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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Контрольные вопросы

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

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

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Использование достижений микроэлектроники и вычислительной техники в электроизмерительной технике определяют в настоящее время одну из основных тенденций ее развития, для которой характерна компьютеризация средств измерений. Рассмотрим характерные формы проявления этой тенденции.

Прежде всего, она проявляется в постепенной замене аналоговых средств измерений цифровыми, которые, в свою очередь, становятся все более универсальными и «интеллектуальными».

В качестве примера рассмотрим этапы развития производства осциллографов на фирме «Хьюлет‑Пакард» – одной из ведущих в этой области. Свои первые ламповые осциллографы НР130А и НР150А фирма выпустила еще в 1956 г., а первый полупроводниковый (НР180А) – в 1966 г. К 80‑м годам этой и другими фирмами было выпущено огромное количество аналоговых осциллографов различного назначения, причем многие из них обладали прекрасными техническими характеристиками. Однако уже в 1980 г. фирма «Хьюлет‑Пакард» пришла к выводу, что цифровая техника может предложить лучшее и более дешевое решение задачи регистрации, отображения и обработки аналоговых сигналов, а с 1986 г. вообще прекратила выпуск аналоговых осциллографов, заменив их цифровыми. В 1992 г. фирма выпускала уже целую серию цифровых осциллографов; в эту модульную серию 54700 входит, в частности, сменный блок 54721 А с полосой 1 ГГц и частотой дискретизации 4 Готсчет/с.

Аналогичный процесс прошел на фирме «Голд» (Gould, США). Свой первый цифровой осциллограф фирма выпустила в 1975 г., а в 1988 г. прекратила выпуск аналоговых. В 1992 г. фирма выпускала 15 моделей цифровых осциллографов с полосой от 7 до 200 МГц и частотой дискретизации от 0,02 до 1,6 Готсчет/с.

Если для визуального наблюдения исследуемых процессов достаточно разрешения 8 бит, то для более сложного и точного анализа этого часто недостаточно. Поэтому постоянно ведется работа по повышению точности цифровых осциллографов. Например, фирма «Николь Инструмент корп.» (Nicolet Instrument Corp., США) предлагает осциллографы серии 400 с разрешением по вертикали 14 бит, что, конечно, недостижимо для аналоговых осциллографов.

Цифровые осциллографы не просто заменяли аналоговые, но и предоставляли потребителям новые возможности, связанные со способностью новых приборов хранить, выводить, обрабатывать и сравнивать параметры наблюдаемых сигналов. Современные цифровые осциллографы выполняют множество функций анализа сигналов, включая анализ спектра с использованием алгоритмов быстрого преобразования Фурье. В них может быть встроен принтер или плоттер, позволяющие получать твердую копию протокола или графика. Наличие узлов стандартных интерфейсов позволяет подключать цифровой осциллограф к персональному компьютеру и вычислительной сети; более того, он сам обладает возможностями небольшого компьютера. Подобные осциллографы одними из первых начали выпускать японские фирмы «Хиоки» (Hioki, модель 8850) и «Иокогава» (Yokogawa, модели 3655 и 3656).

На примере цифровых осциллографов можно проследить одно из направлений компьютеризации электроизмерительной техники. Создаются новые средства измерений с цифровой обработкой сигналов измерительной информации и возможностью построения на их основе измерительно‑вычислительных систем различного назначения. В эти измерительные приборы и системы встраиваются элементы компьютерной техники, обеспечивающие цифровую обработку сигналов, самодиагностику, коррекцию погрешностей, связь с внешними устройствами и т.д.

Другое направление связано с появлением в начале 80‑х годов и широким распространением персональных компьютеров (IBM PC и других). Если у потребителя есть такой компьютер, то у него фактически есть многие узлы компьютерного средства измерений: вычислительное устройство, дисплей, устройство управления, корпус, источники питания и др. Недостает лишь устройств ввода измерительной информации в компьютер (аналоговых измерительных преобразователей, устройств гальванического разделения, масштабирования, нормализации и линеаризации, АЦП и др.), ее предварительной обработки (если желательно освободить от этой работы компьютер) и специального программного обеспечения.

Поэтому в 80‑х годах устройства ввода аналоговой измерительной информации в персональные компьютеры (ПК) начали серийно выпускаться в виде плат, встраиваемых в кросс ПК, в виде наборов модулей, встраиваемых в общий корпус (крейт) расширяемых шасси ПК, или в виде автономных функциональных модулей, подключаемых к ПК через внешние разъемы.

Эффективная предварительная обработка информации в такого рода устройствах стала возможной с появлением специализированных больших интегральных схем – цифровых процессоров сигналов (ЦПС). Первые однокристалльные ЦПС выпустила в 1980 г. японская фирма «НИСи корп.» (NEC Corp.), с 1983 г. аналогичную продукцию начали выпускать фирмы «Фуджицу» (Fujitsu, Япония) и «Техас Инструменте» (Texas Instruments, (США)); позднее к ним присоединились «Аналог Дивайсис» (США), «Моторола» (Motorola, США) и др.

Нужно отметить по меньшей мере две особенности компьютерных средств измерений. Во‑первых, они могут быть весьма просто приспособлены для измерений различных величин; поэтому на их основе строятся универсальные средства измерений. Во‑вторых, все большую долю в их себестоимости занимает стоимость программного обеспечения, освобождающего потребителя от выполнения многих рутинных операций и создающего ему максимум удобств при решении основных задач измерений.

Примером могут служить так называемые виртуальные средства измерений. В них программным путем на дисплее ПК формируется изображение лицевой панели измерительного прибора. Этой панели на самом деле физически не существует, а сам прибор состоит, например, из ПК и встроенной в него измерительной платы. Тем не менее у потребителя создается полная иллюзия работы с обычным прибором: он может нажимать на клавиши управления, выбирая диапазон измерения, режим работы и т.д., получая, в конце концов, результат измерения.

Дальнейшая микроминиатюризация электронных компонентов привела, начиная с 80‑х годов, к развитию еще одного направления компьютеризации средств измерений – к созданию не только «интеллектуальных» приборов и систем, но и «интеллектуальных» датчиков.

Такой датчик содержит не только чувствительный элемент, но и сложное электронное устройство, состоящее из аналоговых и аналого‑цифровых преобразователей, а также микропроцессорных устройств с соответствующим программным обеспечением. Конструкция «интеллектуального» датчика позволяет устанавливать его в непосредственной близости от объекта исследований и производить ту или иную обработку измерительной информации. При этом в центр сбора данных, который может находиться на значительном расстоянии от объекта, информация передается с помощью сигналов, обладающих высокой помехоустойчивостью, что повышает точность измерений.

В качестве примера рассмотрим технические возможности «интеллектуального» датчика абсолютного давления, выпускаемого японской фирмой «Фуджи» (FUJI, модель FKA), который обеспечивает измерение давления жидкости, газа или пара в диапазоне от 0,16 до 30 бар с погрешностью не более 0,2% в диапазоне рабочих температур от ‑40 до + 85°С. Он состоит из емкостного чувствительного элемента и электронного устройства, смонтированного в стальном корпусе объемом со спичечный коробок. Его питание осуществляется от внешнего источника постоянного тока с напряжением от 11 до 45 В, который может располагаться в нескольких километрах от датчика в центре сбора данных. Измерительная информация передается по проводам источника питания (двухпроводный датчик) в аналоговой форме – постоянным током от 4 до 20 мА, а также цифровым сигналом, наложенным на аналоговый.

Датчик может быть легко превращен в измерительный прибор путем установки на нем четырехразрядного цифрового жидкокристаллического индикатора или аналогового милливольтметра. Такими датчиками можно управлять с помощью специальных пультов и объединять их в измерительную систему. Каждый датчик осуществляет операции самодиагностики, линеаризации функции преобразования, масштабирования, установки диапазона измерений, температурной компенсации и т.д.

Наряду с компьютеризацией электроизмерительной техники интенсивно развивается ее метрологическое обеспечение, причем эталоны высокой точности становятся доступными промышленности. Например, еще в 1982 г. фирма «Флюк» (Fluke, США) выпустила калибратор напряжения для поверки 6,5‑ и 7,5‑разрядных мультиметров. Этот прибор (модель 5440А), построенный на базе ЦАП с широтно‑импульсной модуляцией, обеспечивает относительную погрешность не более 0,0004% при работе непосредственно в цехе.

Для построения современных средств измерений с наиболее высокими метрологическими характеристиками, включая эталоны вольта и ампера, решающее значение имеет использование квантовых эффектов Б. Джозефсона и Холла.

Эффект Б. Джозефсона был предсказан в 1962 г. английским физиком Б. Джозефсоном и экспериментально обнаружен в 1963 г. американскими физиками П. Андерсоном и Дж. Роуэллом. Одно из проявлений данного эффекта состоит в следующем. При облучении контакта Б. Джозефсона – тонкого слоя диэлектрика между двумя сверхпроводниками – высокочастотным электромагнитным полем, на вольт‑амперной характеристике такого контакта возникают скачки напряжения, пропорциональные частоте. Высокая точность воспроизведения скачков напряжения на контактах Б. Джозефсона позволила в 80‑х годах построить эталоны вольта с погрешностями не более 0,0001%.

Использование эффекта Б. Джозефсона и явления квантования магнитного поля в односвязных сверхпроводниках привело к созданию чрезвычайно чувствительных сверхпроводящих квантовых интерференционных приборов – СКВИДов, измеряющих магнитные потоки. Применение измерительных преобразователей различных физических величин в магнитные потоки позволило создать на основе СКВИДов измерительные приборы и устройства различного назначения, обладающие рекордно высокой чувствительностью: гальванометры, компараторы, термометры, магнитометры, градиентометры, усилители. На основе эффекта Б. Джозефсона строятся и другие устройства, служащие для обработки измерительной информации, например, АЦП и цифровые процессоры сигналов с тактовыми частотами свыше 10 ГГц.

Квантовый эффект Холла был открыт в 1980 г. К. фон Клитцингом (ФРГ). Эффект наблюдается при низких температурах (около 1 К) и проявляется в виде горизонтального участка на графике зависимости холловского сопротивления полупроводниковых датчиков Холла от магнитной индукции. Погрешность сопротивления, соответствующего этому участку, не превышает 0,00001%. Это позволило использовать квантовый эффект Холла для создания эталонов электрического сопротивления.

Использование квантовых эффектов Б. Джозефсона и Холла позволило разработать эталоны постоянного электрического тока, превышающие по точности эталоны на основе токовых весов, применявшихся почти всю вторую половину XX в. В нашей стране новый государственный первичный эталон введен с 1992 г. Он воспроизводит ампер с погрешностью не более 0,00002% (токовые весы обеспечивали погрешность не более 0,0008%).

Рассмотренные эффекты проявляются при низких температурах, что служит главным препятствием для их широкого использования. Однако открытие в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников позволяет ожидать создания средств измерений, построенных на интегральных схемах и работающих при температурах около 100 К. Это был бы новый качественный скачок в развитии электроизмерительной техники.

Термин «электрический ток» был введен A.M. Ампером (см. § 2.5).

Если цепь питается от батареи, то ток пропорционален ЭДС элемента (в числителе), а в знаменателе кроме сопротивления цепи указывается и внутреннее сопротивление элемента.

Термин «электротехника» стал употребляться именно после Международной «электротехнической» выставки 1881 г. и последовавшего за ней конгресса электриков.

Без линии электропередачи постоянного тока 800 кВ (0,48 тыс. км).

Указаны линейные напряжения в группе трансформаторов.

Каждому габариту соответствовал свой внутренний диаметр корпуса статора (станины).

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

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

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

Появление электронных схем сделало возможным построение электронных вычислительных машин.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 1

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

1) формулировка проблемы и математическая постановка задачи;

2) выбор метода и разработка алгоритма решения;

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

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

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

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

По мере развития вычислительной техники автоматизация этих этапов идет снизу

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

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

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

Принципы построения компьютера

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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