Цифрові технології дали можливість створити низку сучасних апаратних засобів, які надають суттєву допомогу роботі правоохоронних органів. До них відносяться мобільний стільниковий зв'язок, цифрові диктофони, цифрові фото- та відеокамери.

Зв'язок називають мобільної,якщо джерело інформації або її одержувач (або обидва) переміщуються у просторі. Сутність стільникового зв'язкуполягає у розподілі простору на невеликі ділянки - стільники (або осередки радіусом 1-5 км) та відділенні радіозв'язку в межах одного осередку від зв'язку між осередками. Це дозволяє використовувати в різних сотах ті самі частоти. У центрі кожного осередку розташовується базова (приймально-передавальна) радіостанція для забезпечення радіозв'язку в межах осередку з усіма абонентами. У кожного абонента своя мікрорадіостанція – мобільний телефон – комбінація телефону, приймача та міні-комп'ютера. Абоненти зв'язуються між собою через базові станції, з'єднані один з одним та з міською телефонною мережею. Кожна комірка сотів обслуговується базовим радіопередавачем з обмеженим радіусом дії та фіксованою частотою. Це дозволяє повторно використовувати ту ж частоту в інших стільниках. Під час розмови стільниковий радіотелефон з'єднаний із базовою станцією радіоканалом, яким передається телефонний розмову. Розміри осередку сотів визначаються максимальною дальністю зв'язку радіотелефонного апарату з базовою станцією. Ця максимальна дальність є радіусом стільника.

Ідея мобільного стільникового зв'язкуполягає в тому, що ще не вийшовши з зони дії однієї базової станції, мобільний телефон потрапляє в зону дії будь-якої сусідньої аж до зовнішньої межі всієї зони мережі.

Для цього створені системи антен-ретрансляторів, що перекривають свою соту - область Землі. Для забезпечення надійності зв'язку відстань між двома сусідніми антенами має бути меншою за радіус їхньої дії. У містах воно становить близько 500 м-коду, а в сільській місцевості близько 2-3 км. Мобільний телефон може приймати сигнали одразу від кількох антен- ретрансляторів, але він налаштовується завжди на найпотужніший сигнал.

Ідея мобільного стільникового зв'язку полягає ще й у застосуванні комп'ютерного контролю за телефонним сигналом від абонента, коли він переходить від одного стільникового осередку до іншого. Саме комп'ютерний контроль дозволив протягом лише тисячної частки секунди перемикати мобільний телефон з одного проміжного передавача на інший. Все відбувається так швидко, що абонент цього просто не помічає.

Центральною частиною системи мобільного зв'язку є комп'ютери. Вони шукають абонента, що у будь-якій із сот і підключають його до телефонної мережі. Коли абонент переміщається з одного осередку до іншого, вони передають абонента з однієї базової станції в іншу.

Важливою перевагою мобільного стільникового зв'язку є можливість користуватися нею поза загальною зоною свого оператора - роумінг.Для цього різні оператори домовляються між собою про взаємну можливість користування своїми зонами для користувачів. При цьому користувач, залишаючи загальну зону свого оператора, автоматично перемикається на зони інших операторів навіть при переміщенні з однієї країни до іншої, наприклад, з Росії до Німеччини або Франції. Або, перебуваючи в Росії, користувач може дзвонити по мобільному зв'язку в будь-яку країну. Таким чином, стільниковий зв'язок забезпечує користувачеві можливість зв'язуватися по телефону з будь-якою країною, де б він не знаходився. Провідні компанії-виробники мобільних телефонів орієнтуються на єдиний європейський стандарт – GSM.

Диктофон(від лат. dido - говорю, диктую) - це різновид магнітофона для запису мови в цілях, наприклад, подальшого друкування її тексту. Диктофони діляться на механічні, в яких як накопичувач інформації використовуються стандартні касети або мікрокасети з магнітною плівкою, і цифрові.

Цифрові диктофони відрізняються від механічних повною відсутністю рухомих деталей. В них як накопичувач інформації замість магнітної плівки використовується твердотільна флеш-пам'ять.

Цифрова фотографіядозволяє оперативно та без використання дорогих, тривалих та шкідливих для здоров'я хімічних процесів отримувати у цифровій формі якісні фотографії.

Принцип роботи цифрової фотокамери полягає в тому, що її оптична система (об'єктив) проектує зменшене зображення об'єкта, що фотографується, на мініатюрну напівпровідникову матрицю з світлочутливих елементів, так званий прилад із зарядовим зв'язком ПЗЗ (CCD). ПЗЗ-матриця - це аналоговий пристрій: електричний струм виникає в пікселі зображення у прямому співвідношенні з інтенсивністю світла, що падає. Чим вище щільність пікселів у ПЗЗ-матриці, тим більша роздільна здатність даватиме фотокамера. Далі отриманий аналоговий сигнал за допомогою цифрового процесора перетворюється на оцифроване зображення, яке стискається у формат JPEG (або аналогічний йому) і потім записується в пам'ять камери. Місткістю цієї пам'яті визначається кількість знімків. В якості пам'яті цифрових фотокамер використовуються різні накопичувачі - дискети, картки флеш-пам'яті, оптичні диски CD-RW та ін. будь-яку країну. Чим більше пікселів містить ПЗЗ-матриця, тим більша чіткість цифрового фотозображення. У матрицях сучасних цифрових фотоапаратів кількість пікселів - від 2 млн. до 6 млн. і більше.

Цифровий фотоапарат забезпечений мініатюрним рідкокристалічним дисплеєм, на якому зроблений знімок з'являється відразу після натискання кнопки. Жодного прояву та закріплення зображення (як у традиційній фотографії) при цьому не потрібно. Якщо знімок не сподобався, його можна «стерти» і на місце помістити новий. Єдине, що у цифровому фотоапараті залишилося від традиційної фотографії – це об'єктив.

У цифровій фотографії повністю виключено використання світлочутливих матеріалів із солями дефіцитного срібла. У порівнянні з традиційними, цифрові фотокамери містять значно меншу кількість механічних рухомих деталей, що забезпечує їхню високу надійність і довговічність.

У багатьох цифрових фотокамерах використовуються варіооб'єктиви зі змінною фокусною відстанню - трансфокатори або zoom-об'єктиви), що забезпечують оптичне (найчастіше триразове) збільшення. Це означає, що при фотографуванні можна, не сходячи з місця, візуально наблизити або віддалити об'єкт, що знімається, причому це можна робити поступово. Крім того, застосовується цифрове збільшення, при якому фрагмент зображення розтягується на весь екран.

Ще одна перевага цифрових фотокамер – можливість не тільки робити фотографії, але й знімати короткі відеосюжети тривалістю кілька хвилин. У найдосконаліших цифрових фотокамерах є вбудований мікрофон, що дозволяє знімати відеосюжети зі звуком.

Введені в комп'ютер цифрові фотографії можуть бути оброблені, наприклад кадрування (виділення окремих ділянок зі збільшенням), зміни яскравості і контрастності, колірного балансу, ретуші і т.д. У комп'ютері можна створювати альбоми цифрових фотографій, які можна переглядати або послідовно, або в режимі слайд-фільму.

Якість цифрових фотознімків вже сьогодні не поступається якості звичайних. Можна припустити, що найближчими роками цифрова фотографія повністю витіснить традиційну.

Відеокамеридозволяють записувати рухоме зображення зі звуком. У сучасних відеокамерах оптичне зображення, як і в цифрових фотокамерах, перетворюється на електричне з допомогою ПЗС-матрици. Вони також не потрібна кіноплівка, не потрібен прояв і закріплення. Зображення записується на магнітну відеоплівку. Однак для запису вздовж магнітної стрічки (як це здійснюється при записі звуку) знадобилася б дуже висока швидкість її руху - більше 200 км/год (приблизно в 10 000 разів більша, ніж при записі звуку): людина чує звуки в діапазоні частот від 20 до 20000 Гц. Якісний запис звуку здійснюється у цьому діапазоні. Для запису відео потрібні набагато вищі частоти - понад 6 МГц.

Замість того щоб збільшувати швидкість руху магнітної стрічки при записі і відтворенні зображення, магнітні головки у відеокамері і відеомагнітофоні закріплені на барабані, що обертається з високою швидкістю, а сигнали записуються не вздовж, а поперек стрічки. Вісь обертання барабана нахилена до стрічки, яке магнітна головка при кожному обороті записує на стрічці похилий рядок. При цьому щільність запису значно збільшується, а магнітна стрічка повинна рухатися порівняно повільно зі швидкістю всього 2 мм/с. Вони записують кольорове зображення і звук (за допомогою вбудованого мікрофона), мають високу чутливість. Вимірювання яскравості зображення, встановлення діафрагми та наведення на різкість повністю автоматизовані. Результат відео можна переглянути відразу ж, адже ніякого прояву плівки (як при кінозйомці) не потрібно.

Відеокамери мають високоякісні об'єктиви. У найбільш дорогих відеокамерах використовуються варіооб'єктиви зі змінною фокусною відстанню, що забезпечують оптичне 10-кратне збільшення. Це означає, що при відеозйомці можна, не сходячи з місця, наблизити або віддалити об'єкт, що знімається, причому це можна робити поступово. Крім того, застосовується цифрове збільшення до 400 разів і більше, при якому фрагмент зображення розтягується на весь екран. Застосовується також система стабілізації зображення, яка коригує тремтіння камери з великою точністю та в широких межах.

Застосування ПЗЗ-матриць забезпечує відеокамерам високу чутливість, що дає можливість знімати майже у повній темряві (при світлі багаття чи свічки).

У відеофільмі, як і в звуковому кінофільмі, зображення і звук, що рухається, записуються на один і той же носій інформації - магнітну відеоплівку. Найбільш поширений побутовий стандарт відеозапису – домашнє відео (video home system, VHS). Ширина магнітної плівки у цьому стандарті – 12,5 мм. Для портативних відеокамер застосовується зменшена касета з плівкою тієї ж ширини. VHS Compact.

Фірма Sony розробила та випускає мініатюрні відеокасети стандарту Video-S(Ш8). Ширина плівки у яких дорівнює 8 мм. Це дозволило зменшити габарити портативних побутових відеокамер. Найбільш досконалі для контролю зображення під час відеозйомки крім видошукача забезпечені мініатюрним кольоровим рідкокристалічним дисплеєм. З їх допомогою можна переглянути відеофільм, щойно відзнятий, прямо на знімальній відеокамері. Інший спосіб перегляду – на екрані телевізора. Для цього вихід відеокамери з'єднують із входом телевізора.

Перехід на цифровий метод запису дозволяє уникнути втрати якості навіть за багаторазового перезапису. У 1995 р. консорціум 55 провідних виробників електроніки, у тому числі Sony, Philips, Hitachi, Panasonic та JVC, прийняли цифровий формат відеозапису на магнітну плівку DVC (digital video cassette) або DV (Digital Video).Вже наприкінці 1995 р. Sony представила першу DV-відеокамеру. Тепер цифровий відеофільм можна перенести з відеокамери на вінчестер комп'ютера і назад безпосередньо, без складних перетворень.

Кожному кадру на магнітній стрічці відповідають 12 похилих рядків-доріжок шириною 10 мкм. На кожній із них, крім запису аудіо- та відеоінформації, години, хвилини, секунди та порядкового номера кадру, є можливість записати додаткову інформацію про відеозйомку. Усі DV-камери можуть працювати в режимі фотозйомки та фіксувати окремі зображення зі звуковим супроводом протягом 6-7 секунд. Вони перетворюються на цифрові фотоапарати з ємністю 500-600 кадрів. Створено вже і D V-відеомагнітофон.

Поряд із цифровим форматом DV фірма Sony розробила нову цифрову технологію Digital 8, яка покликана стерти кордон між аналоговими та цифровими форматами. Вона дозволяє використовувати цифровий запис DV на звичайній касеті Ш8, що застосовувалася для аналогового запису.

Випускаються цифрові відеокамери без відеокасети. Зображення записується на жорсткий знімний диск (вінчестер). Записаний у цифровому форматі відеофільм можна переглянути на персональному комп'ютері або перетворити його на аналоговий сигнал і подивитися по телевізору. Запис ведеться зі стиском інформації у форматі МРЕв/ЗРЕВ, стандартному для комп'ютерів, тому його можна переглядати і навіть редагувати на моніторі персонального комп'ютера.

У новітніх відеокамерах замість магнітної стрічки для запису відеозображення застосовані оптичні оптичні ЕУО-ІЛУ-диски, що перезаписуються. Записаний на них диск можна відразу вставити в БУО-плеєр для перегляду. Завдяки малому діаметру диска (8 см) габарити відеокамери такі ж, як і у звичайних – з використанням касет із магнітною плівкою. Час запису на ОУО-диску складає 30 хв, а в режимі економії - 60 хв з деяким зниженням якості відеозображення.

Цифровим відеокамерам, фотокамерам, диктофонам без рухомих вузлів та деталей належить майбутнє. Вони більш надійні, довговічні, легкі та мініатюрні, не бояться струсів при ходьбі, ударів.

Контрольні питання

1. Що розуміється під апаратним та програмним забезпеченням комп'ютера? 2. Назвіть відмінні риси ПК типу 1ВМ РС. 3. Розгляньте історію клона 1ВМ РС на кшталт використовуваного мікропроцесора. 4. Які основні пристрої входять до апаратного забезпечення ПК? 5. Яке призначення системної шини та роз'ємів розширення ПК? 6. Як пов'язані швидкодія мікропроцесора та швидкодія ПК? 7. Як впливають характеристики МП та пам'яті на продуктивність ПК? 8. Поясніть призначення адаптерів та контролерів. 9. Що таке аналого-цифровий (АЦП) та цифроаналоговий (ЦАП) перетворювачі? 10. У чому різниця між носіями та накопичувачами інформації?))

• Назвіть основні види носіїв та накопичувачів інформації в комп'ютері. 12. У чому різниця між оперативної та довгострокової пам'яттю комп'ютера? 13. Назвіть основні типи оптичних компакт-дисків. 14. Що таке флеш-пам'ять? 15. У чому полягає різниця між принтером і плотером?

ТЕНДЕНЦІЇ РОЗВИТКУ ЕЛЕКТРОВИМІРЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ

Використання досягнень мікроелектроніки та обчислювальної техніки в електровимірювальній техніці визначають нині одну з основних тенденцій її розвитку, для якої характерна комп'ютеризація засобів вимірів. Розглянемо характерні форми вияву цієї тенденції.

Насамперед, вона проявляється у поступовій заміні аналогових засобів вимірювань на цифрові, які, у свою чергу, стають все більш універсальними та «інтелектуальними».

Як приклад розглянемо етапи розвитку виробництва осцилографів фірмі «Хьюлет-Пакард» – однієї з провідних у цій галузі. Свої перші лампові осцилографи НР130А і НР150А фірма випустила ще в 1956 р., а перший напівпровідниковий (НР180А) – в 1966 р. До 80-х років цією та іншими фірмами було випущено величезну кількість аналогових осцилографів різного призначення, причому багато технічними характеристиками. Проте вже 1980 р. фірма «Хьюлет-Пакард» дійшла висновку, що цифрова техніка може запропонувати найкраще і більш дешеве рішення завдання реєстрації, відображення та обробки аналогових сигналів, і з 1986 р. взагалі припинила випуск аналогових осцилографів, замінивши їх цифровими. У 1992 р. фірма випускала вже цілу серію цифрових осцилографів; до цієї модульної серії 54700 входить, зокрема, змінний блок 54721 А зі смугою 1 ГГц і частотою дискретизації 4 Готсчет/с.

Аналогічний процес пройшов фірмі «Голд» (Gould, США). Свій перший цифровий осцилограф фірма випустила 1975 р., а 1988 р. припинила випуск аналогових. У 1992 р. фірма випускала 15 моделей цифрових осцилографів зі смугою від 7 до 200 МГц та частотою дискретизації від 0,02 до 1,6 Готсчет/с.

Якщо візуального спостереження досліджуваних процесів достатньо роздільної здатності 8 біт, то складнішого і точного аналізу цього часто недостатньо. Тому постійно ведеться робота з підвищення точності цифрових осцилографів. Наприклад, фірма «Ніколь Інструмент корп.» (Nicolet Instrument Corp., США) пропонує осцилографи серії 400 з роздільною здатністю по вертикалі 14 біт, що, звичайно, недосяжно для аналогових осцилографів.

Цифрові осцилографи не просто замінювали аналогові, але й надавали споживачам нові можливості, пов'язані зі здатністю нових приладів зберігати, виводити, обробляти та порівнювати параметри сигналів, що спостерігаються. Сучасні цифрові осцилографи виконують багато функцій аналізу сигналів, включаючи аналіз спектру з використанням алгоритмів швидкого перетворення Фур'є. У них може бути вбудований принтер або плотер, що дозволяють отримувати тверду копію протоколу чи графіка. Наявність вузлів стандартних інтерфейсів дозволяє підключати цифровий осцилограф до персонального комп'ютера та обчислювальної мережі; більше того, він сам має можливості невеликого комп'ютера. Подібні осцилографи одними з перших почали випускати японські фірми «Хіокі» (Hioki, модель 8850) та «Іокогава» (Yokogawa, моделі 3655 та 3656).

На прикладі цифрових осцилографів можна простежити один із напрямів комп'ютеризації електровимірювальної техніки. Створюються нові засоби вимірювань із цифровою обробкою сигналів вимірювальної інформації та можливістю побудови на їх основі вимірювально-обчислювальних систем різного призначення. У ці вимірювальні прилади та системи вбудовуються елементи комп'ютерної техніки, що забезпечують цифрову обробку сигналів, самодіагностику, корекцію похибок, зв'язок із зовнішніми пристроями тощо.

Інший напрямок пов'язане з появою на початку 80-х років та широким поширенням персональних комп'ютерів (IBM PC та інших). Якщо у споживача є такий комп'ютер, то у нього фактично є багато вузлів комп'ютерного засобу вимірювань: обчислювальний пристрій, дисплей, пристрій управління, корпус, джерела живлення та ін. Бракує лише пристроїв введення вимірювальної інформації в комп'ютер масштабування, нормалізації та лінеаризації, АЦП та ін.), її попередньої обробки (якщо бажано звільнити від цієї роботи комп'ютер) та спеціального програмного забезпечення.

Тому в 80-х роках пристрої введення аналогової вимірювальної інформації в персональні комп'ютери (ПК) почали серійно випускатися у вигляді плат, що вбудовуються в крос ПК, у вигляді наборів модулів, що вбудовуються в загальний корпус (крейт) шасі ПК, що розширюються, або у вигляді автономних функціональних модулів, що підключаються до ПК через зовнішні роз'єми.

Ефективна попередня обробка інформації в таких пристроях стала можливою з появою спеціалізованих великих інтегральних схем - цифрових процесорів сигналів (ЦПС). Перші однокристальні ЦПС випустила 1980 р. японська фірма «НІСі корп.» (NEC Corp.), з 1983 р. аналогічну продукцію почали випускати фірми «Фуджіцу» (Fujitsu, Японія) та «Техас Інструменті» (Texas Instruments, (США)); пізніше до них приєдналися "Аналог Дивайсіс" (США), "Моторола" (Motorola, США) та ін.

Слід зазначити щонайменше дві особливості комп'ютерних засобів вимірів. По-перше, вони можуть бути просто пристосовані для вимірювань різних величин; тому їх основі будуються універсальні засоби вимірів. По-друге, дедалі більшу частку у собівартості займає вартість програмного забезпечення, що звільняє споживача від виконання багатьох рутинних операцій та створює йому максимум зручностей під час вирішення основних завдань вимірів.

Прикладом можуть бути звані віртуальні засоби вимірів. Вони програмним шляхом на дисплеї ПК формується зображення лицьової панелі вимірювального приладу. Цієї панелі насправді фізично не існує, а сам прилад складається, наприклад, із ПК та вбудованої в нього вимірювальної плати. Тим не менш у споживача створюється повна ілюзія роботи зі звичайним приладом: він може натискати на клавіші управління, вибираючи діапазон вимірювання, режим роботи і т.д., одержуючи результат вимірювання.

Подальша мікромініатюризація електронних компонентів призвела, починаючи з 80-х років, до розвитку ще одного напряму комп'ютеризації засобів вимірювальної техніки – до створення не лише «інтелектуальних» приладів та систем, а й «інтелектуальних» датчиків.

Такий датчик містить не тільки чутливий елемент, але й складний електронний пристрій, що складається з аналогових та аналого-цифрових перетворювачів, а також мікропроцесорних пристроїв з програмним забезпеченням. Конструкція «інтелектуального» датчика дозволяє встановлювати його у безпосередній близькості від об'єкта досліджень та проводити ту чи іншу обробку вимірювальної інформації. При цьому центр збору даних, який може знаходитися на значній відстані від об'єкта, інформація передається за допомогою сигналів, що володіють високою стійкістю до перешкод, що підвищує точність вимірювань.

Як приклад розглянемо технічні можливості «інтелектуального» датчика абсолютного тиску, що випускається японською фірмою «Фуджі» (FUJI, модель FKA), який забезпечує вимірювання тиску рідини, газу або пари в діапазоні від 0,16 до 30 бар з похибкою не більше 0, 2% в діапазоні робочих температур від -40 до + 85°С. Він складається з ємнісного чутливого елемента та електронного пристрою, змонтованого в сталевому корпусі об'ємом із сірниковою коробкою. Його живлення здійснюється від зовнішнього джерела постійного струму з напругою від 11 до 45, який може розташовуватися в декількох кілометрах від датчика в центрі збору даних. Вимірювальна інформація передається по проводах джерела живлення (двопровідний датчик) в аналоговій формі - постійним струмом від 4 до 20 мА, а також цифровим сигналом, накладеним на аналоговий.

Датчик може бути легко перетворений на вимірювальний прилад шляхом встановлення на ньому чотирирозрядного цифрового рідкокристалічного індикатора або аналогового мілівольтметра. Такими датчиками можна керувати за допомогою спеціальних пультів та об'єднувати їх у вимірювальну систему. Кожен датчик здійснює операції самодіагностики, лінеаризації, функції перетворення, масштабування, установки діапазону вимірювань, температурної компенсації і т.д.

Поруч із комп'ютеризацією електровимірювальної техніки інтенсивно розвивається її метрологічне забезпечення, причому еталони високої точності стають доступними промисловості. Наприклад, ще 1982 р. фірма «Флюк» (Fluke, США) випустила калібратор напруги для перевірки 6,5- і 7,5-розрядних мультиметрів. Цей прилад (модель 5440А), побудований на базі ЦАП з широтно імпульсною модуляцією, забезпечує відносну похибку не більше 0,0004% при роботі безпосередньо в цеху.

Для побудови сучасних засобів вимірювань з найбільш високими метрологічними характеристиками, включаючи еталони вольту та ампера, вирішальне значення має використання квантових ефектів Б. Джозефсона та Холла.

Ефект Б. Джозефсона був передбачений у 1962 р. англійським фізиком Б. Джозефсоном та експериментально виявлений у 1963 р. американськими фізиками П. Андерсоном та Дж. Ровеллом. Один із проявів даного ефекту полягає в наступному. При опроміненні контакту Б. Джозефсона – тонкого шару діелектрика між двома надпровідниками – високочастотним електромагнітним полем, на вольтамперній характеристиці такого контакту виникають стрибки напруги, пропорційні частоті. Висока точність відтворення стрибків напруги на контактах Б. Джозефсона дозволила в 80-х роках побудувати зразки вольту з похибками трохи більше 0,0001%.

Використання ефекту Б. Джозефсона та явища квантування магнітного поля в однозв'язних надпровідниках призвело до створення надзвичайно чутливих надпровідних квантових інтерференційних приладів – СКВІДів, що вимірюють магнітні потоки. Застосування вимірювальних перетворювачів різних фізичних величин магнітні потоки дозволило створити на основі СКВІДів вимірювальні прилади та пристрої різного призначення, що володіють рекордно високою чутливістю: гальванометри, компаратори, термометри, магнітометри, градієнтометри, підсилювачі. На основі ефекту Б. Джозефсона будуються інші пристрої, що служать для обробки вимірювальної інформації, наприклад, АЦП і цифрові процесори сигналів з тактовими частотами понад 10 ГГц.

Квантовий ефект Холла було відкрито 1980 р. К. фон Клітцингом (ФРН). Ефект спостерігається за низьких температур (близько 1 К) і проявляється у вигляді горизонтальної ділянки на графіку залежності холлівського опору напівпровідникових датчиків Холла від магнітної індукції. Похибка опору, що відповідає цій ділянці, не перевищує 0,00001%. Це дозволило використати квантовий ефект Холла до створення еталонів електричного опору.

Використання квантових ефектів Б. Джозефсона і Холла дозволило розробити зразки постійного електричного струму, що перевищують за точністю зразки на основі струмових терезів, що застосовувалися майже всю другу половину XX ст. У нашій країні новий державний первинний стандарт введено з 1992 р. Він відтворює ампер з похибкою трохи більше 0,00002% (струмові ваги забезпечували похибку трохи більше 0,0008%).

Розглянуті ефекти виявляються при низьких температурах, що є головною перешкодою їхнього широкого використання. Однак відкриття в 1986 р. високотемпературних надпровідників дозволяє очікувати створення засобів вимірювань, побудованих на інтегральних схемах і працюючих при температурах близько 100 К. Це був новий якісний стрибок у розвитку електровимірювальної техніки.

Термін «електричний струм» запроваджено A.M. Ампером (див. § 2.5).

Якщо ланцюг живиться від батареї, то струм пропорційний ЕРС елемента (у чисельнику), а знаменнику крім опору ланцюга вказується і внутрішній опір елемента.

Термін «електротехніка» став вживатися саме після Міжнародної «електротехнічної» виставки 1881 р. і конгресу електриків, що послідував за нею.

Без лінії електропередач постійного струму 800 кВ (0,48 тис. км).

Вказано лінійну напругу в групі трансформаторів.

Кожному габариту відповідав власний внутрішній діаметр корпусу статора (станини).

Перші електронні обчислювальні машини (ЕОМ) з'явилися трохи більше 50 років тому. За цей час мікроелектроніка, обчислювальна техніка та вся індустрія інформатики стали одними з основних складових світового науково-технічного прогресу. Вплив обчислювальної техніки на всі сфери діяльності продовжує розширюватися. Нині ЕОМ використовуються як виконання складних розрахунків, а й у управлінні виробничими процесами, освіти, охорони здоров'я, екології тощо. Це тим, що ЕОМ здатні обробляти будь-які види інформації: числову, текстову, табличну, графічну, звукову, відеоінформацію.

Перша електронна обчислювальна машина ЕІ1ЛС була побудована в 1946 р. в рамках одного науково-дослідного проекту, який фінансує міністерство оборони США. Роком раніше Дж. фон Нейман видав статтю, де було викладено основні принципи побудови комп'ютерів. В основу проекту було покладено макет обчислювача, розроблений американцем болгарського походження Дж. Атанасовим, який займався великомасштабними обчисленнями. У здійсненні проекту брали активну участь такі великі вчені, як К. Шеннон, Н. Віннер, Дж. фон Нейман та ін. З цього моменту почалася ера обчислювальної техніки. З відставанням у 10-15 років почала розвиватися і вітчизняна обчислювальна техніка.

Математичні основи автоматичних обчислень до цього часу були вже розроблені (Г. Лейбніц, Дж. Буль, Л. Т'юрінг та ін), але поява комп'ютерів стала можливою тільки завдяки розвитку електронної техніки. Багаторазові спроби створення різноманітних автоматичних обчислювальних пристроїв (від найпростіших рахунок до механічних і електромеханічних обчислювачів) не дозволяли побудувати надійні та економічно ефективні машини.

Поява електронних схем уможливило побудову електронних обчислювальних машин.

Електронна обчислювальна машина, або комп'ютер – це комплекс апаратних та програмних засобів, призначений для автоматизації підготовки та вирішення завдань користувачів (рис. 1).

Під користувачем розуміють людину, на користь якої проводиться обробка даних. Як користувача можуть виступати замовники обчислювальних робіт, програмісти, оператори. Як правило, час підготовки завдань у багато разів перевищує час їх вирішення.

Комп'ютери є універсальними технічними засобами автоматизації обчислювальних робіт, тобто здатні вирішувати будь-які завдання, пов'язані з перетворенням інформації. Однак підготовка завдань до рішення на ЕОМ була і залишається досі досить трудомістким процесом, що вимагає від користувачів у багатьох випадках спеціальних знань та навичок.

Для зниження трудомісткості підготовки завдань до вирішення, більш ефективного використання окремих технічних, програмних засобів та ЕОМ загалом, а також полегшення їх експлуатації кожна ЕОМ має спеціальний комплекс програмних засобів. Зазвичай апаратні та програмні засоби взаємопов'язані та об'єднуються в одну структуру.

Структура є сукупність елементів та його зв'язків. Залежно від контексту розрізняють структури технічних, програмних, апаратно-програмних та інформаційних засобів.

Частина програмних засобів забезпечує взаємодію користувачів з ЕОМ та є своєрідним «посередником» між ними. Вона отримала назву операційна система та є ядром програмного забезпечення ЕОМ.

Під програмним забезпеченням розумітимемо комплекс програмних засобів регулярного застосування, призначений для створення необхідного сервісу для роботи користувачів.

Програмне забезпечення (ПЗ) окремих ЕОМ та обчислювальних систем (ВС) може сильно відрізнятися складом використовуваних програм, який визначається класом використовуваної обчислювальної техніки, режимами її застосування, змістом обчислювальних робіт користувачів і т.п. Розвиток ПО сучасних ЕОМ і ЗС значною мірою носить еволюційний і емпіричний характер, але можна назвати закономірності у його побудові.

Розглянемо основні віхи та тенденції розвитку комп'ютерів, їх апаратних та програмних засобів (табл. 1).

Таблиця 1

У випадку процес підготовки та розв'язання завдань на ЕОМ передбачає обов'язкове виконання наступної послідовності етапів:

1) формулювання проблеми та математична постановка задачі;

2) вибір методу та розробка алгоритму рішення;

3) програмування (запис алгоритму) з використанням деякої алгоритмічної мови;

4) планування та організація обчислювального процесу - порядку та послідовності використання ресурсів ЕОМ та ВС;

5) формування «машинної програми», тобто програми, яку безпосередньо виконуватиме ЕОМ;

6) власне розв'язання задачі – виконання обчислень за готовою програмою.

З розвитком обчислювальної техніки автоматизація цих етапів йде знизу

На шляху розвитку електронної обчислювальної техніки можна виділити чотири покоління ЕОМ, що відрізняються елементною базою, функціонально-логічною організацією, конструктивно-технологічним виконанням, програмним забезпеченням, технічними та експлуатаційними характеристиками, ступенем доступу до ЕОМ з боку користувачів. Зміні поколінь супроводжувала зміна основних техніко-експлуатаційних та технікоекономічних показників ЕОМ і насамперед таких, як швидкодія, ємність пам'яті, надійність та вартість. При цьому однією з основних тенденцій розвитку було і прагнення зменшити трудомісткість підготовки програм розв'язуваних завдань, полегшити зв'язок операторів з машинами, підвищити ефективність використання останніх. Це диктувалося і диктується постійним зростанням складності та трудомісткості завдань, вирішення яких покладається на ЕОМ у різних сферах застосування.

Можливості покращення техніко-експлуатаційних показників ЕОМ значною мірою залежать від елементів, що використовуються для побудови їх електронних схем. Тому під час розгляду етапів розвитку ЕОМ кожне покоління насамперед, зазвичай, характеризується використовуваної елементної базою.

Основним активним елементом комп'ютерів першого покоління була електронна лампа, решта компонентів електронної апаратури - це звичайні резистори, конденсатори, трансформатори. Для побудови оперативної пам'яті вже серед

Принципи побудови комп'ютера

Нами 50-х років почали застосовуватися спеціально розроблені для цієї мети елементи - феритові сердечники з прямокутною петлею гістерезису. Як пристрій введення-виведення спочатку використовувалася стандартна телеграфна апаратура (телетайпи, стрічкові перфоратори, трансмітери, апаратура лічильно-перфораційних машин), а потім спеціально були розроблені електромеханічні пристрої на магнітних стрічках, барабанах, дисках і швидкодіючі друкуючі пристрої.

Комп'ютери цього покоління мали великі розміри, споживали велику потужність. Швидкодія цих машин становила від кількох сотень до кількох тисяч операцій на секунду, ємність пам'яті - кілька тисяч машинних слів, надійність обчислювалася кількома годинами роботи.

У цих ЕОМ автоматизації підлягав лише шостий етап, оскільки практично не було будь-яке програмне забезпечення. Усі п'ять попередніх етапів користувач мав готувати вручну самостійно, до отримання машинних кодів програм. Трудомісткий та рутинний характер цих робіт був джерелом великої кількості помилок у завданнях. Тому в ЕОМ наступних поколінь з'явилися спочатку елементи, а потім цілі системи, що полегшують процес підготовки завдань до розв'язання.

На зміну ламп прийшли транзистори в машинах другого покоління (початок 60-х). Комп'ютери стали мати велику швидкодію, ємність оперативної пам'яті, надійність. Усі основні показники зросли на 1-2 порядку. Істотно було зменшено розміри, маса і споживана потужність. Великим досягненням стало застосування друкарського монтажу. Підвищилася надійність електромеханічних пристроїв введення-виведення, питома вага яких збільшилася. Машини другого покоління стали володіти великими обчислювальними та логічними можливостями.

Особливість машин другого покоління - їхня диференціація по застосуванню. З'явилися комп'ютери для вирішення науково-технічних та економічних завдань, для управління виробничими процесами та різними об'єктами (керуючі машини).

Поряд з технічним удосконаленням ЕОМ розвиваються методи та прийоми програмування обчислень, вищим ступенем яких є поява систем автоматизації програмування, що значно полегшують працю математиків-програмістів.

Великий розвиток та застосування отримали алгоритмічні мови, які суттєво спрощують процес підготовки завдань до вирішення. З появою алгоритмічних мов різко скоротилися штати програмістів, оскільки складання програм цими мовами стало під силу самим користувачам.

Широке застосування алгоритмічних мов (Автокоди, Алгол, Фортран та ін.) та відповідних їм трансляторів, що дозволяють автоматично формувати машинні програми за їх описом алгоритмічною мовою, призвело до створення бібліотек стандартних програм, що дозволило будувати машинні програми блоками, використовуючи накопичений та набутий програмістами досвід. Нові програмні засоби тут ще об'єднувалися в окремі пакети під загальним управлінням. Зазначимо, що тимчасові межі появи цих нововведень досить розмиті. Зазвичай їх витоки можна знайти вже у надрах ЕОМ попередніх поколінь.

Третє покоління ЕОМ (наприкінці 60-х - початку 70-х) характеризується широким застосуванням інтегральних схем. Інтегральна схема є закінченим логічним і функціональним блоком, що відповідає досить складній транзисторній схемі. Завдяки використанню інтегральних схем вдалося ще більше

покращити технічні та експлуатаційні характеристики машин. Обчислювальна техніка стала мати широку номенклатуру пристроїв, що дозволяють будувати різноманітні системи обробки даних, зорієнтовані різні застосування. Вони охоплювали широкий діапазон продуктивності, чому сприяло також повсюдне застосування багатошарового друкованого монтажу.

У комп'ютерах третього покоління значно розширився набір різних електромеханічних пристроїв уведення та виведення інформації. Розвиток цих пристроїв має еволюційний характер: їх характеристики покращуються набагато повільніше, ніж характеристики електронного обладнання.

Відмінною особливістю розвитку програмних засобів цього покоління є поява яскраво вираженого програмного забезпечення та розвиток його ядра - операційних систем, які відповідають за організацію та управління обчислювальним процесом. Саме тут поняття «ЕОМ» дедалі частіше стало замінюватися поняттям «обчислювальна система», що у більшою мірою відбивало ускладнення як апаратурної, і програмної елементів ЕОМ. Вартість програмного забезпечення почала зростати, і в даний час набагато випереджає вартість апаратури (рис. 2).

Операційна система (ОС) планує послідовність розподілу та використання ресурсів обчислювальної системи, а також забезпечує їхню узгоджену роботу. Під ресурсами зазвичай розуміють кошти, які застосовуються для обчислень: машинний час окремих процесорів чи ЕОМ, які входять у систему; обсяги оперативної та зовнішньої пам'яті; окремі пристрої, інформаційні масиви; бібліотеки програм; окремі програми як загального, і спеціального застосування тощо. Цікаво, що найбільш уживані функції ОС у частині обробки позаштатних ситуацій (захист програм від взаємних перешкод, системи переривань та пріоритетів, служба часу, поєднання з каналами зв'язку тощо) були повністю або частково реалізовані апаратурно. Одночасно було реалізовано складніші режими роботи: колективний доступом до ресурсів, мультипрограмні режими. Частина цих рішень стала своєрідним стандартом і почала використовуватися повсюдно в ЕОМ різних класів.

У машинах третього покоління суттєво розширено можливості щодо забезпечення безпосереднього доступу до них з боку абонентів, що знаходяться на різних, а також значних (десятки та сотні кілометрів) відстанях. Зручність спілкування абонента з машиною досягається з допомогою розвиненої мережі абонентських пунктів, що з ЕОМ інформаційними каналами зв'язку, і програмного забезпечення.

Наприклад, у режимі поділу часу багатьом абонентам надається можливість одночасного, безпосереднього та оперативного доступу до ЕОМ. Внаслідок великої відмінності інерційності людини і машини у кожного з абонентів, що одночасно працюють, складається враження, ніби йому одному надано машинний час.

Тут ще більшою мірою проявляється тенденція до уніфікації ЕОМ, створення машин, що є єдиною системою. Яскравим прикладом цієї тенденції є вітчизняна програма створення та розвитку Єдиної системи електронних обчислювальних машин (ЄС ЕОМ).

ЄС ЕОМ являла собою сімейство (ряд) програмно-сумісних машин, побудованих на єдиній елементній базі, на єдиній конструктивно-технологічній основі, з єдиною структурою, єдиною системою програмного забезпечення та єдиним уніфікованим набором зовнішніх пристроїв.

Промисловий випуск перших моделей ЄС ЕОМ було розпочато 1972 р., за її створення було використано всі сучасні досягнення у галузі електронної обчислювальної техніки, технології та конструювання ЕОМ, у сфері побудови систем програмного обеспечения. Об'єднання знань і виробничих потужностей країн-розробників дозволило у досить стислий термін вирішити складну комплексну науково-технічну проблему. ЄС ЕОМ являла собою систему, що безперервно розвивається, в якій покращувалися техніко-експлуатаційні показники машин, удосконалювалося периферійне обладнання і розширювалася його номенклатура.

Для машин четвертого покоління (80-ті роки) характерним є застосування великих інтегральних схем (ВІС). Високий ступінь інтеграції сприяв збільшенню щільності компонування електронної апаратури, ускладненню її функцій, підвищенню надійності та швидкодії, зниженню вартості. Це своє чергу справило значний вплив на логічну структуру ЕОМ та її програмне забезпечення. Більш тісним став зв'язок структури машини та її програмного забезпечення, особливо операційної системи.

У четвертому поколінні з появою США мікропроцесорів (1971 р.) виник новий клас обчислювальних машин - микроЭВМ, зміну яким прийшли персональні комп'ютери (ПК, початок 80-х). У цьому вся класі ЕОМ поруч із БИС стали використовуватися надвеликі інтегральні схеми (СБИС) 32-, та був 64-разрядности.

Поява ПК - найбільш яскрава подія в галузі обчислювальної техніки, до останнього часу сектор галузі, що динамічно розвивається. З їх використанням вирішення завдань інформатизації суспільства було поставлено реальну основу.

Основна мета використання ПК – формалізація професійних знань. Тут насамперед автоматизується рутинна частина робіт (збір, накопичення, зберігання та обробка даних), яка займає понад 75% робочого часу спеціалістів-прикладників. Застосування ПК дозволило зробити працю фахівців творчою, цікавою, ефективною. В даний час ПК використовуються повсюдно, у всіх сферах діяльності людей. Нові сфери застосування змінили характер обчислювальних робіт. Так, інженерно-технічні розрахунки становлять трохи більше 9-15%, переважно ПК тепер застосовуються для автоматизації управління збутом, закупівлями, управління запасами, виробництвом, до виконання фінансово-економічних розрахунків, діловодства, ігрових завдань тощо.

Застосування ПК дозволило використовувати нові інформаційні технології та створювати системи розподіленої обробки даних. Найвищою стадією систем розподіленої обробки даних є комп'ютерні (обчислювальні) мережі різних рівнів – від локальних до глобальних.

У комп'ютерах цього покоління продовжується ускладнення технічних та програмних структур (ієрархія управління засобами, збільшення їх кількості). Слід зазначити помітне підвищення рівня «інтелектуальності» систем, створюваних з їхньої основі. Програмне забезпечення цих машин створює «дружнє» середовище спілкування людини та комп'ютера. Воно, з одного боку, управляє процесом обробки інформації, з другого, створює необхідний сервіс для користувача, знижуючи трудомісткість його рутинної роботи і надаючи можливість більше уваги приділяти творчості.

Такі тенденції зберігатимуться й у ЕОМ наступних поколінь. Так, на думку дослідників, машини наступного століття матимуть вбудований у них «штучний інтелект», що дозволить користувачам звертатися до машин (систем) природною мовою, вводити та обробляти тексти, документи, ілюстрації, створювати системи обробки знань тощо. Все це призводить до необхідності ускладнення апаратної частини комп'ютерів, появи обчислювальних систем на їх основі, а також розробки складного багатоешелонного ієрархічного програмного забезпечення систем обробки даних.