В. П. Дьяконов, А. Н. Черничин Новые информационные технологии Часть Основы и аппаратное обеспечение Под общей редакцией проф. В. П. Дьяконова Смоленск 2003

Вид материала

Документы

Содержание 1.5. Кодирование и декодирование информации 1.5.2. ASCII и таблицы кодировки 1.5.3. Цифровое кодирование графики и видео 1.5.4. Специальные виды кодирования и криптография 1.6. Информационные модели обучения 1.6.2. Информационная модель процесса обучения 1.6.3. Дидактические возможности информационной среды обучения 1.6.4. Состав информационной среды обучения 1.7. Элементная база информационных устройств 1.7.1. Пассивные и активные компоненты 1.7.2. Терагерцовые полевые и биполярные транзисторы 1.7.3. Трехмерные полевые транзисторы 1.7.4. Логические устройства и схемы No and and-no or or-no 1.7.5. Интегральные микросхемы 1.7.6. Нанотехнологии в микроэлектронике 1.7.7. Микромеханика на кремниевом кристалле 1.8. Появление и развитие ЭВМ 1.8.1. Что было до появления ЭВМ 1.8.2. Факторы, приведшие к созданию ЭВМ ... Полное содержание

Подобный материал:

• Высшее образование новые педагогические и информационные технологии в системе образования, 4841.75kb.
• Перевод с норвежского М. П. Дьяконовой Под редакцией М. А. Дьяконова Предисловие проф., 5465.89kb.
• Литература: Калугина Т. А. Новые информационные технологии в сфере образования: методологические, 14.35kb.
• Юрия Михайловича Лахтина, прочитанной на 3-х Лахтинских чтениях 21 сентября 2003 года, 1244.48kb.
• Под общей редакцией проф. Малого В. П., проф. Кратенко И. С. Харьков 2008, 8344.22kb.
• Информационные технологии и управление в технических системах всех форм обучения Под, 793.84kb.
• Леонид Владимирович Дьяконов указатель, 8647.04kb.
• Международный общественный благотворительный, 2426.77kb.
• 2. технические основы информационных технологий в экономике, 988.43kb.
• Учебник под редакцией, 9200.03kb.

1.5. Кодирование и декодирование информации

1.5.1. Кодирование текстовой информации

Чтобы эффективно накапливать, передавать и использовать информацию, ее надо представить в виде цифровых кодов, т.е. различающихся чисел, каждое из которых имеет значение некоторого «кванта» информации (т. е. ее неделимого значения). Эта операция называется кодированием информации.

Рассмотрим кодирование текстовой информации. Как известно, любой текст состоит из отдельных знаков - прежде всего букв и цифр. Совокупность таких знаков образует алфавит языка, а правила применения – синтаксис языка. Для работы с большинством языков (за исключением, возможно, китайского и японского) вполне достаточно двух-трех сотен знаков. Из этих знаков строятся слова, предложения, абзацы и главы текстовых документов.

В цифровых информационных системах и компьютерах каждый знак кодируется некоторым кодом - обычно целым числом от 0 до 255. Таким образом, задается 256 знаков (2 в степени 8). Этого вполне достаточно. 2 в степени 7 даст 128 значений - этого мало, а вот 2 в степени 9 - уже 512 значений. Этого уже много! К тому же число 8 кратно двум, вот почему именно единица памяти байт (2⁸ состояний) стала основной.

1.5.2. ASCII и таблицы кодировки

Имеются специальные стандарты, ставящие в соответствие каждый код определенному знаку. Сейчас самым признанным стандартом стал ASCII (American Standard Code for Information Interchange - Американский стандартный код для обмена информацией). В нем каждое значение байта соотносится с определенным символом, например, 65 - это код латинской буквы «A», 66 - «B» и т.д.

В новых операционных системах для компьютеров, например Windows 98/2000/NT/XP, применяются и двухбайтные коды (Unicode), позволяющие довести число кодируемых знаков до 65536 символов. Этого достаточно для кодирования самых сложных языков.

В компьютере или ином информационном устройстве имеется также один или несколько наборов знаков (так называемых таблиц знакогенератора), которые ставят в однозначное соответствие код знака с его начертанием на экране дисплея. В результате с помощью специальной алфавитно-цифровой клавиатуры можно преобразовать знак любого языка на любой клавише в код, а с помощью знакогенератора дисплея вывести этот знак на экран дисплея.

Преобразовав символы в коды, нетрудно автоматизировать операции с текстами. Например, несложно подсчитать число символов в строке, выделить первый, последний или вообще любой символ, выполнить сортировку слов, осуществить замену одного символа или подстроки на другой (другую) и даже осуществить автоматическую проверку орфографии и грамматики, используя для этого определенные наборы правил того языка, на котором создается и обрабатывается текст. Все это и делают текстовые редакторы и более мощные текстовые процессоры, такие, как всемирно известный Microsoft Word.

1.5.3. Цифровое кодирование графики и видео

Немного сложнее кодирование черно-белой графики. Любую точку можно представить набором чисел-кодов: координат по осям X и Y. Имея эти коды, можно построить точку в нужном месте экрана. А из множества точек составить любой рисунок. Однако он будет выглядеть как точечный черно-белый рисунок из старых газет.

Чтобы получить более качественные полутоновые (grayscale) и особенно цветные (color) рисунки к численным координатам каждой точки, придется добавить некоторые коды цвета и иных свойств точек графики (например, признака мигания точки или ее прозрачности). Их принято именовать графическими атрибутами точки.

С позиций математики набор координат точек представляет собой матрицу – прямоугольную таблицу с числами в ее ячейках. Если составить изображение из точек трех основных цветов, например красного (Red), зеленого (Green) и голубого (Blue), то нам придется хранить матрицы трех цветов и помещать в ячейки матрицы числа, определяющие интенсивность каждого цвета (например, от 0 до 1). Это соответствует одной из ряда схем цифрового кодирования изображений, называемой RGB-методом кодирования изображений.

1.5.4. 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.

1.6. Информационные модели обучения

1.6.1. Информационная модель человека

Информационная модель человека (рис.1.6) содержит все элементы, реализующие основные функции работы с информацией, а именно: прием, передачу, обработку и хранение информации. Ее рассмотрение позволяет выявить слабые и сильные стороны технических средств получения, обработки и представления информации.





Рис. 1.6. Информационная модель человека


Устройство ввода информации УВв представлено органами чувств, обработка информации происходит в устройстве обработки информации УОИ, ее запоминание - в запоминающем устройстве ЗУ, состоящем из кратковременной КП и долговременной ДП памяти, вывод информации реализует устройство вывода УВыв, а координацию всех информационных процессов осуществляет устройство управления УУ.

Поскольку человек является весьма сложной системой, практически очень трудно четко разделить функции отдельных элементов информационной модели. Однако можно отметить, что обработку информации, ее запоминание и координацию информационных процессов осуществляют мозг и центральная нервная система, они участвуют также в большей или меньшей степени в процессах обмена информацией с окружающей средой.

Органы чувств УВв отличаются физической природой принимаемого сигнала, способом его кодирования и неравноценны в информационном отношении. Большую часть информации человек получает по зрительному (примерно 90%) и слуховому (примерно 9%) каналам, и только 1% принимаемой информации приходится на остальные органы чувств (осязание, обоняние, вкус), поэтому основное внимание при рассмотрении каналов приема информации будет уделено первым двум.

Возможности человека в части вывода информации зависят от того, кому передается информация. При передаче информации другому человеку используются языковые (речь и письмо) и графические (изобразительное искусство, техническая графика и т.п.) средства. Если информация передается техническому устройству, например при управлении, то используются органы управления, представляющие собой обычно тактильные устройства, например клавиатуры.

Память человека хранит все его знания и характеризуется психофизиологическими процессами запоминания, сохранения и воспроизведения информации. Кратковременная память КП характеризуется небольшим временем хранения и объемом хранимой информации. В долговременной памяти ДП информация сохраняется длительное время и предполагает способность человека вспомнить (перенести из долговременной в кратковременную память) хранящуюся там информацию с целью ее использования.

Объем запоминаемой информации зависит от способа кодирования, т.е. канала ее приема (зрение, слух, другие органы чувств). Более эффективным с точки зрения количества запоминаемой информации является зрительный анализатор, позволяющий сохранить до 25%, затем следует слуховой - до 15% воспринимаемой информации. Приведенные данные весьма приблизительны, так как сложные психофизиологические процессы, происходящие в памяти, определяются потребностью и готовностью к приему информации (восприятию) и характеризуются уровнем знаний, установкой, уровнем внимания, эмоциональным состоянием человека.

Однако максимальное количество принимаемой информации воспринимается человеком при одновременном (комбинированном) воздействии на его органы чувств, так в случае одновременного воздействия на зрение и слух воспринимается до 65% переданной информации. На это обратил внимание К. Д. Ушинский: «Педагог, желающий что-нибудь прочно запечатлеть в детской памяти, должен заботиться о том, чтобы как можно больше органов чувств - глаз, ухо, чувства мускульных движений и даже, если это возможно, обоняние и вкус, приняли участие в акте запоминания. Чем больше органов наших чувств принимает участие в восприятии какого-либо впечатления или группы впечатлений, тем прочнее ложатся эти впечатления в нашу механическую нервную память, вернее сохраняются ею и легче потом вспоминаются».

Способность человеческой памяти хранить огромные объемы информации объясняется особой организацией ее хранения, которая не может быть сведена к механическому запоминанию получаемой извне информации. Эта информация, будучи информацией первого (низшего) уровня, служит материалом для формирования в результате сложных мыслительных процессов связей (отношений) между явлениями и предметами, т.е. классификации; формирования образов, понятий, создания структурированной информации второго (высшего) уровня, т.е. знаний. Именно на этом уровне хранится информация в памяти человека, именно этим объясняется ее большой объем и эффективность ее использования при весьма скромных возможностях в части объема памяти и ее быстродействия.

Обработка человеком получаемой информации является функцией мозга и лежит в основе процессов мышления.

Рассмотрим подробнее, что именно представляется в виде данных и результатов их обработки человеком.

Первой функцией УОИ представляется формирование на основе получаемой извне информации знаний, т.е. усвоение некоторой кодирующей системы, позволяющей рационально хранить и эффективно использовать информацию. Вторая функция УОИ относится к использованию знаний, обработке на основе имеющихся знаний получаемой извне информации.

В заключение рассмотрения информационной модели человека приведем ее основные характеристики:

• скорость передачи информации по каналам ввода – вывода - 30 бит/сек;
  

• максимальное количество информации, накапливаемое к 50 годам, - 10 Мбит;
  

• число мысленных сравнений в 1 сек в процессе интеллектуальной деятельности - 18;
  

• число адресов, которые можно одновременно хранить в краткосрочной памяти, - 7;
  

• время доступа к адресуемому фрагменту информации в краткосрочной памяти - 2 сек;
  

• скорость передачи данных из долговременной памяти в кратковременную для последовательности двоичных символов фрагмента - 3 эл./сек;
  
• количество воспринимаемых глазом цветовых оттенков - около 10 миллионов.
  

Характеристики человеческого мозга, особенно в части скорости обработки информации, значительно уступают возможностям современных ЭВМ, но мыслительные процессы основаны на иных принципах, которые мы называем творческими, позволяющих более эффективно, чем ЭВМ, решать задачи творческого характера, несмотря на малое быстродействие и небольшой объем памяти.

1.6.2. Информационная модель процесса обучения

С
ущность интеллектуальной деятельности человека заключается в приобретении и использовании знаний. Знания, умения и навыки формируются в процессе обучения, который может быть представлен в виде информационной модели (рис. 1.7), учитывающей двустороннее информационное взаимодействие учащихся, преподавателя и информационной среды обучения (ИСО) и позволяющей рассмотреть учебно-познавательную деятельность учащихся и обучающую деятельность преподавателя.


Рис. 1.7. Информационная модель обучения


Учебно-организаторская деятельность преподавателя реализуется в информационных потоках ИП₁, а его контролирующая деятельность - в потоках ИП₂. Эти же потоки составляют основу учебно-познавательной деятельности учащихся. Непосредственное информационное взаимодействие преподавателя и учащихся представляет собой исторически первую и наиболее эффективную на сегодня модель процесса обучения.

С появлением письменности и грамотности появились первые представители ИСО - учебники, существенно изменившие характер учебного процесса, а появление и совершенствование различных видов технических средств обучения, формирующих ИСО, все более усиливает их роль в учебном процессе.

ИП₃ обеспечивают передачу информации от ИСО к учащимся и реализуют функции управления процессом обучения, возложенного на ИСО.

ИП₄ осуществляют обратную связь, заключающуюся в автоматизированном или автоматическом контроле знаний учащихся.

С появлением первых элементов ИСО возникла проблема их эффективного применения, т.е. рационального сочетания информационных потоков, связывающих учителя и учеников и ИСО. Естественно, что по мере развития и совершенствования ИСО актуальность этой проблемы только усиливается.

ИП₅ отражают взаимодействие преподавателя с ИСО, обеспечивая выбор преподавателем элементов информационной среды, подбор требуемого дидактического материала (на этапе подготовки урока) и обеспечения функции управления элементами информационной среды (на занятиях).

ИП₆ осуществляет обратную связь в системе «преподаватель - ИСО». По этому каналу преподаватель получает справочную информацию о возможностях ИСО (на этапе подготовки урока) и информацию о ходе и результатах (индивидуальных и обобщенных) обучения.

В процессе обучения используются все указанные на рис. 1.7 информационные потоки или любая их комбинация. Организаторская сторона деятельности преподавателя как раз и заключается в рациональном выборе используемых для решения конкретной учебной задачи информационных потоков и конфигурации ИСО.

ИСО содержит весь арсенал ТСО, включая средства вычислительной техники, и только хорошо знакомый с возможностями и особенностями каждого вида ТСО и их комплексов преподаватель может в полной мере реализовать их возможности.

Функции современной ИСО не ограничиваются хранением информации и организацией ее потоков. По мере развития и совершенствования ИСО, а особенно благодаря появлению в ее составе средств вычислительной техники, ИСО принимает на себя функцию управления процессом обучения, свойственную ранее только учителю. Это управление может осуществляться на основе модели обучения каждого ученика, формируемой ЭВМ и отражающей уровень знаний ученика и психологические особенности его личности.

Весьма интересным представляется вопрос о соотношении информационных потоков информационной модели. Очевидно, что по мере совершенствования и развития ИСО информационные потоки, связывающие ИСО и учеников, будут усиливаться, значительную часть работы по управлению учебным процессом и организации информационных потоков будет выполнять ИСО, освобождая учителя, от рутинной части его работы. В этих условиях существенно изменяется и становится более ответственной роль учителя, который должен принимать решения на более высоком уровне, он будет иметь больше времени для воспитания, управления воспитанием и обучением учеников, для индивидуальной работы с ними.

Информационная модель (рис. 1.7) учитывает самые существенные в обучении информационные связи, однако она не может отразить всего множества информационных воздействий, в различной степени влияющих на формирование комплекса знаний ученика и его личности.

Среди этих информационных воздействий нужно выделить средства массовой информации и информационные связи между учениками.

Средства массовой информации, представленные печатной продукцией (газеты и журналы), телевидением и радио, часто сообщают об интересных фактах и событиях, являясь, таким образом, источником новых знаний; их воспитательную роль также трудно переоценить.

Информационные связи между учениками служат основой организации коллективных форм обучения, развивая у учеников навыки общения и коллективного творчества. Здесь нельзя не отметить важную роль мобильных телефонов, роль которых в обучении пока намного меньше их роли в общественной и личной жизни.

1.6.3. Дидактические возможности информационной среды обучения

Практическая реализация учебного процесса, направленного на единство образования, развития и воспитания учащихся, основывается на общих дидактических принципах, к важнейшим из которых относятся: наглядность, активность и сознательность, научность, проблемность, содержательность, доступность, систематичность и последовательность, прочность процесса обучения.

Методы обучения, будучи способами организации учебно-познавательной деятельности учащихся, основываются на этих принципах, а ИСО, как одна из составляющих учебного процесса, позволяет эффективно реализовать методы обучения.

Рассмотрим требования к ИСО и ее возможности с точки зрения реализации с ее помощью основных дидактических принципов, которые по отношению к ИСО можно условно разделить на две группы.

К одной группе отнесем принципы, имеющие общий характер и учитываемые как при прямом информационном взаимодействии учителя и учеников, так и при организации дидактического материала в условиях использования ИСО (научность, проблемность, содержательность, доступность, систематичность и последовательность, прочность процесса обучения). Другими словами, информационные потоки ИП₁ и ИП₃ должны представлять учащимся научно-обоснованную и достоверную информацию в доступной и удобной для ее использования форме, учебная информация должна включать познавательные вопросы, задачи и проблемы, вызывающие у учащихся потребность в познании, необходимость решения познавательной проблемы. В этой связи необходимо отметить высокую информационную насыщенность ИСО.

Ко второй группе дидактических принципов отнесем принцип наглядности и принцип активности и сознательности обучения, в реализации которых ведущая роль принадлежит ИСО.

Принцип наглядности неразрывно связан с использованием различных компонентов ИСО в различных комбинациях, которые обеспечивают непосредственное наблюдение и изучение явлений, предметов, их взаимосвязи. Использование на уроке средств наглядности облегчает и упрощает процесс обучения, делает его более интересным, помогает учащимся на основе конкретных фактов осмыслить стоящие за ними абстрактные понятия и положения. Универсальность ИСО позволяет использовать ее в различных учебных ситуациях: при передаче учащимся новых знаний, при их закреплении, при выполнении упражнений и решении задач, при контроле знаний учащихся.

Принцип активности и сознательности обучения очень важен и, в конечном счете, определяет успех учебного процесса. Активное соучастие учащихся в учебном процессе служит непременным условием эффективного усвоения учебного материала, побуждает учащихся к самостоятельным объяснениям наблюдаемых на уроке (принцип наглядности!) процессов и явлений. Особенно эффективным в реализации этого принципа является использование в учебном процессе средств ВТ. Работа учащегося с диалоговой учебной программой, как и любой диалог, представляет собой активную форму информационного взаимодействия.

Принцип прочности знаний предполагает всестороннее осмысление учащимися полученных знаний и их усвоение на этой основе. Кроме того, должна осуществляться регулярная и всесторонняя проверка знаний. Применение средств ВТ для контроля знаний учащихся представляется весьма эффективным направлением их использования в школе, поскольку позволяет в большой степени освободить преподавателя от рутинной и трудоемкой работы по контролю знаний, чтобы он имел время для индивидуальной работы с учащимися.

1.6.4. 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.

1.7. Элементная база информационных устройств

Современные информационные устройства строятся на основе различных компонентов. Прежде всего, это электронные компоненты. Они применяются в радиоприемниках и телевизорах, в сотовых телефонах и в компьютерах. Для гуманитариев стоит познакомиться хотя бы с основными электронными компонентами.

1.7.1. Пассивные и активные компоненты

К пассивным компонентам относятся резисторы R, конденсаторы C, катушки индуктивности L, трансформаторы, кварцевые резонаторы и др. Они описаны в электротехнической и радиотехнической литературе. Пассивные компоненты не способны усиливать сигналы, но они могут преобразовывать их. Например, RC- и RL-цепи могут дифференцировать и интегрировать сигналы, отделять их постоянную составляющую от переменной и т.д.

Для построения большинства электронных схем (в том числе логических для ЭВМ, триггеров и т.д.) нужны активные электронные компоненты, способные усиливать электрические сигналы, генерировать и переключать их. К активным компонентам ныне относятся транзисторы и иные многочисленные приборы, а также интегральные схемы.

Многие помнят из школьного курса физики, что первые транзисторы были биполярными. Они представляли собой в разрезе как бы трехслойный пирог в виде структуры p-n-p или n-p-n (p и n это области соответственно с дырочной и электронной проводимостями). Средний слой именовался базой, а крайние были, соответственно, эмиттером и коллектором. Ток базы позволял управлять более сильным током в цепи эмиттер-коллектор.

Биполярные транзисторы и сейчас широко используются в усилительных и импульсных устройствах, в источниках электропитания и в других устройствах. Однако в микросхемах для компьютеров ныне они практически полностью вытеснены полевыми транзисторами.

Конструкция интегрального полевого транзистора представлена на рис. 1.9. В полупроводниковой пластине из чистейшего кремния (Silicon) создаются области истока (Source) и стока (Drain) с повышенной концентрацией донорной примеси. Из стока истекают носители электрического заряда, а в сток они втекают, создавая ток стока. Между ними образуется канал. Поверх его расположен слой тончайшего диэлектрика и на нем «толстый» слой металла или иного проводящего материала – затвор (Gate).


Рис. 1.9. Структура полевого транзистора интегральной схемы (источник Intel)


Нормально носителей в канале нет, и он почти не проводит ток. Точнее, через него течет малый ток утечки. Но если на затвор подать положительное напряжение, то в силу явления электростатической индукции в канале появятся электроны – частицы с отрицательной полярностью заряда. Двигаясь от истока к стоку, они создают ток в цепи сток-исток.

Нетрудно понять, что чем больше напряжение на затворе, тем больше будет ток в цепи сток-исток. Однако существует некоторое пороговое напряжение на затворе, ниже которого канал теряет проводимость, то есть прибор закрывается. Входной ток полевого транзистора ничтожно мал, поскольку затвор отделен от остальной структуры транзистора слоем подзатворного диэлектрика.

Таким образом, полевой транзистор, кстати, как и биполярный, может выполнять как функции регулятора тока и усилительного элемента, так и просто ключа – устройства, пропускающего или не пропускающего ток в зависимости от напряжения на входе (затворе). Входное сопротивление полевого транзистора очень велико, но он имеет междуэлектродные емкости, ограничивающие скорость его переключения.

Канал, кстати, может быть индуцированным (т.е. нормально не проводящим ток, как в приведенном выше случае) или встроенным (нормально проводящим ток). К тому же он может быть как n- так p-типа (сейчас в основном применяются n-канальные полевые транзисторы). Такое разнообразие приборов позволяет использовать их для создания схем с различной полярностью питающего напряжения, активных элементов усилителей или просто резисторов, но с очень малыми размерами.

1.7.2. Терагерцовые полевые и биполярные транзисторы^

К 30-летию создания первого в мире микропроцессора 4004 подлинную сенсацию вызвало создание в корпорации Intel нового переключающего и поистине сверхминиатюрного транзистора, получивший название терагерцового транзистора (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.

На международном форуме разработчиков Intel в Москве (октябрь 2002 года) было сообщено о разработке самого быстродействующего в мире кремниево-германиевого биполярного транзистора SiGe HBTs, структура которого показана на рис. 1.11.


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.

1.7.3. Трехмерные полевые транзисторы^

Вслед за недавно предложенными терагерцовыми транзисторами Intel объявила о создании новых трехмерных (и трехзатворных) полевых транзисторов (рис. 1.12).


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 = I_c/U_з. А это увеличивает скорость переключения прибора.

1.7.4. Логические устройства и схемы

Задолго до появления электронных приборов была разработана алгебра Буля, описывающая работу логических устройств. Буль показал, что любые логические и вычислительные операции можно выполнить, имея всего три типа логических устройств – инвертор NO (НЕ), устройство логического сложения AND (И) и устройство логического умножения OR (ИЛИ). Более того, это возможно при использовании всего двух комбинированных устройств - AND-NO и OR-NO.

Все эти устройства в настоящее время выпускаются в составе БИС и СБИС, так что конкретные электрические схемы их пользователю неизвестны (да и не нужны). Надо учиться воспринимать их как «черные ящики», которые описываются функциональными зависимостями выходных сигналов от входных.

Инвертор просто инвертирует логический сигнал на его единственном входе. Если на входе действует логический 0, то на выходе будет логическая единица, а если на входе будет логическая 1, то на выходе появится логический 0. Соединив два инвертора в кольцо, можно получить двухстабильное устройство – триггер. Попробуйте сделать это мысленно и убедитесь, что оба состояния и впрямь стабильны.

Двухвходовая схема логического сложения работает следующим образом: если сумма входных сигналов отлична от нуля, то на выходе будет сигнал логической единицы, иначе – логического нуля. А двухвходовая схема логического умножения функционирует так – если произведение сигналов на входа отлично от нуля, то на выходе будет логическая 1, иначе – логический 0. Если на выходе этих схем стоит инвертор, то выходные сигналы будут инвертированы.

Удобно описывать работу логических устройств так называемой таблицей истинности:

NO AND AND-NO OR OR-NO

i o i1 i2 o o i1 i2 o o

0 1 0 0 0 1 0 0 0 1

1 0 1 0 1 0 1 0 0 1

0 1 1 0 0 1 0 1

1 1 1 0 1 1 1 0

Она устанавливает связь между логическими значениями сигналов на входах (i – input) логических устройств и сигналом на их выходе (o – output).

Эти схемы составляют основу арифметико-логического устройства (АЛУ) процессоров и микропроцессоров. Будучи выполненными на описанных выше сверхскоростных транзисторах, такие схемы обладают уникально высоким быстродействием.

1.7.5. Интегральные микросхемы

Набор активных и пассивных компонентов образует электронное устройство. Это может быть усилитель электрических сигналов, ключ, логическое устройство, триггер, ячейка памяти и т.д. Соединения между элементами описываются электрической или принципиальной схемой. Однако уже давно смысл слова «схема» изменился – им уже называют реальное устройство.

Вскоре после изобретения транзистора появились миниатюрные интегральные схемы (микросхемы), в которых на одной пластине (подложке или чипе) стали размещаться вначале несколько десятков, а затем сотен, тысяч и даже миллионов транзисторов, вместе с другими сопутствующими компонентами электронных схем, такими, как диоды, резисторы, конденсаторы и т.д.

Основные элементы схем единовременно формируются путем диффузии различных примесей в глубь поверхности полупроводника – чистейшего кремния и операций напыления проводящих слоев. Число слоев в этаком «пироге» может достигать десятков. Групповая технология изготовления различных элементов и высочайшая культура производства позволяют получить высокую надежность интегральных микросхем.

Важным геометрическим параметром БИС является их разрешающая способность. Она означает минимальный геометрический размер элементов микросхемы на ее поверхности. Размеры по глубине могут быть намного меньше. Так, если мы говорим о технологии 0,13 мкм, это означает, что минимальная ширина проводника или какой-либо области транзисторов составляет 0,13 мкм. Это в сотни раз меньше толщины человеческого волоса!

Число операций при изготовлении микропроцессоров фирмы Intel превышает 300. Сама схема имеет микроскопические размеры компонентов и потому и называется микросхемой. Диаметр диска с множеством микросхем доходит до 300 мм (рис. 1.13).


Рис. 1.13. Вид кремниевого диска с будущими микросхемами на нем (одна выделена)


Далее все определяет искусство создания электронных схем. Ныне даже простенький микропроцессор для стиральных машин или холодильников содержит сотни тысяч таких транзисторов, объединенных в некоторую очень сложную схему. Их число в одной БИС достигает уже десятков миллионов. Потому такую интегральную схему называют большой (БИС) или даже сверхбольшой (СБИС).

Полученные микросхемы подвергаются тщательному тестированию и неисправные микросхемы помечаются. Затем диск разрезается, неисправные микросхемы выбрасываются, а исправные помещаются в корпуса самого разного вида (рис. 1.14) и снова тестируются.


Рис. 1.14. Корпуса некоторых СБИС - микропроцессоров


Корпус современных БИС и СБИС - это очень сложное устройство: число выводов у микропроцессоров составляет несколько сотен и корпус должен предусматривать легкий доступ к ним, например припайку соединительных проводов или размещение микросхем в специальных колодках.

1.7.6. Нанотехнологии в микроэлектронике

Интегральная электроника устремлена в будущее. Недаром эмблемой фирмы Intel были и люди в космических скафандрах (на самом деле они нужны были для защиты микросхем от банальной пыли и перхоти) и забавные марсиане, символизирующие «космические» достижения Intel в развитии микроэлектроники. Заметим, что только в 2002 году затраты Intel на проведение научных исследований составили более 4 миллиардов долларов.

Чтобы микропроцессоры с сотнями миллионов транзисторов не превратились попутно в микроволновые печи (а такая перспектива при работе процессоров на частотах в единицы ГГц, увы, есть), Intel ведет исследования в области нанотехнологий (1 нм = 10^-9 м). Уже пал барьер геометрического разрешения в 0,1 мкм. Опытные образцы создаются уже по технологии 90 мкм. А с помощью установок фотолитографии с жесткими ультрафиолетовыми лучами (EUV) удалось получить разрешение менее 50 мкм.

Толщина диэлектрика полевых транзисторов ныне составляет менее 1,2 нм, что достигается созданием самоформирующихся слоев диэлектрика с толщиной в 3-5 атомных слоев! Уже нынешний уровень развития нанотехнологии позволяет создавать пластины и трубки толщиной в атомный слой, так что возможности этого направления почти безграничны.

1.7.7. Микромеханика на кремниевом кристалле^

Из экзотических достижений современной микроэлектроники стоит отметить электромеханику на кристалле кремния (MEMS). Речь идет о создании механических защелок, поворотных зеркал, разнообразных механических резонаторов и прочих электромеханических устройств, реализованных на кристалле кремния методами современной микроэлектронной технологии.

Это сверхминиатюрные механические конструкции на кремнии обладают настолько ничтожным весом, что могут перемещаться, поворачиваться и колебаться с невероятно большими частотами, достигающими многих гигагерц. Тем самым открываются возможности создания принципиально новых устройств функциональной электроники, заменяющих громоздкие катушки индуктивности, кварцевые резонаторы, фильтры и прочие устройства аналоговой техники.

MEMS открывают возможности интеграции СБИС с разнообразным периферийным оборудованием, они могут выполнять функции лазерных проекторов изображений на большой экран, печатающих устройств и т.д. Могут создаваться электромеханические фильтры на основе MEMS, столь необходимые для устройств связи. MEMS могут выполнять функции микрохолодильников, различных датчиков, гироскопов, СВЧ- и оптических коммутаторов и др. устройств.

1.8. Появление и развитие ЭВМ

В наше время основным устройством для получения, хранения, переработки и представления информации, несомненно, стали электронные вычислительные машины (ЭВМ). Мы уже не представляем себе существование цивилизованного общества без электронных вычислительных машин. Выход из строя крупной ЭВМ или сети ЭВМ в промышленно развитых странах по его последствиям можно приравнять к стихийному бедствию. Рассмотрим, как появились ЭВМ и как они развивались.

1.8.1. Что было до появления ЭВМ

Уже наши предки людей умели подсчитывать число членов своей семьи, количество принадлежащих им животных и вещей, отгибая пять пальцев каждой руки. Состояние древних людей росло, стада домашних животных насчитывали уже тысячи голов, и пальцев рук для вычислений стало мало. И тогда человек придумал первое пятеричное вычислительное механическое устройство – абак. Это была полосатая доска с кучками камней на полосках. Дошедшие до нас счеты – тоже разновидность абака. Они появились в конце XVI века и использовали уже десятичную систему исчисления.

В Древнем Риме такие устройства именовались как calculi или abaculi – от слова calculus (в переводе галька, камешек, голыш). Отсюда и появилось слово calculus (вычисления) и calculator (это уже совсем по современному – калькулятор или вычислитель). Первые устройства такого типа на самом деле ничего не вычисляли – они служили просто простой механической памятью.

Долгое время подобные «машины» помогали только складывать и вычитать числа. Но в начале XVII века появились первые логарифмические таблицы, созданные Непером. Затем мир захлестнула волна логарифмических линеек, доживших до наших дней. Увы, точность их изготовления позволяет получать верными только 3 или 4 цифры результатов.

Примерно в 1623 году В. Шиккардом была изготовлена в единственном экземпляре первая механическая счетная машина. Затем французский математик и философ Блез Паскаль в 1642 году изобрел механическую суммирующую машину на шестеренках. А уже в 1674г. Готфрид Лейбниц усовершенствовал ее, сделав возможными умножение, деление и даже извлечение квадратного корня. Он же впервые применил двоичную систему исчисления.

Однако все эти ранние вычислительные устройства не были автоматическими, и ими постоянно управлял человек – пользователь. Первый проект механической машины, управляемой по введенной в нее с перфокарт программе, был создан в 1834 году Чарльзом Бэббиджем. Для привода машины Бэббидж предполагал использовать паровой двигатель.

В своей машине Бэббидж выделял четыре главных блока:

• склад для хранения чисел (по нынешней терминологии память);
  
• мельницу для перемалывания-обработки чисел (по-нашему, это арифметическое устройство);
  
• устройство управления;
  
• устройство ввода-вывода.
  

Замечательно, что все эти устройства по существу входят в любую современную вычислительную машину. Так что Бэббиджа можно считать первым архитектором вычислительных машин – архитектура его машины сохраняет свое значение и поныне. Бэббидж также предвосхитил возможность изменения алгоритма решения задач по мере их выполнения.

Для записи программ Бэббидж заимствовал идею применения перфокарт, которую предложил и реализовал в ткацких станках Жаккар. Такие карты представляли собой лист плотной бумаги с отверстиями. Отсутствие и наличие отверстия в том или ином месте означало запись логического нуля и единицы. Ада Лавлейс (дочь поэта
Д. Байрона) подготовила первые программы для машины Бэббиджа. В них впервые были реализованы циклы – повторяющиеся неоднократно операции. Ее вклад, как первого в истории Человечества программиста, увековечен в названии современного языка программирования Ада.

Создание первых механических вычислительных устройств способствовало развитию теории вычислений и алгоритмов. Здесь огромный вклад внес Джорж Буль (1815-1864 гг.), который предложил математическое описание логических и арифметических операций, ныне известное как алгебра Буля. По существу Буль создал теоретические основы работы современных цифровых машин.

В 1874 Орднер (Россия) разработал механические счетные машинки небольших размеров – арифмометры. В 1931 году в России был организован выпуск арифмометров «Феликс». Лишь недавно они исчезли с прилавков магазинов канцтоваров. А в 1969 году (уже в век электронных вычислительных машин) только в СССР было выпущено 300 000 арифмометров!

В 1888 году Герман Холлерит создал первую электромеханическую машину – табулятор для обработки перфокарт. Она помогла осуществить перепись населения США. Обработку ее результатов осуществили 43 помощника Холлерита в течение всего одного месяца. Это был феноменальный успех – результаты предшествующей переписи обрабатывало свыше 500 человек на протяжении десяти дет!

В 1896 году Холлерит создал фирму Computing Tabulation Company, которая занималась разработкой и выпуском табуляторов. Из нее и родилась ныне знаменитая корпорация IBM (International Business Machine). Вот уже многие годы эта корпорация лидирует в разработке и производстве больших вычислительных машин для различных сфер экономики.

В 1930 году В. Буш создает дифференциальный анализатор, способный решать дифференциальные уравнения. Одна из последних моделей этого устройства, построенная уже в 1942 году (в разгар второй мировой войны), весила 200 тонн.

В 1937 году Алан Тьюринг опубликовал фундаментальную математическую работу с описанием алгоритмов математических вычислений с помощью удивительной по своей простоте гипотетической машины.

Первые двоичные электромеханические машины на основе реле создал в на рубеже тридцатых/сороковых годов ХХ века немецкий инженер Конрад Цузе - это машины Z1 и Z3. Последняя была изготовлена в 1941 году и имела около 2600 реле. Профессор Гарвардского университета Г. Айкен при участии IBM построил в 1944 году еще одну релейную машину ASCC (Mark-1).

Тем временем физик и математик (по национальности венгр) Джон фон Нейман (1903-1957 гг.), житель США, предложил хранить в памяти вычислительных машин как данные для вычислений, так и программы. Это была основополагающая идея, обеспечивающая вычисления под управлением меняющихся в их ходе данных. Что существенно расширило классы алгоритмов вычислений, доступных вычислительным машинам. Он же предложил классическую архитектуру вычислительных машин, состоящую из следующих узлов:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ);
  
• устройство управления (УУ);
  
• запоминающее устройство (ЗУ);
  
• система ввода информации;
  
• система вывода информации.
  

Эта архитектура так и названа – фон-Неймановской архитектурой.

Подобные работы велись и в СССР. Так, в 1957 году была создана первая релейная советская счетная машина РВМ-1, превосходящая Mark-2 по скорости вычислений в 14 раз. К этому времени стало ясно, что век электромеханических вычислительных машин окончился. И стали появляться электронные вычислительные машины.

1.8.2. Факторы, приведшие к созданию ЭВМ

Переход общества от аграрной к индустриальной экономике привел к чудовищному росту объемов вычислительных работ в социальной и научно-технической сферах. Механические и электромеханические устройства имели слишком низкую скорость работы и малую надежность. Сильно досаждал и шум таких устройств.

Между тем в начале ХХ века появились первые электронные лампы, скорость работы которых в тысячи раз превосходила скорость работы реле. Еще в 1913 году русский ученый Бонч-Бруевич первым соединил выход неинвертирующего входной сигнал нелинейного усилителя на двух электронных лампах с его входом. Тем самым он создал электронную систему с положительной обратной связью. Так появился ламповый триггер! Но в то время в роли запоминающего устройства триггер на больших вакуумных лампах еще не был затребован. Лампы были больше по размерам, чем реле, и куда их сложнее.

Тем не менее ламповая радиотехника и радиоэлектроника дали огромный толчок в развитии ЭВМ. Но случилось это далеко не сразу. В годы второй мировой войны лампы и устройства (схемы) на них уже широко применялись для связи и радиолокации. В быт входило радиовещание и телевидение - вначале черно-белое, а затем и цветное. Для радиоприемных устройств мощные и большие электронные лампы были не нужны, а потому появились миниатюрные пальчиковые и даже сверхминиатюрные электронные лампы.

Возникла и бурно развивалась импульсная техника, создающая и обрабатывающая импульсные сигналы, характерные для вычислительных устройств. Стало ясно, что необходимые для построения быстрых вычислительных машин цифровые и логические устройства можно построить на электронных лампах.

Война принесла многим народам неисчислимые беды и страдания. Но она же показала, что войскам воюющих сторон остро нужны высокоточные и высокоскоростные вычислительные устройства. Механические и электромеханические вычислители артиллерийских устройств не успевали следить за быстро пролетающими самолетами и даже за внезапно появляющимися из укрытия танками. А прицельное бомбометание из быстро летящих самолетов было целым искусством. Так же, как и прицельная стрельба из быстро движущихся по неровной местности танков.

В итоге, на поражение единичной цели порой уходили сотни дорогих снарядов. Быстрые и мощные вычислители требовались для систем самонаведения артиллерийских снарядов, ракет и торпед на цель, для учета быстро изменяющейся обстановки на поле боя и планирования огромных по своим масштабам операций снабжения.

По окончании войны стало ясно, что такие устройства нужны и для мирных целей - прогноза погоды, выполнения все усложняющихся научных и экономических расчетов. Развитие атомной энергетики и создание различных видов ядерного оружия потребовали выполнения огромной работы по моделированию ядерных взрывов и работы ядерных реакторов. Не менее сложными оказались расчеты при проектировании аэрокосмических аппаратов, которое началось вскоре после войны (а в некоторых областях и раньше).

1.8.3. Поколения ЭВМ (компьютеров)

Итак, запросы общества в скоростных вычислительных устройствах неизбежно подталкивали их разработчиков к созданию электронных вычислительных машин, первоначально названных сокращенно ЭВМ. За рубежом в ходу появилось более короткое наименование ЭВМ-компьютеры. Ныне оно прижилось и у нас. Английское слово «computer» в буквальном переводе означает «вычислитель». Далее термины «ЭВМ» и «компьютер» мы будем считать равноценными.

Принято рассматривать пять поколений ЭВМ:

1. Ламповые ЭВМ;
   
2. Транзисторные ЭВМ;
   
3. ЭВМ на интегральных схемах низкой и средней степени интеграции;
   
4. ЭВМ на интегральных схемах высокой степени интеграции;
   
5. ЭВМ с логическим программированием.
   

Каждое из поколений имеет свои ярко выраженные особенности и заслуживает обзорного описания.

1.8.4. Ламповые ЭВМ первого поколения

Первые ламповые ЭВМ занимали целые залы, требовали охлаждения и даже кондиционирования воздуха помещений и отличались низкой надежностью. Одна из таких машин - «ЭНИАК» (США) - содержала 18 000 электронных ламп, занимала площадь 170 кв. метров и весила 30 тонн (рис. 1.15). Зато вместо нескольких операций в секунду, что было характерно для механических арифмометров, эта машина могла выполнять до 5000 двоичных операций сложения в секунду и до 300 двоичных операций умножения.


Рис. 1.15. Зал с ЭВМ «ЭНИАК»


Ввод информации в «ЭНИАК» производился с помощью массивных переключателей и коммутационного пульта, наподобие коммутационных пультов на старых АТС. Каждый час выходило из строя в среднем до 60 ламп компьютера, так что половина времени работы машины уходила на ее профилактику и ремонт.

ЭВМ Mark-1 могла уже работать с 23-разрядными десятичными цифрами, затрачивая на их сложение 0,3 секунды, а на умножение - до 4 секунд. В этой машине было 750 000 деталей. Первые массовые серийные ЭВМ UNIVAC появились за рубежом лишь в 1951 году.

В СССР первая малая вычислительная машина МЭСМ была создана под руководством советского академика С. А. Лебедева в 1951 году. А наша большая вычислительная машина БЭСМ (Большая Электронная Счетная Машина), созданная годом позже, была крупнейшей в Европе и самой скоростной (10 000 операций в секунду). В последующем были созданы ЭВМ БЭСМ-2, БЭСМ-3 и БЭСМ-4 (последняя имела скорость счета до 1 миллиона операций в секунду). С 1953 года стали выпускаться первые серийные советские ЭВМ «Стрела», М-2 и «Урал».

1.8.5. Транзисторые ЭВМ второго поколения

С появлением транзисторов они стали перспективной базой для построения ЭВМ второго поколения. Одной из первых транзисторных ЭВМ стала машина RCA-501. К этому поколению принадлежали также IBM-7090 (США), ATLAS (Великобритания), БЭСМ-4/6, М-220, Минск-32 (СССР) и др. Известность получили и советские ЭВМ «Урал-11», «Урал-14» и «Урал-16» (рис. 1.16), созданные в 1964-1971 годах.


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.

1.8.6. ЭВМ третьего поколения на интегральных микросхемах

В 1959 году корпорации Fairchild и Texas Instruments первыми выпустили на рынок интегральные микросхемы – чипы (chips). Благодаря революционным достижениям микроэлектроники габариты третьего поколения ЭВМ уменьшились настолько, что так называемые «малые» ЭВМ (мини-ЭВМ) стали размещаться на письменном столе. Одновременно возрастала их производительность. Она намного обогнала производительность первых послевоенных ламповых «динозавров».

Пожалуй, высшим достижением нашей отечественной компьютерной индустрии тех лет в области создания ЭВМ третьего поколения стала разработка и производство машин серии EC ЭВМ - аналогов серии машин 360 фирмы IBM. Эти мощные для своего времени машины, тем не менее, требовали для своего размещения целые залы и были машинами коллективного пользования (рис. 1.17).


Рис. 1.17. Советская ЭВМ ЕС-1020 третьего поколения


ЭВМ этого поколения стали делать в виде крупных серий программно-совместимых машин. Например, наши машины серии ЕС-ЭВМ выпускались в двух десятках модификаций. При этом они могли использовать одно и то же программное обеспечение.

В СССР появились даже инженерные ЭВМ настольных габаритов, например «Наири». А разработка научной школы академика Глушкова – инженерная ЭВМ «Мир» стала первой машиной с встроенной системой символьной компьютерной математики, способной решать математические задачи не только в численном, но и в символьном (аналитическом) виде.

1.8.7. ЭВМ четвертого и пятого поколений на СБИС

ЭВМ четвертого поколения выполняются на сверхбольших (СБИС) интегральных микросхемах. Это существенно уменьшило габариты, массу и электропотребление даже больших ЭВМ. На десятке - другом микросхем, размещенных на небольшой печатной плате, именуемой системной, или материнской, уже можно было выполнить миниатюрный компьютер, вполне эквивалентный мини-ЭВМ третьего поколения и даже превосходящий их. Такие компьютеры получили название одноплатных микро-ЭВМ.

Из больших ЭВМ этого поколения можно отметить IBM 370, которая пришла на смену знаменитой IBM 360. Эта ЭВМ имела скорость 15 миллионов операций в секунду. Из отечественных машин такого рода наиболее известны ЭВМ «Эльбрус». Универсальные ЭВМ четвертого поколения нередко выполняются в типовых стойках (каркасах) и называются мэйнфремами (от английского слова mainframe – главный каркас).

Наиболее мощные их ЭВМ четвертого поколения принято называть супер-ЭВМ или супер-компьютерами. Для увеличения производительности такие ЭВМ нередко делались многопроцессорными – число процессоров от 2-6 до сотен и тысяч. Наиболее известными такими ЭВМ являются ILLIAC-4 (50 миллионов операций в секунду), GRAY-1 (130 миллионов операций в секунду), GRAY-MP (64 процессора, 50 миллионов в секунду), ASCI White (12,4 миллиарда операций в секунду). В Японии создана пока опытная супер-ЭВМ с 5120 процессорами и скоростью до 30 триллионов операций в секунду.

С появлением ЭВМ четвертого поколения наметилось их развитие по двум разным направлениям. Первое – это уже рассмотренные большие ЭВМ и супер-ЭВМ. Это очень дорогие и редкие ЭВМ, используемые при самых серьезных применениях государственного масштаба – прогноз погоды, моделирование ядерных и термоядерных процессов, крупные исследовательские проекты.

А вот второе направление было ориентировано на создание персональных ЭВМ, ориентированных на индивидуальную работу, но тем не менее обладающих основными показателями (производительность, объем памяти и др.) на уровне, выше показателей ЭВМ предшествующих поколений. Эти ЭВМ, именуемые также персональными компьютерами (ПК), мы рассмотрим детально в главе 3.

Пятое поколение ЭВМ также основано на СБИС. Предполагалось, что эти машины будут основаны на логическом программировании, при котором машина сможет по заданной задаче сама конструировать программу для ее решения. Однако пока явно зримых успехов на этом направлении мало. Так что говорить о пятом поколении как состоявшимся пока, видимо, преждевременно.

Методические указания

Обратите особое внимание на формулировку основных положений, относящихся к информации, сообщениям и сигналам. Приведите дополнительные примеры полезного применения новых информационных технологий. Ответьте на 10 главных вопросов. Подготовьте дополнительные вопросы по материалам этой главы, используя для этого подробное оглавление. Постарайтесь кратко ответить на все эти вопросы.

10 главных вопросов

1. Что такое информация и какова ее роль?
   
2. Как оценивается адекватность информации?
   
3. В каких единицах измеряется объем информации?
   
4. Какие виды чисел вы знаете?
   
5. Какими свойствами обладает синусоидальный сигнал?
   
6. Чем аналоговая информация отличается от цифровой?
   
7. Какие цифровые информационные устройства и системы вы знаете?
   
8. Что такое знания и информационная культура общества?
   
9. Приведите примеры информационных взрывов.
   
10. Расскажите об основных вехах в истории компьютеров.