаты сотен ее точек, что сильно загружает центральный процессор. Но в адаптере с 2D графическим процессором от центрального процессора поступает небольшой пакет данных, указывающих координаты центра окружности и ее радиус. Расчет по ним координат всех точек осуществляет уже графический процессор – а основной при этом занят другими вычислениями. Это резко уменьшает время графических построений.
Акселератор отличается от сопроцессора тем, что не программируется и все программы построений находятся в специальном ОЗУ. Акселераторы обычно эффективно работают с определенными классами программ – например, с мощным пакетом AutoCAD для машиностроительных чертежей.
Видеоадаптеры с кадровым буфером
Одним из эффективных решений повышения быстродействия видеоадаптеров стало оснащение их быстрым двухпортовым видео-ОЗУ – кадровым буфером. Такое ОЗУ со специальной организацией одновременно обеспечивает прием видеоинформации от ПК и передачу ее цифро-аналоговому преобразователю (ЦАП или RAMDAC) видеоадаптера, который преобразует цифровую информацию в аналоговый видеосигнал, управляющий интенсивностью электронных лучей ЭЛТ.
Хорошо известно, что содержание видеобуфера от кадра к кадру обычно меняется незначительно. Следовательно, совершенствуя структуру кадрового буфера и вводя специальные приемы обработки больших блоков информации, хранимой в буфере, можно избежать необходимости на каждом кадре передавать всю информацию из ПК в видеоадаптер и лишь перераспределять большую часть информации между ячейками специального буфера. На этом основана работа нового поколения видеоадаптеров с интеллектуальным видеобуфером.
Видеоадаптеры с ускорителями -графики
Наиболее совершенные видеоадаптеры поддерживают быстрое построение трехмерных объектов – 3D-графики. Для этого в них применяются 3D-процессоры. Иногда их именуют Doom-процессорами по имени популярной игры с трехмерной графикой. Такими процессорами поддерживается и технология создания и быстрого перемещения спрайтов - подвижных объектов, составленных из ряда слоев - полупрозрачных и прозрачных. Спрайты давно используются в играх для создания быстро перемещаемых по экрану сложных объектов с изменяющейся формой и видом (например, человечков, облаков, машин, самолетов, ракет и т.д.).
Построение 3D-объектов обычно ведется в две стадии. Во время первой – геометрической обработки
изображения - оно разбивается на треугольники или реже на многоугольники, координаты углов которых пересчитываются при необходимости построения 3D-объектов в динамике их перемещения по экрану дисплея.
Вторая стадия заключается в закраске
многоугольников с учетом различных световых эффектов отражения и рассеивания света от внешнего источника света, освещающего объект, наложении текстуры, в раскраске по алгоритму Гуро и т.д. Число таких эффектов доходит до многих десятков, и их математический расчет весьма сложен. Его невозможно возложить на процессор, даже с учетом наличия в нем математического сопроцессора. Поэтому этот этап построения динамических 3D объектов, называемый рендерингом, возлагается на ускоритель трехмерной графики или 3D-процессор.
Видеокамеры
Использование в учебном процессе видеотехники предусматривает применение видеоматериалов на видеокассетах. Это могут быть как учебные видеофильмы, изготавливаемые профессионально и распространяемые централизованно, так и видеосъемки, выполненные учениками, студентами, преподавателями и используемые ими. В последнем случае трудно достигнуть высокого уровня профессионализма, но это зачастую окупается насущностью и актуальностью видеоматериала. Так, зафиксированный на видеопленке фрагмент урока, проведенного студентом на школьной практике, дает ценный и незаменимый материал для обсуждения.
Видеокамера, отличаясь малыми габаритами и весом, объединяет функции видеомагнитофона, телевизора, телевизионной передающей камеры и аудиомагнитофона. Современные видеокамеры, представляющие собой сложнейшие устройства, достаточно просты в использовании и вполне могут быть освоены и использованы любым преподавателем и студентом.
Одной из первоочередных задач разработчиков видеокамер является уменьшение их габаритов и веса (уже есть камеры, весящие менее 1 кг).
Применяются следующие форматы кассет для аналоговой видеозаписи:
· VHS - стандартная большая кассета с временем записи на ленту 12,6 мм до 240 мин. с малой четкостью изображения - 240 линий по горизонтали;
· VHS-C - компактная кассета с лентой 12,6 мм.
· S-VHS (Super-VHS) - кассета с улучшенным форматом записи, четкость до 400-420 линий по горизонтали.
· S-VHS-C - малогабаритный вариант кассеты S-VHS.
· Video8 - кассеты с лентой шириной 8 мм, время записи до 120 мин.
· Hi8 - кассеты с более качественной лентой, дающей четкость до 380-420 линий по горизонтали.
Аналоговые видеокамеры хотя и распространены в учебных заведениях, в настоящее время неперспективны и заменяются цифровыми камерами.
Модели mini-DV (Digital Video) – это семейство малогабаритных цифровых камер, использующих очень маленькие кассеты (66´48´12 мм) с узкой лентой (всего 6,35 мм) и четкостью до 500 линий по горизонтали. У них отсутствуют шумы цветности, нет потерь качества изображения при копировании. Возможна прямая передача сигнала на компьютер. Для этого, помимо аналоговых разъемов (S-Video и RCA), mini-DV камера имеет специальное гнездо DV-выхода (часто допускающее и ввод сигнала). Продолжительность записи на одну кассету - 60 минут в режиме стандартной скорости (SP) и до 90 минут в режиме уменьшенной вдвое скорости (LP).
Модели Digital8 характерны следующими возможностями:
· цифровая запись качественного изображения (до 500 линий по горизонтали) и звука (PCM: 16 бит-48 кГц/12 бит-32 кГц);
· использование кассет Hi8 (допустимо - Video8);
· воспроизведение аналоговых записей Hi8 и Video8;
· DV-интерфейс (с возможностью копирования записей на DV-камеры, магнитофоны и ввода в ПК через DV-плату);
· возможность оцифровки аналоговых записей через аналоговые входы.
Время записи у европейских моделей - 2/3 от номинала кассеты (т.е. максимум 80 мин. в SP (или 120 мин. с новейшей кассетой SONY), режим LP не предусмотрен.
Рис.5.41. Упрощенное устройство видеокамеры
Обычно видеокамера снабжается высококачественным объективом с переменным фокусным расстоянием, которое может быть изменено как вручную, так и посредством электропривода.
Изменение фокусного расстояния позволяет установить план съемки, а также реализовать приемы «наезд» и «откат». Кратность фокусного расстояния (отношение максимального фокусного расстояния к минимальному), достигаемая оптическими средствами, составляет 10-20, однако применяется и цифровое повышение кратности, измеряемое сотнями.
Матрица ПЗС характеризуется и светочувствительностью, поэтому объектив видеокамеры снабжается диафрагмой, позволяющей регулировать величину светового потока, попадающего на матрицу, в зависимости от освещенности объекта съемки. Затвор позволяет выбрать величину экспозиции (обычно и то и другое происходит автоматически). Обычно при съемке обеспечивается частота смены кадров 25 кадров в сек. Величина экспозиции и частота смены кадров взаимосвязаны, что следует учитывать при ручном выборе экспозиции (при выборе экспозиции больше 1\25 сек. указанная частота смены кадров не может быть обеспечена).
Видеокамеры кроме возможности выбора экспозиции автоматически могут быть снабжены следующими программами установки экспозиции (перечислены далеко не все):
· Auto – эта функция задает полную автоматизацию процесса съемки. Автоматически устанавливается фокусировка, диафрагма, скорость срабатывания затвора (время выдержки), баланс белого и иные функции. Этот режим очень удобен для съемки, но не всегда позволяет добиться наивысшего качества.
· Portrait – портретная съемка (резко «прорисованный» объект на размытом фоне).
· Sport – спортивная съемка при малой выдержке и естественном освещении.
· Sportlight –зрелищная съемка при искусственном освещении.
· Sand&Snow – съемка при ярком фоне.
· High Speed Shutter – сверхскоростная спортивная съемка.
· Twilight – съемка при слабом естественном освещении.
· White Balance – съемка с коррекцией светового баланса.
Звуковой тракт видеокамеры (моно- или стереофонический) принципиально не отличается от звукового тракта аудио - или видеомагнитофона. Видеокамеры имеют встроенный микрофон, некоторые допускают подключение внешних микрофонов. Многие видеокамеры снабжены монохромным или цветным дисплеем, позволяющим выбирать план объекта съемки, а также в режиме видеомагнитофона просматривать отснятый материал. На дисплее отображаются и параметры видеосъемки, такие, как дата и время, степень разряда батареи, выбранные параметры съемки.
Рис. 5.42. Полупрофессиональная цифровая видеокамера стандартного вида DCR-TRV940E
Рис. 5.43. Миниатюрная видеокамера Sony DCR-IP45E
Качество отснятого материала определяется наличием объектива Carl Zeiss и мегапиксельной матрицы преобразователя изображения CCD (1 070 000 элементов). Камера имеет 2,5-дюймовый ЖК-экран, цветной видоискатель, режим ночной съемки Super Night Shot, лазерный автофокус и запись фотографий в карту памяти Memory Stick.Камера может быть подсоединена к компьютеру по шине USB, передавая видеоизображение непосредственно на диск ПК или даже в Интернет.
Видеопроекторы
В настоящее время видеопроекторы, которые иногда называют мультимедиа-проекторами, представляются очень перспективным и динамически развивающимся видом оборудования.
Мультимедиа-проекторы можно подключить к источнику видеосигнала (телевизионный приемник, видеомагнитофон и т.п.) или к компьютеру вместо монитора. Они являются универсальными, так как, в отличие от аппаратов, снабженных только видеовходами, имеют еще и компьютерные разъемы. Некоторые модели имеют дополнительную возможность записывать дидактический материал на встроенную карту памяти, т.е. могут работать автономно, а кроме того имеют звуковой канал (стерео- или моно-) со встроенными громкоговорителями.
Оптическая схема видеопроектора похожа на схему обычного диапроектора, с той разницей, что световой поток, создаваемый осветительной лампой, направляется не на слайд, а на специальное светорегулирующее микроэлектронное устройство, являющееся основным элементом видеопроектора.
Это устройство в соответствии с видео- или RGB- сигналом для каждого пиксела изображения регулирует величину световых потоков основных цветов – красного, зеленого и синего, направляемых в объектив и далее – на экран. В видеопроекторах применяются различные типы светорегулирующих микроэлектронных устройств, использующие различные технологии изготовления и обладающие примерно одинаковыми возможностями.
В основу технологии LCD (Liquid Crystal Display) заложена многослойная структура дисплеев на жидких кристаллах. Обычно они содержат три панели, выполненные по полисиликоновой технологии, по одной на каждую составляющую оптического сигнала RGB.
Полисиликоновая технология p-Si TFT применяется в активно-матричных дисплеях. В каждом пикселе полисиликоновой матрицы используются три транзистора, каждый из которых соответствует одному из трех основных цветов. Тонкопленочные транзисторы имеют очень маленькие размеры, благодаря чему свет легче проходит через матрицу. Матрица, выполненная по такой технологии, выдерживает высокую температуру, что позволяет применять мощные проекционные лампы.
Основой проекторов, созданных по DLP (Digital Light Processing) технологии, является цифровой микрозеркальный кристалл, иногда называемый чипом. Он состоит из 508 тысяч микрозеркал размерами 16´16 микрон, каждое из которых может изменять свой наклон между двумя крайними положениями (угол +10 градусов для включенного положения; угол –10 градусов – для выключенного). Во включенном положении зеркало направляет поступающий свет в объектив, а затем на экран, в выключенном – отраженный от зеркала свет направляется в световой поглотитель.
В видеопроекторах, как правило, используется объектив с переменным фокусным расстоянием, что позволяет в широких пределах регулировать размер изображения на экране.
Весьма важным параметром видеопроектора является обеспечиваемый им световой поток. От его величины, в частности, зависит возможность использования аппарата в незатемненном помещении. Световой поток – это энергия световых волн, переносимая в единицу времени через единицу площади поверхности и оцениваемая по зрительному ощущению.
Долгое время этот параметр измеряли в люменах, используя при этом метод проекции маленького белого окна на черный фон. Поскольку размеры такого окна у разных производителей имеют оригинальное исполнение, было трудно добиться усредненного показателя. Поэтому была введена единица, характеризующая среднюю величину светового потока -ANSI-Lm. Световой поток измеряют на контрольном экране с диагональю 40 дюймов при минимальном фокусном расстоянии вариообъектива проектора (измерения выполняются в 9 точках экрана и затем усредняются). Для работы в незатемненных помещениях лучше использовать видеопроекторы со световым потоком не менее 400 ANSI-Lm. Конкретно его величину можно оценить, имея в виду, что деление светового потока (в ANSI-Lm) на 300 дает приблизительно площадь экрана в квадратных метрах, яркость которого близка к яркости современного телевизора с большим экраном.
Например, проектор с потоком 450 ANSI-Lm по указанной оценке достаточен для использования в незатемненном помещении экрана площадью 450\300 = 1.5 кв.
м (141´106см), а для экрана размерами 2´1.5 м потребуется проектор со световым потоком 3´300 = 900 ANSI-Lm.
Световой поток создается специальной дуговой лампой. Эти лампы бывают трех типов: металло-галогенные (MH), ртутные сверхвысокого давления (UHP) и ксеноновые (X). В отличие от ламп накаливания эти лампы не перегорают, а лишь со временем уменьшается их полезный световой поток.
Следующий важный показатель качества проектора – это разрешение отображаемого изображения, определяемое количеством пикселов в строке и количеством горизонтальных строк. В настоящее время максимально возможное разрешение достигает 1800´1440 пикселов.
Многие проекторы позволяют подавать на свой вход сигнал с разрешением, не совпадающим с физическим, для чего применяются различные алгоритмы сжатия или расширения. Как и в мониторе компьютера, видеопроектор обеспечивает достаточно высокую частоту кадровой развертки (примерно 50-100 Гц) и строчной развертки (примерно 15-100 кГц).
Практически все типы видеопроекторов обеспечивают коррекцию трапецеидальных искажений, причиной которых является неперпендикулярность оси проекции и плоскости экрана.
Типичным представителем современных видеопроекторов является видеопроектор фирмы TOSHIBA (рис 5.39).
Приведем технические характеристики этого проектора:
Световой поток -1200 ANSI – Lm.
Светорегулирующее микроэлектронное устройство –три ЖК-панели p-Si размерами 0.9 дюйма с микролинзами.
Стандартное разрешение – 800х600 пикселов.
Источник света – ртутная лампа высокого давления мощностью150 Вт, типа UHP со сроком службы 2000 часов, допускающая замену пользователем.
Объектив – управляемый вручную объектив с переменным фокусным расстоянием кратностью 1:1.5.
Проекционное расстояние – 1.1 – 10 м при размере изображения по диагонали 1.5 – 7.6 м соответственно.
Частота кадровой развертки
- 50 – 85 Гц.
Частота строчной развертки
- 15 – 90 кГц.
Потребляемая от сети мощность
– 220 Вт.
Видеопроектор поддерживает все популярные телевизионные стандарты, снабжен системой цифровой коррекции трапецеидальных искажений, позволяет увеличивать фрагмент изображения и обеспечен звуковым моноканалом со встроенными громкоговорителями мощностью 1х1 Вт.
Он имеет встроенную видеокамеру (документ-камеру) с ручным вариообъективом и подсветкой. С ее помощью можно проецировать на экран различный дидактический материал с бумажных носителей, а также показывать слайды, прозрачные пленки, отображать трехмерные объекты. Если направить видеокамеру в сторону аудитории, то можно проводить видеоконференции.
Управление видеопроектором производится с панели управления или с пульта управления с функциями компьютерной мыши, стоп-кадра и лазерной указки, причем приемники инфракрасного излучения ручного пульта расположены на передней и на задней стенках видеопроектора. Разъемы для подсоединения видеопроектора к различным источникам сигналов расположены на задней стенке видеопроектора.
Варианты установки видеопроектора на столе (рис. 5.40) и на потолке предусматривают возможность использования как отражающего, так и просветного экрана. Расстояние от видеопроектора до экрана L определяется по формулам:
Lmin
= (В – 1.6)/27
Lmax = (В – 1.27)/21.5, где В – размер изображения по диагонали в дюймах, L – расстояние от диапроектора до экрана в метрах.
Рис. 5.40. Расположение видеопроектора на столе, слева - отражающий экран, справа - просветный экран
За пределами нашего описания остались некоторые второстепенные вопросы, однако рассмотренные возможности позволяют считать видеопроектор самым мощным устройством класса ЭЗСОВ, применение которого в практике школ и вузов ограничивается только его высокой ценой, составляющей несколько тысяч долларов.
Видеосистема и видеоадаптер ПК
Для высококачественного представления информации служит видеосистема ПК. Она представлена видеоадаптером внутри системного блока и внешним дисплеем (устройством отображения). Некоторые видеоадаптеры по сложности не уступают материнской плате ПК. В них используется графический процессор с десятками миллионов транзисторов. Такие видеокарты оснащены одним и даже двумя вентиляторами для охлаждения. Профессиональные видеокарты стоят намного дороже самого компьютера.
Назначение видеоадаптера заключается в преобразовании цифровых сигналов компьютера в аналоговые видеосигналы (чаще всего RGB), с которыми работает дисплей компьютера. На дисплей они подаются с помощью VGA-разъема. Видеоадаптер в виде платы расширения вставляется в слот-расширения или в слот видеопорта AGP. Нередко видеоадаптер интегрирован с системной платой ПК.
Изображение на экране дисплея состоит из отдельных точек (точнее маленьких квадратиков), называемых пикселями. Чем больше пикселей на экране, тем выше качество изображения. Каждый пиксель характеризуется своими координатами по горизонтали и вертикали и атрибутами, задающими его цвет или иные особые свойства, например, возможность мигания. Совокупность пикселей изображения образует кадр изображения, а смена кадров с достаточно высокой частотой создает то изображение, которое мы наблюдаем на экране дисплея.
За годы развития ПК был разработан ряд видеоадаптеров:
MDA – монохромный видеоадаптер для текстового режима;
CGA – цветной видеоадаптер для текстового и графического режимов;
MGA – монохромный графический адаптер (Hercules);
EGA – улучшенный графический адаптер;
VGA – цветной видеоадаптер (видеографическая матрица);
SVGA – супер-VGA цветной графический видеоадаптер;
XGA – расширенная по возможностям видеографическая матрица.
Эти видеоадаптеры, за исключением SVGA и XGA, сейчас уже не выпускаются. Но их режимы работы поддерживаются новыми видеоадаптерами. Они могут работать в текстовом и графическом режимах как низкого, так и высокого разрешений.
Видеоадаптеры характеризуются рядом основных параметров:
· емкость видео-ОЗУ (кадрового буфера);
· разрядность видеоадаптера,
· разрешающая способность в пикселях по горизонтали и вертикали,
· режимы работы (текстовый, графический),
· максимальное число цветов для заданного разрешения,
· максимальные частоты строчной и кадровой развертки,
· возможность программной загрузки знакогенератора.
Ниже приводятся данные об указанных типах видеоадаптеров:
Тип Разрешение Режимы Число Загрузка
в пикселях работы цветов шрифтов
MGA 720´348 Текстовый 2 Нет
CGA 640´200 Текстовый 16 Нет
320´200 Графический 4 Нет
640´200 Графический 2 Нет
MGA 720´348 Смешанный 2 Есть
EGA 640´350 Смешанный 16 Есть
VGA 640´480 Смешанный 16 Есть
320´200 Смешанный 256 Есть
SVGA 640´480 Смешанный 256 и выше Есть
XGA 1024´768 Смешанный 256 и выше Есть
Современные видеоадаптеры могут иметь число цветов до 16.7 миллионов (True Color) и даже выше. Важными параметрами являются также диапазон частот кадровой развертки (обычно от 45 до 75-150 Гц) и диапазон частот строчной развертки (от 30 до 80 кГц).Высокие (выше 100 Гц) частоты кадровой развертки полностью устраняют мерцание изображения.
Заметное повышение скорости обмена информацией между процессором ПК и видеоадаптером достигается применением рассмотренных ранее локальных шин с повышенной скоростью передачи информации. В настоящее время это шина порта AGP.
Виды информации
Информацию часто классифицируют по ее наиболее характерным признакам:
· числовая информация, представленная цифрами и отражающая результаты некоторых вычислений;
· текстовая информация, представленная текстами в виде слов, составленных из символов того или иного языка;
· кодовая информация, представленная кодами (например, машинными или кодами для более компактного или зашифрованного представления информации, кодами азбуки Морзе или азбуки для глухонемых);
· графическая информация, представляющая графические объекты с учетом их геометрических и оптических свойств;
· акустическая информация, представленная звуковыми сигналами, как непосредственно в виде звуков, так и в виде электрических звуковых сигналов;
· телевизионная информация, представляющая изображения, видимые на телевизионном экране в телевизионном формате;
· видеоинформация, представляющая видеофильмы и кинофильмы в специальном формате.
Позже мы не раз коснемся характеристик и особенностей информации различного вида.
Виды памяти ПК
Для хранения данных и программ ПК оснащены подсистемой памяти. Особо надо отметить два важных вида памяти - постоянную ПЗУ и оперативную ОЗУ (см. рис. 3.8). Имеется также быстрая кэш-память разных уровней.
Остальные виды памяти на дисковых накопителях, CD-ROM, жестких дисках и т.д. относят к устройствам долговременного хранения информации. Они будут рассмотрены позднее.
часть трехтомного учебного пособия подготовленного
Эта книга – первая часть трехтомного учебного пособия подготовленного при грантовой поддержке Института «Открытое общество» (фонд Сороса). В ней рассматриваются основные понятия информатики и новых информационных технологий и их аппаратное обеспечение. Книга ориентирована на студентов и преподавателей гуманитарных дисциплин и представляет собой расширенный курс по информатике и новым информационным технологиям. Может использоваться при чтении курсов «Информатика», «Математика и информатика», «Новые информационные технологии» и «Технические средства обучения» в педагогических и иных университетах и вузах.
В этой книге излагаются основополагающие понятия информатики и информационных технологий, история их развития и современное состояние аппаратного обеспечения. Описаны сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), устройства нанотехнологии, микропроцессоры новых поколений, настольные, мобильные и карманные персональные компьютеры, локальные проводные и беспроводные сети, Интернет, мобильные средства связи и технические средства обучения. В книгу включены многие материалы, представленные российским отделением корпорации Intel. Эта корпорация - признанный мировой лидер в разработке средств новых информационных технологий.
Особое внимание уделено средствам мультимедиа, обеспечивающим полноценную работу со звуковой и видеоинформацией, а также применению компьютеров в гуманитарной сфере. Это работа с текстами, компьютерный перевод, работа с графикой и музыкой, разработка и просто чтение электронных книг, применение баз данных, использование систем компьютерной математики для облегчения всевозможных расчетов и др.
Эта книга рассчитана не только на студентов, но и на преподавателей, ведущих занятия по гуманитарным дисциплинам и желающим плодотворно использовать достижения новых информационных технологий и современных технических средств обучения. Поэтому некоторые разделы книги выходят за рамки программ для студентов гуманитарных и педагогических специальностей и дают расширенное представление о тех или иных аспектах новых информационных технологий. Такие разделы помечены в конце названия знаком Ä. По всем разделам курса даны контрольные вопросы.
Закон Мура
Когда-то в далеком 1965 году один из основателей корпорации Intel Гордон Мур довольно неосторожно изрек: «… число транзисторов на чипе и производительность микропроцессоров будут удваиваться каждые два года». Говорят, что он поначалу говорил даже об одном годе. Сам Мур и не претендовал на то, что эта эмпирическая закономерность будет строгим математическим законом. Однако специалисты Intel сделали это высказывание своим знаменем и постарались выдерживать его десятилетиями.
Как выглядит закон Мура, применительно к микропроцессорам, показывает приведенная ниже таблица.
| Тип микропроцессора | Тыс. транзисторов | Год разработки | Параметр y | ||||
| 4004 | N0=2,3 | 1971 | 0 | ||||
| 8008 | 3,5 | 1972 | 1 | ||||
| 8080 | 6 | 1974 | 3 | ||||
| 8088 | 29 | 1979 | 8 | ||||
| 286 | 134 | 1982 | 11 | ||||
| 386 | 275 | 1986 | 15 | ||||
| 486 | 1200 | 1989 | 18 | ||||
| Pentium | 3500 | 1993 | 22 | ||||
| Pentium PRO | 5500 | 1995 | 24 | ||||
| Pentium II | 7500 | 1997 | 26 | ||||
| Pentium III | 9500 | 1999 | 28 | ||||
| Pentium 4 | 42000 | 2000 | 29 | ||||
| Pentium 4 M | 75000 | 2001 | 30 |
Закон Мура с позиций математики
С позиций математики закон Мура представляется простым выражением:
где N0 – количество транзисторов на кристалле N в некоторый год y (условно считаем его нулевым), N(y) – число транзисторов на кристалле спустя y лет и yy – срок (в годах и долях года), за который число транзисторов возрастает вдвое.
Насколько данные таблицы соответствуют представленной формуле? И возможен ли по ним прогноз? Попробуем ответить по возможности строго на эти вопросы. Для этого, используя программу компьютерной математики Mathcad, нанесем на график в логарифмическом масштабе точки, соответствующие приведенным в таблице данным. Подберем отрезки прямых, которые максимально близко проходят через эти точки (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Графическое представление закона Мура в системе Mathcad
Обработка представленных данных дает поразительные результаты. Оказывается, целых 22 года число транзисторов и впрямь увеличивалось вдвое за каждые yy=2 года. При этом исходные точки укладываются почти точно на представляющую их приближенную зависимость.
Однако с появлением процессоров класса Pentium действие даже скорректированного закона Мура стало грубо нарушаться. Попробуем подобрать прямую для хорошего представления реалий роста числа транзисторов после этого периода, задав в качестве отсчета момент появления процессоров Pentium – точку (22, 1200). Оказывается (жирная прямая на рис. 3), время удвоения возросло почти вдвое и составило yy=4 года. Это стало свидетельством предкризисной ситуации в развитии технологии микропроцессоров.
Но затем, при переходе от производства процессора Pentium III к Pentium 4 в 1999 году, кривая роста числа транзисторов во времени резко скакнула вверх начиная с точки (28, 9500). Это, очевидно, связано с вводом новых технологических решений и переходом на технологию 0,13 мкм. Время удвоения при этом уменьшилось до рекордно малой величины в 0,6 года, но его оценка пока математически весьма недостоверна из-за малого объема выборки данных после 1999 года – всего 3 точки.
Законы Меткалфа и фотона
Президент Intel огласил еще два эмпирических закона, которыми Intel руководствуется в планировании своей работы. Второй закон - это закон Меткалфа, названный в честь Боба Меткалфа из Массачусетского технологического института. Он звучит так: ценность компьютерной сети повышается в квадратичной пропорции по отношению к числу узлов в этой сети.
Именно поэтому Интернет в наше время является самым важным и ценным коммуникационным средством. Каждый раз, когда количество узлов в Интернете удваивается, ценность этой сети увеличивается в четыре раза. Сегодняшняя эта сеть имеет порядка 400-500 миллионов пользователей. В течение ближайших нескольких лет количество пользователей Интернета увеличится до одного миллиарда, и тогда ценность этой сети как средства доступа к информации, коммуникации и коммерции станет намного выше.
И еще один закон, так называемый закон фотона: пропускную способность волоконно-оптического канала передачи информации можно удваивать примерно каждые 10 месяцев. Уже сегодня между странами и континентами протянуто более 500 миллионов миль волоконной оптики. Полезная пропускная способность этого волокна удваивается почти каждый год.
В целом можно предвидеть, что нынешний «информационный взрыв» касается аппаратных средств не только в области вычислительной техники, но и в области связи и телекоммуникаций. Очевидно, что интеграция этих средств стала знамением нашего времени и что именно она будет определять прогресс в новых информационных технологиях на ближайшие два десятилетия.
Записывающие и перезаписывающие CD-RW - драйвы
В настоящее время созданы различные драйвы как с однократной записью, так и многократной – CD-RW. На рис. 3.17 показан внешний CD-RW-драйв корпорации Hewlett Packard, разработанный для ноутбуков. Он выполнен в изящном корпусе, напоминающем корпуса миниатюрных проигрывателей звуковых CD и имеющем откидывающуюся верхнюю крышку. Под ней виден механизм привода оптического диска и объектив лазерной головки.
Этот драйв подключается к ноутбуку через PC-карту с разъемом с помощью специального шнура. Это делает CD-RW-драйв пригодным для подключения к любому ноутбуку, даже с отсутствующим или занятым разъемом USB. Такие драйвы выпускаются и для настольных ПК. По внешнему виду они почти не отличаются от обычных CD-ROM-драйвов. Но требуют специального программного обеспечения для осуществления записи.
Зарождение Интернета
Интернет в современном понимании роли этой сети родился 2 января 1969 года. В этот день в ответ на запуск в СССР искусственного спутника Земли и распространение на космос гонки вооружений в США были начаты работы над проектом ARPANET -сетью Агентства перспективных исследований ARPA(Advances Research Projects Agency). В этом проекте впервые были заложены основополагающие понятия Интернета - система кодирования информации, протоколы работы сети, передача информации в форме пакетов по нескольким каналам одновременно и распределенный характер сети. А уже 2 сентября этого года была осуществлена связь по телефонной линии между двумя компьютерами в разных городах. Этот день и считается официальной датой создания Интернета.
Позже национальный научный фонд США (NSF) создал сеть NSFNET. Она оказалась более удачной и заменила ARPANET. Уже в 1987 году было создано ядро этой сети (Backbon) из 13 центров в разных районах США. Подобные сети появились и в других странах. В условиях демократии и свободы распространения информации эти сети стали быстро объединяться, что превратило их в глобальную интернациональную сеть Интернета.
В 1985 году в Интернете было около двух тысяч компьютеров, а сейчас их счет идет на сотни миллионов! Вся хранящаяся на узлах и подключенных к ним компьютерах информация образует ресурсы Интернета. Ныне они столь велики, что становятся для любого пользователя необозримыми без уменьшения его аппетитов в части поиска информации.
Знания
По мере накопления информации о каких-то объектах или явлениях формируются знания о них. Знания - это закономерности, принципы и связи, позволяющие специалистам ставить и решать задачи в своей предметной области. Вся система образования в сущности решает задачу предоставления ценных знаний множеству людей, учит их извлекать нужную информацию из массы получаемой и грамотно использовать ее в своей работе с целью создания новых знаний и новых ценностей – как гуманитарных, так и научно-технических.
Издавна знания передавались от человека к человеку, от мастера к ученикам, от профессора к студентам. Нередко эта цепочка прерывалась стихийными событиями, войнами и просто смертью учителя. Знания при этом терялись. Новые информационные технологии позволяют накапливать знания, надежно их хранить и предоставлять любому желающему их получить. Более того, появилась возможность обучения людей на расстоянии - дистанционное образование.
Звук и его параметры
Звуком называется колебательное движение частиц воздуха, воспринимаемое слухом. Вокруг всякого колеблющегося тела возникают колебания частиц воздуха. Их порождают колебания струны, вибрация камертона, движение диффузора громкоговорителя и др. Колебания воздуха от источника звука в виде звуковых волн распространяются со скоростью приблизительно 340 м/с. Звуковой волной называется процесс направленного распространения колебаний воздуха от источника звука.
Звуковая волна представляет собой чередование сжатий и разряжений воздуха. В области сжатий давление воздуха превышает атмосферное, в области разряжений - меньше его. Переменная часть атмосферного давления называется звуковым давлением Р.
Звуковое давление составляет очень небольшую часть атмосферного давления. Если излучающее звук тело колеблется по закону синусоиды, то звуковое давление также изменяется по синусоидальному закону. Колебательное движение частиц воздуха в звуковой волне характеризуется рядом параметров. Время, за которое совершается одно полное колебание, называется периодом колебания Т.
Период колебания выражается в секундах (с).
Число полных колебаний, происходящих в 1 с, называется частотой колебаний f. Единицей измерения частоты является герц (Гц) или килогерц (1 кГц =1000 Гц).
Расстояние, на котором укладывается один период колебания (между соседними сжатиями или разряжениями воздуха), называется длиной волны К.
Длина волны выражается в метрах (м). Длина волны и частота колебания связаны соотношением К = c/f, где с
- скорость распространения звука.
Максимальное отклонение колеблющейся величины от среднего положения называется амплитудой колебания, или просто амплитудой.
Звуковые колебания могут быть затухающими и незатухающими. Амплитуда (интенсивность) затухающих колебаний постепенно уменьшается. Примером затухающих колебаний может служить звук, возникающий при однократном возбуждении струны или ударе гонга. Причиной затухания колебаний струны является трение струны о воздух, а также трение между частицами колеблющейся струны.
Незатухающие колебания могут существовать, если потери на трение компенсируются притоком энергии извне. Примером незатухающих колебаний являются колебания чашечки электрического звонка. Пока нажата кнопка включения, в звонке существуют незатухающие колебания. После прекращения подвода энергии к звонку колебания затухают.
Распространение звуковых волн сопровождается уменьшением их интенсивности. Это происходит из-за потерь звуковой энергии на преодоление трения между частицами воздуха. Кроме того, распространяясь во все стороны от источника, волна охватывает все большую область пространства, что приводит к уменьшению количества звуковой энергии на единицу площади. Достигнув барабанной перепонки, которая является чувствительным элементом уха, звуковые волны вызывают ее колебания. Имеющиеся в ухе нервные клетки воспринимают колебания барабанной перепонки, и человек ощущает колебания воздуха в виде звука.
Имеется связь между физическими параметрами звука и соответствующими ощущениями человека:
· звуковое давление -> громкость звука
· частота -> тон звука
· спектральный состав -> тембр звука.
Человеческое ухо способно воспринимать звуковые колебания с частотой приблизительно от 16 до 20000 Гц. Верхняя и нижняя границы частотного диапазона звуков, воспринимаемых человеческим слухом, различны для разных людей. Чем выше частота звуковых колебаний, тем выше тон; низкочастотные колебания воспринимаются как гудение (шмель), а высокочастотные - как писк (комар).
Неслышимые колебания с частотой ниже 16 Гц называются инфразвуковыми, а с частотой выше 20000 Гц - ультразвуковыми. Диапазон записываемых и воспроизводимых звукотехнической аппаратурой частот определяет ее качество и должен соответствовать воспринимаемому человеком диапазону.
Слуховой аппарат человека воспринимает звуковые колебания в определенном диапазоне звуковых давлений, что соответствует ощущению громкости.
Очень слабые звуки не воспринимаются на слух. Можно сказать, что их интенсивность лежит ниже порога слухового восприятия. Звуки очень большой интенсивности воспринимаются как боль в ушах. Такие ощущения могут возникнуть при близком раскате грома, вблизи работающего реактивного двигателя. Звуки, вызывающие ощущение боли, имеют интенсивность, превышающую болевой порог слухового восприятия. Нормальное ощущение звука возможно, если интенсивность звука находится между порогом слышимости и болевым порогом.
Звуки, интенсивность которых приближается к болевому порогу, оказывают вредное воздействие на слух. Ухудшение слуха вызывает систематическое прослушивание музыки при большой громкости, поэтому в звуковоспроизводящей аппаратуре всегда имеется регулятор громкости, который позволяет установить желаемую громкость звука.
Звуки, которые мы слышим (музыка, человеческий голос, шумы и т.п.), не состоят из звуковых колебаний одной частоты, а содержат много частот, поэтому каждый звук имеет свою окраску – тембр.
Звуковое колебание синусоидальной формы называется гармоническим,
или простым. Такое колебание излучает камертон. Другие источники звука, например колеблющаяся струна, излучают сложный звук, состоящий сразу из нескольких синусоидальных составляющих (гармоник). В общем виде любой звуковой сигнал может быть представлен в виде набора синусоидальных составляющих, имеющих различные частоты и амплитуды.
