Введение в вычислительную технику и компьютерные технологии

Министерство образования Российской Федерации Вологодский государственный технический университет

В.М. Водовозов, А.М. Водовозов

ВВЕДЕНИЕ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНУЮ ТЕХНИКУ И КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов направлений 552800 и 644600 «Информатика и вычислительная техника»

Вологда 2001

ББК 32.973 УДК 681.3.016(018) В62 Рецензенты: Доктор техн. наук, профессор Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета Соколовский Г.Г., доктор техн. наук, директор Череповецкого научно-координационного центра РАН Малыгин Л.Л., кафедра прикладной математики Вологодского государственного педагогического университета (заведующий кафедрой доктор физ. мат. наук, проф. Зейфман А.И.)

В62

Водовозов В.М, Водовозов А.М. Введение в вычислительную технику и компьтерные технологии: Учебное пособие.- Вологда: ВоГТУ, 2001. -181 с.

ISBN 5-87851-137-1 Учебное пособие предназначено для студентов направлений 552800 и 644600 «Информатика и вычислительная техника», выбравших компьютер и компьютерные технологии объектом своей профессиональной деятельности. Много информации в нем могут найти и и студенты родственных специальностей и многочисленные пользователи персональных компьютеров, самостоятельно познающие мир компьютерной техники. . ББК 32.973 УДК 681.3.016(018)

 Вологодский государственный технический университет, 2001  Водовозов В.М., Водовозов А.М., 2001 ISBN 5-87851-137-1

2

ВВЕДЕНИЕ На студентов направления «Информатика и вычислительная техника», выбравших компьютер объектом своей профессиональной деятельности, в первую очередь рассчитано это учебное пособие. В его основе лежат базовые понятия информатики, а теоретическая сторона большинства вопросов "погружена" в прикладное окружение. Студенту предоставляется возможность взглянуть на компьютер с удобной ему позиции, часто не формализованной, но понятной и практичной. От понятия информации - к компьютерным системам; от транзисторов – сверхбольшим интегральным схемам; от логических элементов - к массовопараллельным и векторно-конвейерным суперкомпьютерам, от изобретений Шиккарда и Паскаля до достижений компаний IBM, AT&T, Hewlett-Packard, Compaq, Acer, Sony..... Такой путь предлагается студентам, знакомящимся с этим пособием. Из-за ограниченного объема книги авторы не смогли отразить в ней всех теоретических аспектов дисциплины. Но материал сотен монографий, очерков, статей в отечественных и зарубежных журналах и газетах, публикаций в Internet, проспектов и каталогов, рекламных сообщений, посвященных различным аспектам информатики, использованый в нем, должен помочь лучше понять всю совокупность проблем и достижений современной информатики и вычислительной техники.

1. ИНФОРМАТИКА 1.1. Информационные модели Откуда мы пришли? Куда свой держим путь? О. Хайям. «Рубаи» Мы живем одновременно в двух мирах. Первый мир реален, и эта реальность воспринимается всеми нашими органами чувств. В нем есть место светлому и темному, твердому и мягкому, громкому и тихому, душному и ароматному, сладкому и соленому, радостному и грустному… Но, будучи частицей природы и естества, человек погружен еще и в мир информационный. Информация – это сведения об окружающем нас реальном мире, представленные разного рода знаковыми системами. Информация обособляет сообщество людей в отдельную категорию представителей реального мира, выделяя его из животной и растительной среды и объединяя между собой. Знаки моделируют реальные явления и процессы, выражая отношение к ним человека и устанавливая связь между людьми через эти отношения. Знаковая система, представляющая и организующая информацию, регламентирующая нормы и характер взаимодействия знаковых потоков, называется языком.

3

Среди миллионов знаков, которыми обмениваются люди – звуков и жестов, световых и электромагнитных сигналов, - выделяется особая группа. Это символы, способные передавать информацию сквозь время. Символьные изображения характернее, чем любая другая информация, выделяет человека в мире природы, позволяя устанавливать связь между поколениями. Личность приходит и уходит, а оставленные ею символы остаются, чтобы быть прочитанными и понятыми современниками и потомками. Каждый символ представляет организованное множество пространственных точек и линий, формируемых разнообразными инструментами. Чем больше таких изобразительных элементов и богаче их организация, тем шире возможность отразить в символе реальность во всем богатстве ее проявлений. Из-под резца мастера и кисти художника, из студии скульптора и лаборатории фотографа выходят бессмертные образы мира, которому он принадлежит. Изобразительные средства всегда ограничены во времени и пространстве возможностями инструмента, свойствами материала, способностями творца. Чем выше потребность в передаче сведений и больше ограничений на ее реализацию, тем лаконичнее символ и значимее каждая его точка и линия. А значит, между автором и получателем информации возникают новые отношения, связанные с пониманием (расшифровкой, интерпретацией) поступающих символов. И требуется время, в течение которого их надо хранить и преобразовывать. Жить в мире информации - значит участвовать в четырех категориях информационных процессов, связанных с непрерывным восприятием, хранением, переработкой и передачей сведений. Каждый отдельный поток воспринятой, сохраненной, обработанной и переданной информации образует сообщение. Символьные сообщения называют документами. Связь знака и значения, символа и явления раскрывается через образование. Любая образовательная система нацелена на обучение пониманию, созданию и использованию максимально широкой гаммы таких связей. Большая часть образовательной деятельности посвящена языкам и освоению погруженных в них информационных процессов. Собственно лингвистика как наука о языках рассматривает в качестве элементарных информационных единиц не любые, а лишь зарегистрированные в конкретной языковой системе основные (терминальные) и вспомогательные (нетерминальные) символы. Терминальные символы объединяются в алфавиты (азбуки), а символьные последовательности, принадлежащие одному алфавиту, называют цепочками, лексемами или словами данного алфавита. В составе языка присутствует множество цепочек алфавита. Из терминалов и слов строится словарь - структура данных, обеспечивающая доступ к информации по имени. В естественных языках цепочки терминальных символов имеют фонетические эквиваленты. Искусственные языки обычно не несут фонетической окраски. Каждый такой язык создавался как модель некоторого естественного языка, удобная для реализации в определенной технической системе. Эта «модель

4

модели» имеет еще более абстрактную природу и еще более далека от реальных прототипов, чем обычный язык символов. Вероятно, по этой причине искусственный язык было бы еще сложнее понять, если бы не «инженерная» природа его появления. Язык, созданный для техники, интерпретируется самой техникой, и чем выше «интеллектуальный» уровень машины, тем ниже требования к интеллекту ее пользователя. Наиболее совершенные технические средства строятся на базе компьютеров. Компьютерные информационные ресурсы включают в свой состав аппаратное, математическое и технологическое обеспечение для физической, логической и организационной реализации информационных процессов. Информатика – это наука о компьютерном сопровождении информационных процессов. В своей работе компьютеры оперируют данными - специальными наборами символов, моделирующими информацию. Как и любая модель, данные не полностью отражают реальный мир, но сохраняют главное – сведения о тех его явлениях и процессах, которые существенны с позиции решения конкретной проблемы, ради которой создается компьютерная система. 1.2. Немного истории Как в прошедшем грядущее зреет, Так в грядущем прошлое тлеет… А. Ахматова Основы информационной теории и техники были заложены в XIV веке. В. Шиккард из Тюбингенского университета в 1623 г. предложил агрегат, состоявший из суммирующего и множительного устройств. Машина Б. Паскаля, построенная в 1642 г., могла складывать и вычитать; она демонстрировалась в Люксембургском дворце как величайшее достижение человеческой мысли, о ней сочинялись стихи и легенды. А в 1673 г. немецкий математик и философ Г. Лейбниц представил в Парижскую академию вычислитель, выполнявший четыре действия арифметики. Ч. Бэббидж, профессор Кембриджского университета, в 1812-1823 годах построил разностную машину. В ее конструкции впервые был реализован принцип программного управления вычислительным процессом. В 1835 г. Бэббидж создал проект аналитической машины, состоящей из "склада", "мельницы" и "управляющего". Фрагмент такого вычислителя построил сын ученого, а программы для него готовила Ада Лавлейс (Байрон). Наследниками первых проектов вычислительной техники во второй половине XIX в. стали арифмометры, в которых числа определялись положением зубчатых колес. Партию таких приборов изготовил немецкий инженер К. Томас. Механизмы арифмометров были исследованы академиком П.Л. Чебышевым, и им же был изобретен эпициклический механизм с плавным переносом разрядов, впоследствии использованный американской фирмой Merchent в серийных вычислителях и представленный сегодня в Музее истории Санкт-Петербурга. В 1880 г. Г. Холлерит сконструировал электромеханический перфокарточный

5

табулятор, применявшийся при обработке результатов переписи населения в США и в России. Первую компанию по производству клавишных арифмометров открыл в 1885 г. У. Бэрроуз. Известный механик А.Н. Крылов в своих "Лекциях о приближенных вычислениях" привел описание различных механических систем для вычисления интегралов и гармонического анализа. В 1911 г. он построил уникальный аналоговый решатель дифференциальных уравнений, а позднее предложил механический интегратор. В 1919 г. академик Н.Н. Павловский изобрел аналоговую вычислительную машину. В 1936 г. английский математик А. Тьюринг опубликовал доказательство того, что любая последовательность математических и логических действий может быть реализована дискретным автоматом. Он предложил абстрактную схему такого автомата, получившего название "машины Тьюринга" и положившего начало теории автоматов. Этой разработкой была доказана возможность создания универсального цифрового вычислителя. В том же 1936 г. независимо от Тьюринга похожую идею абстрактного автомата опубликовал Э. Пост. Работы по созданию цифровых вычислительных машин были начаты в 1936 - 1938 гг. немецким инженером К. Зюсом, американским физиком Дж.В. Атанасовым и американским математиком К. Шенноном. И уже в 1939 г. их земляком, инженером Дж. Стибницем была создана релейная машина Bell, выполнявшая действия над комплексными числами в двоично-пятеричной системе счисления, а Дж. фон Нейманом - вычислитель Maniac. Тогда же У. Хьюлетт и Д. Паккард основали компанию для производства компонент первых вычислителей. Значителен вклад в развитие вычислительной техники американской фирмы IBM, основанной еще в 1911 г. на базе фирмы Г. Холлерита для производства весов, регистраторов времени и табуляторов. В 1944 г. по проекту Г. Айткена здесь был собран из 150000 деталей и 35000 м провода дискретный вычислитель. Спустя 12 лет этой фирмой был предложен первый алгоритмический язык Фортран, а в настоящее время – это ведущая мировая компания, поставляющая компьютеры, системы связи и программное обеспечение. В 1945 г. В. Буш, руководивший научной деятельностью военных ведомств Америки, привлек внимание общественности к проблеме растущего объема научных исследований. Он указал на то, что научного работника "ошеломляют открытия и заключения, сделанные тысячами других специалистов и появляющиеся с такой скоростью, что их невозможно ни осознать, ни, тем более, запомнить". Речь шла не просто о больших объемах данных, получаемых в ходе исследовательских работ, а о гораздо более серьезной проблеме, касающейся всего процесса использования накопленных человечеством знаний. Это явление получило название информационного взрыва. Ответом на "взрыв" послужили первые компьютеры, или ЭВМ. Первый универсальный «вычислительный интегратор и калькулятор» ENIAC сконструировали Д. Моучли и Дж. Эккерт в 1946 г. в Пенсильванском

6

университете. Собранный из 18000 вакуумных приборов, он имел массу 30 тонн и занимал площадь 150 кв.м. Машина использовалась в проекте атомной бомбы и на Абердинском испытательном полигоне работала до 1955 г. В 1948 г. в Массачусетском университете был построен первый компьютер с памятью. В 1949 г. ламповый компьютер универсального назначения Mark 1 сконструировали ученые Манчестерского университета, в 1950 г. коммерческий вычислитель Mark 1 Star выпустила фирма Ferranty, в 1953 г. появилась IBM 701, а 1959-й год ознаменовался рождением PDP 1 фирмы DEC. Истоком отечественной вычислительной техники считается первая цифровая ЭВМ М20, созданная в 1949 г. На Украине начало развитию вычислительных машин и электронной промышленности было положено в 1950 г. малой электронно-счетной машиной МЭСМ С.А. Лебедева. Выполненная на базе 7500 ламп на площади в 64 кв.м, МЭСМ потребляла 25 кВт электроэнергии, обеспечивая круглосуточную работу большого коллектива ученых с производительностью 100 операций в секунду. В 1952 г. в России была выпущена быстродействующая электронно-счетная машина БЭСМ на 4500 лампах, выполнявшая до 10000 операций в секунду. Самой сложной в те годы считалась двухпроцессорная машина 5Э2Б, а самой быстрой в мире к 1958 г. оказалась все та же М20, развивавшая скорость вычислений 20000 операций в секунду. В 1967 г. БЭСМ 6 достигла 1 млн. операций в секунду, благодаря впервые реализованным в ней идеям параллелизма. Основанная позднее зеленоградская фирма «•••••» продолжила традиции БЭСМ машинами серий Эльбрус 1 (12 млн.) и Эльбрус 2 (100 млн. операций в секунду), Эльбрус 3, Электроника ССБИС, Чегет. Практически одновременно с рождением компьютеров возникла мысль о связи их между собой. В 60-х годах появились первые вычислительные сети, а в 1979 г. Р. Метклаф, изобретатель сети Ethernet, основал первую фирму по производству сетевого оборудования - 3COM. В настоящее время разработкой и созданием информационных систем занимаются крупнейшие мировые компании: в США: American Telephone and Telegraph (AT&T), Apple, Borland, Compaq, Dell, Hewlett Packard (HP), Intel, International Business Machine (IBM), Lotus, Motorola, Microsoft, Novell, Oracle, Pick, Sun, Symantec, в Европе Olivetty (Италия), Siemens Nixdorf Information (SNI)(Германия), в Юго-Восточной Азии Toshiba (Япония), Aser (Тайвань). В число наиболее известных поставщиков информационных систем входят такие фирмы как Bull (США), имеющая пять подразделений на разных континентах, Olivetty (Италия), включающая более 200 компаний в 30 странах. В 70000 отделениях Digital Equipment Corp.(DEC, США) трудятся более 700000 человек, а Pick Systems (США), поставляет более 300000 программных систем трем миллионам пользователей банков, почт, аэропортов. Преобладающее число фирм в этом списке американские. И это не случайно. Хотя свыше половины всех рабочих мест в мире включено в состав компьтерных систем, абсолютное большинство новаций в информатике

7

осуществляется именно в США. В информационной сфере этой страны занято более 60% трудоспособного населения, (в России в 1996 г. эта величина не достигала 40%). С тех пор, как в 1975 г. была создана корпорация Microsoft, имеющая сегодня представительства более чем в 30 странах мира и выпускающая свои программные продукты более чем на 40 языках, свыше 10000 американских организаций и 600000 человек посвятили свою деятельность разработке компьютерных программ. В США сосредоточено примерно 40% мировых вычислительных ресурсов, тогда как на европейский рынок приходится менее 30%, на юго-восточную Азию – 25%, на Россию – менее 1%. Без компьютеров не обходится ни одна сторона деятельности американцев. Они используются на работе и отдыхе, в быту, образовании, спорте. На каждую американскую семью приходится в среднем по одному компьютеру, причем каждая вторая ЭВМ находится дома или в школе, тогда как в Москве в 1998 г. лишь 7% семей имели компьютеры. Более половины всех работающих в США ежедневно используют компьютер, в том числе - 60 - 90% всех "белых воротничков". Один только концерн Microsoft ежегодно вкладывает в науку 2 млрд. долларов, а он составляет лишь 9% от IBM и еще меньшую часть от AT&T. Европейские компании стараются удержать "домашний" рынок. В частности, крупнейший электронный концерн Европы - немецкая компания Siemens - инвестирует ежегодно более 2,5 миллиардов марок в разработку и производство новых устройств памяти. Второй по величине электронный гигант голландский Philips бросает вызов американскому господству в производстве средств вычислительной техники. Но, хотя в Германии, например, на двух служащих в среднем приходится один компьютер и каждый третий человек во Франции пользуется вычислительной техникой, сегодня лишь 12 из 100 лидирующих компаний-производителей вычислительной техники принадлежат европейцам. В аналогичном положении находится Япония. В 1997 г. отставание Японии и Европы от США в области информационных технологий составило около 10 лет. В России в 1998 г. насчитывалось около пяти миллионов персональных компьютеров. Практически не имея собственной микроэлектронной базы – «сердца» информационных технологий, – она отстает от Европы примерно на 15 лет и этот разрыв постоянно увеличивается. В 1997 г. затраты на информационные технологии на душу российского населения были в 70 раз ниже, чем в США, и почти в 35 раз меньше, чем в странах Западной Европы. Если же взять за показатель долю аналогичных расходов от общего валового национального продукта, то в России она составляет 0,5%, в то время как в Европе – 2%, а в США – 4%. В настоящее время ведущие страны мира являются не только мощными индустриальными государствами, но и гигантскими компьютерными державами. Их главными стратегическими национальными ресурсами становятся информация и компьютерные технологии. Объем мирового компьютерного рынка ежегодно возрастает на 16 – 20%, а мирового компьютерного парка – на 80 – 100 миллионов

8

машин, причем 40% приходится на домашний сегмент. Число персональных компьютеров в мире сегодня превышает число телевизоров или автомобилей. К концу века оборот рынка услуг на информационных магистралях достиг трех триллионов долларов. Темпы развития компьютерных технологий сейчас настолько высоки, что мировые затраты на прием, хранение, переработку и передачу информации уже превысили аналогичные расходы на энергетику, а уровень радиоизлучения Земли неуклонно приближается к уровню излучения Солнца. Нарушение работы компьютерных систем, используемых в управлении государственными и банковскими структурами, способно нанести мировой экономике настолько серьезный ущерб, что некоторые эксперты сравнивают его с ущербом от применения ядерного оружия. 1.3. Вычислительные процессы и ресурсы Мы любим все: и жар холодных числ, И дар божественных видений. А. Блок Человек получает информацию через свои органы чувств при непосредственном контакте с природой и техникой, общении с другими людьми, а также из разного рода средств массовой информации - радио, телевидения, печатных источников. Вся деятельность личности осуществляется в глобальной информационной системе, объединяющей средства, методы, персонал в реализации процессов получения, хранения, обработки и передачи информации. Эта система охватывает многочисленные информационные ресурсы - книги в библиотеках, документы в архивах, фондах, банках данных. Ее обычно представляют в виде комплекса информационного, технического, математического, программного, организационного и правового обеспечения. Информационное обеспечение образует систему классификации и кодирования, унифицированную документацию, схемы информационных потоков и методологию организации сведений. Техническое обеспечение охватывает комплекс информационной аппаратуры. В состав математического и программного обеспечения входят математические методы и модели, алгоритмы и программы, реализующие цели и задачи глобальной информационной системы. Через организационное обеспечение осуществляется взаимодействие персонала с техническими средствами и между собой. Совокупность правовых норм, определяющих юридический статус участников информационного обмена, относится к правовому обеспечению. Под управлением и при участии компьютеров проходит значительная часть информационных процессов. Группа наук, объединенная в направление "Информатика и вычислительная техника", рассматривает множество связанных и взаимодействующих информационных ресурсов в контексте компьютерной информационной системы. И объектом ее рассмотрения является не весь окружающий мир, а конкретная предметная область, и не вся информация, а лишь ее компьютерная модель – данные.

9

В центре внимания вычислительной техники лежат компоненты информационных ресурсов, способные к самостоятельному участию в информационных процессах. Каждый такой компонент может быть представлен на трех уровнях: концептуальном, логическом и физическом. Первый уровень базируется на понятиях человека о предметной области и обсуждается на естественном языке общения пользователей между собой и, следовательно, понятен большинству конечных пользователей. Второй уровень - уровень абстракции, использующий языки программирования, математики и логики. Он доступен для формального описания данных в документах, ввода их в компьютерную систему и представления ее выходными устройствами. Третий уровень соответствует реальному представлению данных в аппаратуре, т.е. электрическим сигналам, электромагнитным полям, световым явлениям, сопровождающим информационные процессы. Персонал вычислительной системы представлен обычно тремя категориями пользователей. Эпизодически или регулярно в своем быту и трудовой деятельности применяет информационные средства конечный пользователь. Под ним подразумевается как рядовой пользователь, так и обслуживающий персонал, рассматривающие компьютер как вспомогательный инструмент или развлечение. Пользователь прикладного уровня не только применяет указанные ресурсы, но и усовершенствует, развивает их в рамках своей профессиональной информационной технологии, будь то конструктор, инженер или студент. К этому же уровню относятся и профессионалы-непрограммисты, чья деятельность невозможна или сильно затруднена без компьютера: служащие и ученые, операторы производственных процессов, некоторые категории врачей, экономистов, бизнесменов. Деятельность пользователя высшей категории - системного специалиста - выходит за пределы каких-либо прикладных областей, за исключением информатики. Как правило, он сопровождает информационную систему или является создателем новых информационных ресурсов: системным аналитиком, системным программистом и т.п. Техническое обеспечение, или аппаратура вычислительной системы, охватывает устройства информационно-вычислительной техники и телекоммуникации. Главными компонентами технического обеспечения являются компьютер и подключенные к нему периферийные устройства. Кроме них, для преобразования информации используются оборудование типографий и телецентров, радиостанций и телефонных узлов, спутниковые, навигационные и многие другие системы. Но лишь наличие интерфейса, т.е. комплекса технических и программных средств сопряжения аппаратуры с магистралью компьютера, является обязательным признаком принадлежности компонента к компьютерной системе. В математическое обеспечение входят программы, обрабатываемые ими данные, языки и документация к ним. Каждая программа описывает информационные процессы, на каком - либо языке программирования. Множество

10

программ, обеспечивающих функционирование системы, образует ее программное обеспечение. Во многих случаях стоимость программ на порядок превышает стоимость технических средств, что свидетельствует о важной роли программных продуктов и высокой трудоемкости их производства. Все программное обеспечение условно делится на прикладное и системное. Прикладное программное обеспечение служит прикладным пользователям инженерам и врачам, ученым и студентам, работникам офисов, служащим банков и других учреждений - для выполнения на компьютерах их профессиональных обязанностей и решения своих повседневных и перспективных задач. Своеобразным "лицом" программного обеспечения выступает прикладной программный интерфейс пользователя, через который осуществляется общение пользователя с программами. В прикладном программном обеспечении, доступ к которому открывает интерфейс пользователя, выделяется несколько групп: универсальные программы общего назначения, специализированные программы, системы программирования. В первую группу входят программы для работы с текстовыми документами - текстовые редакторы и текстовые процессоры; программы для работы с числовыми документами - калькуляторы и табличные процессоры; программы для работы с графическими документами - графические системы, игровые программы. Специализированные программы обслуживают ограниченные коллективы пользователей и направлены на решение конкретных профессиональных задач. Это системы автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированные рабочие места (АРМ), моделирующие и диагностические комплексы, имитаторы и тренажеры, средства делопроизводства и экспертные системы, математические пакеты, переводчики и т.п. Системы программирования ориентированы на разработку и усовершенствование универсальных и специализированных программ с использованием языков программирования, таких как Фортран, Паскаль, Си, Java, Visual Basic. Системное программное обеспечение обеспечивает работоспособность прикладных программ, связывая их с аппаратурой вычислительной системы. Оно реализует хранение и обработку данных, а также обмен ими между объектами информационных систем. Основой системного обеспечения является операционная система, представляющая собой единый комплект драйверов и утилит, реализующий централизованное управление компьютером. Драйверы обслуживают адаптеры и контроллеры аппаратного интерфейса, переключают периферийные устройства и контролируют их характеристики, а также приводят в действие всю аппаратуру компьютера. осуществляют межпрограммное Утилиты взаимодействие: шифрование, сжатие, архивацию, защиту информации и обезвреживание программных вирусов. Часть программ можно отнести к промежуточному программному обеспечению, т.к. они сочетают черты системных и прикладных программных продуктов. Этот класс программ выполняет функции, общие для многих приложений. К нему относятся календари, калькуляторы, а также базы данных,

11

занимающие особое место в математическом обеспечении. Они используются всеми названными группами прикладных программ для хранения, систематизации и поиска больших информационных массивов и прочно связаны с системными программами. При наличии достаточного объема данных (назовем его Д), удается измерить количество информации (назовем его И) числом символов в определенном сообщении. Логической единицей данных служит бит, представляющий собой сообщение об одном из двух равновероятных исходах события. Восемь бит образуют один байт. Из 1024 байтов собирается один килобайт (Кбайт), из 1024 Кбайт - мегабайт (Мбайт), из 1024 Мбайт - гигабайт (Гбайт), из 1024 Гбайт терабайт (Тбайт). Главное преимущество битовой, или двоичной, системы, в которой работает компьютер, - это простота обработки данных техническими средствами. Мера информации может быть синтаксической или семантической. Количество информации на синтаксическом уровне определяется как И = Н1 - Н2, где Н1 - начальная мера неопределенности состояния системы, а Н2 - ее конечная мера. Говорят, что количество информации равно количеству снятой энтропии, и по закону К. Шеннона это выражается как Н = -Σ(Р log Р), где Р - это вероятность того, что система находится в определенном состоянии. Степень информативности сообщения определяют отношением И/Д. Для измерения смыслового содержания информации, то есть ее количества на концептуальном уровне, вводится понятие тезауруса Т, представляющего объем сведений, используемый пользователем. Максимум семантической информации достигается при получении пользователем новой понятной ему информации и характеризуется коэффициентом содержательности Т/Д. Таким образом, компьютерные технологии описывают уровень информационной загрузки общества и способствуют его развитию. Благодаря их внедрению практически всегда удается: o ускорить принятие решений за счет более быстрого и менее субъективного сбора информации, оперативного анализа больших объемов сведений и выявления характера их взаимодействия; o поднять эффективность производства за счет оперативного обновления ассортимента продукции; o улучшить качество и увеличить объем связи; o усовершенствовать документооборот.

12

1.4. Компьютерная архитектура Простая архитектура требует тщательных размышлений, большого предварительного опыта, весомой аргументации, отсутствие которых легко приводит к сложности. Н. Вирт. «Языки программирования» Состав компьютерной системы, как и любой системы в природе, обществе, технике, и характер взаимосвязи ее элементов определяет ее структуру, тогда как процессы взаимодействия элементов характеризуются функциями системы. Организация системы, регламентирующая одновременно и ее структуру, и характер взаимодействия аппаратных, математических и технологических ресурсов, называется архитектурой. Архитектура компьютерной системы напоминает информационную модель человека и строится в соответствии с девизом бионики "живые прототипы - ключ к новой технике". Можно предположить, что информация внешнего мира воспринимается органами чувств человека и помещается в кратковременную память для анализа. В другой области памяти долговременной - хранятся образы и смысловые связи между ними, которые используются для объяснения новой информации, поступающей из кратковременной памяти. Большие объемы информации постоянно заносятся в кратковременную память, и мозг человека анализирует и фильтрует их, определяя степень важности и соотношение новых сведений с образами, хранящимися в долговременной памяти. На основании анализа выполняется преобразование информации, запоминаются новые сведения и формируется реакция на поступившую информацию. Соответственно, и компьютерная система содержит три базовых модуля: систему ввода данных, вычислительную и исполнительную системы. Физическими носителями информации в современном компьютере являются миниатюрные электрические проводники или оптические световоды, по которым циркулируют данные в форме дискретных импульсов. "Сердце" компьютера процессор - представляет собой программно-управляемое устройство для обработки данных и управления такой обработкой. Процессор устанавливается на системной (материнской, объединительной) плате. Программное обеспечение размещается в долговременных хранилищах информации - внешних накопителях - ВЗУ и постоянном запоминающем устройстве - ПЗУ (ROM - Read Only Memory), а для переработки переносится в оперативную память компьютера - ОЗУ (RAM - Random Access Memory). Число, однозначно идентифицирующее элементы запоминающего устройства, называется адресом. Обычно оперативная память персонального компьютера имеет размер от 8 до 1024 Мбайт, а на накопители помещается от 0.4 до 32 Гбайт информации.

13

Процессор соединяется с периферийными устройствами системной шиной ввода-вывода, или магистралью. К периферийным относятся устройства вводавывода, в первую очередь - дисплеи, модули расширения памяти, манипуляторы и т.п. Системная шина представляет собой множество линий передачи сигналов кодов данных, адресов, команд и сигналов состояния элементов. Линии группируются по функциональному назначению в шины адреса, данных и управления. Магистраль имеет разъемы расширения (слоты), через которые она соединяется с периферийными устройствами и магистралями других компьютеров посредством адаптеров, выполняющих функции электрического и логического сопряжения. Работой ряда устройств, подключенных к магистрали напрямую или через локальные шины, управляют контроллеры. Они обрабатывают информацию, преобразуя ее к виду, удобному для записи, чтения, передачи. В некоторых конструкциях на одной системной плате сосредоточены все элементы, необходимые для работы, но в большинстве случаев часть аппаратуры вынесена отдельно. Размеры и размещение системной и локальной шин, мощность блока питания и объем аппаратуры во многом определяют тип корпуса системного блока компьютера. По командам процессора производится загрузка данных из ПЗУ или внешних накопителей в оперативную память. Оттуда коды программ передаются устройству управления процессора, а данные - в арифметико-логическое устройство процессора. По командам устройства управления процессор оперативно открывает области памяти для размещения поступающих данных, перерабатывает информацию, выводит ее в периферийную аппаратуру или хранит до поступления запросов на дальнейшую переработку. Большинство современных компьютеров выполнено в архитектурном стиле, предложенном в 1947 г. Дж. фон Нейманом, американским математиком, участником проектов Maniac и Mark 1. Главное в архитектуре Дж. фон Неймана последовательный характер обработки информации и разделение запоминающей среды на оперативную (кратковременную) память и внешние запоминающие устройства. Впервые такая система была применена в 1941 г. в релейном вычислителе Z3, построенном немецким инженером К. Цузе для расчета траекторий движения ракет. Затем в 1943 г. она использовалась в первой программной электромеханической машине А. Бистчли и Т. Флаверса Colossus (Англия) для кодирования и декодирования разведывательных сообщений. Сегодня распространены компьютеры нескольких классов. Наиболее интенсивно архитектура Дж. фон Неймана используется в микрокомпьютерах. Идея создания на их базе персонального компьютера (PC Personal Computer) принадлежит А. Кэю, а первые такие машины появились в 1974 г. Вначале это был Altar 8800 фирмы Mits, затем - Apple одноименной компании С. Возняка и С. Джобса (1976), IBM PC (1981), IBM PC/XT (1983) и IBM PC/AT (1984). В 1987 г. пришли 32-разрядные модели PS/1 фирмы IBM, Macintosh 2 (Apple), Apricot Vx Ft Server фирмы Apricot из Великобритании. Развитие

14

персональных компьютеров было столь бурным, что к 1992 г. мировой доход от их продажи перекрыл доход от продаж остальных машин. К 1993 г. объем реализации таких ЭВМ достиг 40 млн., а общее количество их в мире превысило 200 млн. В производстве персональных компьютеров лидируют сегодня фирмы Dell и Compaq, а также HP, IBM, Apple. На базе микроЭВМ созданы настольные и многочисленные портативные компьютеры. Кроме машин, построенных в соответствии с архитектурой Дж. фон Неймана, существуют другие типы компьютеров. Часто особую архитектуру имеют рабочие станции. Обладая уникальным архитектурным стилем, они обеспечивают наивысшую эффективность при решении задач в конкретной прикладной области: медицине, конструировании, разведке полезных ископаемых, на транспорте и т.п. Другая категория компьютеров - большие ЭВМ (mainframes) - оформляются в виде стоек (шкафов), занимая площади порядка 100 кв. м. Мировой парк их близок к 100000, а цена каждой превышает 1 - 3 млн. долларов. Лучшими в этом классе считаются машины ES/9000 (IBM). А у мини-ЭВМ аппаратура размещается на площадях 20 - 60 кв. м. К ним относятся, в частности, машины серии VAX фирмы DEC, сменившие ранее распространенные PDP 11 и СМ ЭВМ. Что же касается предельно достижимых технических характеристик, то их имеют суперкомпьютеры стоимостью, измеряемой десятками миллионов долларов. В настоящее время развиваются три концепции использования компьютерных систем различных архитектур. Наиболее часто и в профессиональной деятельности, и в быту конечные пользователи применяют универсальные персональные компьютеры с разрозненными программными продуктами - текстовыми и табличными процессорами, базами данных, играми. Более высокий уровень занимают интегрированные системы, состоящие из наборов функционально различных компонент, способных к информационному взаимодействию и часто объединенных единым пользовательским интерфейсом. Данный уровень строится в соответствии с принципом "открытых систем" и дополняется пакетами прикладных программ, интегрированными офисными системами, электронной почтой, сетевыми приложениями, взаимодействующими с аппаратурой общего доступа: принтерами, факсами. Наконец, наиболее сложные задачи решаются специализированными профессиональными системами, поддерживающими АРМ - комплекты технических средств определенной конфигурации, оснащенные программным обеспечением для выполнения конкретного класса работ. Это инженерные сооружения, графические станции, системы автоматизированного проектирования и программирования, настольные издательские системы и управляющие производственные средства.

15

2. ТЕХНОЛОГИЯ Maltium ex parvo, parvum ex multo (Многое из малого, малое из многого). Латинское изречение 2.1. Микроэлектроника В формируемом ежегодно в США перечне «критических технологий», оказывающих наибольшее влияние на военный и экономический статус страны, микроэлектронные технологии традиционно занимают первое место. Создаваемые по микроэлектронным технологиям сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), состоящие из большого числа транзисторов, размещенных на поверхности или в объеме полупроводниковой пластины, и являются физической основой современной компьютерной техники. Критерием оценки сложности микросхемы является степень интеграции. Она определяется коэффициентом K = lg N, где N – число, содержащихся в микросхеме элементов. Значение К округляется до ближайшего большего целого числа. Сверхбольшими считаются микросхемы с K ≥ 4, содержащие более 1000 элементов. Практически все цифровые микросхемы, используемые в настоящее время при создании компьютеров, можно отнести к этой категории. Для описания и анализа СБИС используются два уровня схемотехнического представления. Первый наиболее детальный уровень – электрическая схема. Она определяет электрические соединения элементов. На этом уровне определяется набор элементов, их параметры и связи между ними. Второй уровень – структурная схема. Она определяет функциональное соединение отдельных каскадов, описываемых своими электрическими схемами. Для производства интегральных схем используется планарная технология. Суть её заключается в создании на кристалле полупроводниковых приборов и связей между ними с помощью процесса фотолитографии. Для локального изменения свойств полупроводника поверхность подложки защищается слоем (маской), который в свою очередь покрывается диоксида кремния SiO2 фоточувствительным материалом (фоторезистом). Для нанесения рисунка на маску производится локальное облучение и обработка фоторезиста. При облучении и проявке фоторезист частично разрушается. Затем производится травление (удаление) участков окисла не защищенных фоторезистом. Конфигурация участков поверхности маски, подлежащих удалению, задается фотошаблоном, через который производится экспонирование рисунка на подложку. После удаления остатков фоторезиста пластины подвергаются термической обработке в диффузионных печах. В зоне с установленной температурой (несколько ниже температуры плавления полупроводника) происходит диффузия – внедрение атомов примеси в узлы кристаллической решетки. Диффузия происходит только на тех участках подложки, которые не защищены окислом. В результате такой многократной

16

обработки в кристалле полупроводника формируются электронные (n) и дырочные (р) области, образующие электронно-дырочные переходы. На заключительной стадии на поверхности чипа создается до шести слоев металлических соединений. Электронно-дырочный переход (p-n-переход), обладающий односторонней проводимостью является основным элементом интегральной схемы. На его основе создаются транзисторы различных типов. Основным элементом биполярных микросхем является транзистор типа n-pn. Кроме того, используются диоды на основе p-n-переходов и переходов металлполупроводник (диоды Шотки), полупроводниковые резисторы. Основными элементами микросхем на полевых транзисторах являются nканальные MOS-транзисторы со структурой «metal-oxide-semiconductor». Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных. Но они уступают биполярным по быстродействию. Наиболее перспективными в настоящее время являются микросхемы на комплементарных CMOS-транзисторах с индуцированными каналами n- и p-типа. Для этих микросхем характерна очень маленькая потребляемая мощность. Технология производства СБИС непрерывно развивается в направлении увеличения плотности транзисторов на кристалле, роста числа слоев металлизации, повышения тактовой частоты, уменьшения напряжения питания и снижения мощности, затрачиваемой на переключение одного транзистора. Современный уровень технологии позволяет производить схемы с проектными нормами 0,5…0,18 мкм, шестью слоями металлизации, площадью кристалла около 500 кв. мм и числом транзисторов порядка 40 млн. Тактовая частота работы СБИС уже превышает 1ГГц. Технологический предел уменьшения линейных размеров транзисторов на кристалле составляет около 0,05 мкм. По прогнозам Ассоциации полупроводниковой индустрии (SIA - Semiconductor Industry Association) физические пределы в развитии приборов и устройств схемотехнической микроэлектроники достигнут своих критических значений уже в первом десятилетии двадцать первого века. К этому времени ожидается появление интегральных схем с топологическими нормами порядка 0,1 мкм, выполненных с помощью литографических установок неоптического экспонирования. При этом произойдёт переход на пластины диаметра порядка 50 мм. Проблема межсоединений, характерная для схемотехнической микроэлектроники, ограничит скорость внешнего обмена информацией величиной 3 ГГц, хотя транзисторы будут работать с частотой не менее 10 ГГц. При этом с ростом диаметра обрабатываемых пластин резко возрастут издержки при производстве интегральных схем. В последние годы к стадии использования в производстве подошел целый ряд технологий, позволяющих заметно увеличить скорость работы транзисторов, либо столько же заметно уменьшить размер кристалла без перехода на более тонкий технологический процесс.

17

Первая из них - это замена на последнем этапе алюминия на медь. Медь является лучшим проводником, чем алюминий (удельное сопротивление 0,0175 против 0,028 ом*мм2/м), что, в полном соответствии с законами физики, позволяет уменьшить сечение электрических соединений и увеличить производительности. Одновременно, применение меди вместо алюминия, позволяет добиться снижения себестоимости примерно на 20-30 процентов за счет снижения площади кристалла. Технология CMOS 7S, использующая медные соединения, позволяет создавать кристаллы, содержащие до 150-200 миллионов транзисторов. Фирма IBM начала предлагать клиентам эту технологию в начале 1998 года, в конце этого же года своим заказчикам предложили использовать медь при производстве их чипов TSMC и UMC; AMD начинает выпуск медных процессоров Athlon в начале 2000 года, Intel планирует переход на 0.13 мкм «медный» техпроцесс 2002 году. Новым является использование в качестве материала для подложек соединения - кремния с германием, SiGe. Первый биполярный транзистор, созданный с использованием SiGe, был продемонстрирован в 1987 году. В 1992 году появилась возможность применения при производстве кристаллов с SiGeтранзисторами стандартной технологии CMOS с разрешением 0.25 мкм. Результатом применения становится увеличение скорости чипов в 2-4 раза по сравнению с той, что может быть достигнута путем использования кремния, во столько же снижается и их энергопотребление. SiGe чипы можно производить на тех же линиях, которые используются при производстве чипов на базе обычных кремниевых пластин. Потенциальная скорость транзистора на основе SiGe составляет сегодня 45-50 ГГц, ведутся работы над увеличением этой цифры до 120 ГГц. Кремний на изоляторе (silicon-on-insulator, SOI) – новая технология, позволяющая скорость чипов примерно на 25% и одновременно снизить энергопотребление. В процессе обработки кремниевой пластины - она покрывается тонкой пленкой окисла кремния, а сверху опять наносится тонкий слой кремния. В результате уменьшается емкость участков кремния и увеличивается скорость переключения транзистора. IBM продемонстрировала процессоры PowerPC и чипы SRAM, созданные с использованием этой технологии, в 1999 году и объявила о возможности сочетания SOI и медных соединений на одном кристалле. В качестве диэлектрика при создании кристаллов вместо традиционного диоксида кремния IBM предполагает использовать полиамид, а Motorola перовскиты (титанат стронция). Это, по их прогнозам, позволит в три-четыре раза снизить толщину. В результате появляется возможность заметно увеличить плотность транзисторов на чипе и уменьшить его энергопотребление. Разработчики СБИС активно ищут способы уменьшения площади, занимаемой на кристалле соединениями (сейчас более 60%). С этой целью разрабатываются вертикальные структуры и интегральная схема становится трёхмерной.

18

На пути дальнейшего совершенствования технологий кроме физических ограничений стоят и экономические. Микропроцессор Intel 386, содержащий 250 тыс. транзисторов размером 3 мкм, выпускался на заводе стоимостью около 200 млн. долларов. Современный завод, производящий СБИС с проектными нормами 0,25 мкм стоит порядка 10 млрд. долларов. 2.2.Логические функции Цифровые интегральные схемы оперируют с информацией, представленной в дискретной двоичной форме логическими сигналами 0 и 1. Они выполняют операции алгебры логики или булевой алгебры, названной по имени английского математика Джорджа Буля, обобщившего в середине XIX века опыт человечества в области построения правильных умозаключений. Символы 0 и 1 в алгебре логики не имеют количественного смысла и употребляются для обозначения и исчисления Примерами высказываний могут служить высказываний. силогизмы, встречающиеся, в частности, в одном из сочинений Леонарда Эйлера: o силогизм 1: всякое А есть В. но некоторые С есть А, следовательно, некоторые С суть В; o силогизм 2: всякое А есть В, всякое С есть А, следовательно, всякое С есть В. Таким образом, высказывания приписывают (предицируют) субъекту (предмету) какое-то свойство (предикат) или отрицают его. Исчисление высказываний восходит к трудам Аристотеля, посвященным правилам умозаключений. В эпоху средневековья силогистика Аристотеля была усложнена до уровня весьма изощренной и во многом казуистической науки – схоластики, не имеющей математического описания. Булева алгебра определяется как класс S объектов A, B, C в котором определены две бинарные операции, обозначаемые как логическое сложение и логическое умножение, со свойствами: o S содержит элементы 1 и 0 такие, что А∨0=А, А∨1=1, А⋅1=А, А 0=0; o Для каждого объекта А класс S содержит A (дополнение или инверсия) такое, что A ∨ A = 1, A ⋅ A = 0 ; o Для объектов А ,В и С справедливы основные тождества: Коммутативный (переместительный) закон : A⋅ B = B ⋅ A A∨ B = B ∨ A Ассоциативный A ⋅ ( B ⋅ C ) = ( A ⋅ B) ⋅ C A ∨ ( B ∨ C ) = ( A ∨ B) ∨ C (сочетательный) закон Дистрибутивный A ∨ ( BC ) = ( A ∨ B ) ⋅ ( A ∨ C ) A( B ∨ B) = AB ∨ AC (распределительный) закон. A( A ∨ B ) = A Правило склеивания: A ∨ AB = A Правило повторения A⋅ A = A A∨ A = A

19

Правило двойного отрицания Теорема де Моргана

(A) = A

(A ⋅ B ) = A ∨ B

(A ∨ B ) = A ⋅ B

Все возможные булевы функции двух переменных перечислены в следующей таблице: A 0 0 1 1 Наименование Логическое В 0 1 0 1 функции выражение F0 0 0 0 0 Константа 0 0 F1 0 0 0 1 Конъюнкция А и В A⋅ B F2 0 0 1 0 Запрет В A⋅ B F3 0 0 1 1 Тождественность А A F4 0 1 0 0 Запрет А A⋅ B F5 0 1 0 1 Тождественность В B F6 0 1 1 0 Исключающее ИЛИ A⋅ B ∨ A⋅ B F7 0 1 1 1 Дизъюнкция А и В A∨ B F8 1 0 0 0 Стрелка Пирса A∨ B F9 1 0 0 1 Равнозначность А и В A⋅ B ∨ A⋅ B F10 1 0 1 0 Инверсия В B F11 1 0 1 1 Импликация от В к А A∨ B F12 1 1 0 0 Инверсия А A F13 1 1 0 1 Импликация от А к В A∨ B F14 1 1 1 0 Штрих Шеффера A⋅ B F15 1 1 1 1 Константа 1 1 На основе простейших логических элементов реализуются типовые логические схемы комбинационной и последовательностной логики. Комбинационные схемы не содержат элементов памяти. Их функционирование описывается таблицами истинности или логическими уравнениями, в которых выходные переменные однозначно зависят от входных. Типовыми комбинационными схемами считаются: o Дешифратор (decoder) - схема, преобразующая двоичную информацию в позиционный код, используемый для выбора отдельных блоков в составе устройства; o Шифратор (coder) - устройство, преобразующие отдельные воздействия в двоичные коды; o Мультиплексор (multiplexer)- устройство, осуществляющие коммутацию логических сигналов; o Сумматор (adder) - устройство, выполняющие операции сложения и вычитания;

20

o Арифметико-логическое устройство (arithmetic-logic unit) – схема, выполняющая различные арифметические и логические преобразования над многоразрядными числами. Последовательностные схемы содержат элементы памяти. Их реакция на входные воздействия зависит от состояния ячеек памяти. Типовыми последовательностными схемами являются o Триггер (trigger) - элементарная ячейка памяти со схемами управления, способная записать и сохранить один бит; o Регистр (register) - набор триггеров, соединенных последовательно или параллельно, предназначенный для записи и хранения нескольких бит; o Счетчик (counter) - схема, осуществляющая подсчет двоичных символов. 2.3.Сверхбольшие интегральные схемы Современные СБИС, применяемые при создании компьютерных систем, характеризуются большим числом логических элементов на кристалле и относительно малым числом выводов у корпуса. Поэтому каждая СБИС адекватна логически законченному устройству, состоящему из большого количества типовых логических схем. Различные выполняемые функции и сферы применения обусловили специализацию СБИС. По используемым способам проектирования и подготовки производства их разделяют на две большие группы: заказные и полузаказные микросхемы. Заказные микросхемы характеризуются наилучшими электрическими параметрами, но требуют индивидуального проектирования и разработки комплекта специализированных фотошаблонов. Длительность цикла разработки заказной СБИС от функциональной схемы до готового изделия составляет 20…50 недель. Высокая стоимость разработки заказных микросхем окупается, как правило, только при годовых объемах выпуска более 1 млн. штук. По такой технологии изготавливаются СБИС с аппаратной реализацией алгоритмов обработки данных, такие как микропроцессоры, микроконтроллеры и интерфейсные схемы, обеспечивающие их работу в компьютерных системах. Полузаказные микросхемы имеют более короткий цикл проектирования. Они создаются на основе базовых матричных кристаллов (БМК) и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Базовый матричный кристалл представляет из себя набор элементов, подготовленный к созданию СБИС путем соединения этих элементов в схему. Элементы БМК размещены в ячейках на кристалле. В центральной части базового кристалла обычно размещается массив базовых ячеек (БЯ), а по периферии – периферийные ячейки (ПЯ), из которых могут быть созданы входные и выходные каскады СБИС.

21

Функциональной ячейкой БМК является схема, реализуемая путем соединения элементов базового матричного кристалла в пределах одной или нескольких базовых или периферийных ячеек. Для каждого БМК разработчик создает библиотеку функциональных ячеек, используемых при проектировании схем. Библиотека размещается на базовых ячейках и периферийных ячейках кристалла с помощью металлизированных соединений элементов, выполненных в соответствии с электрическими схемами функциональных ячеек. Для проектирования металлизированных соединений в БМК вводится сетка проектирования, имеющая фиксированный шаг по вертикали и горизонтали. При трассировке соединений используются вертикальные и горизонтальные каналы между колонками базовых ячеек. Проектирование металлизированных соединений осуществляется с помощью специализированной системы автоматизированного проектирования (САПР), также разрабатываемой изготовителем БМК. Используемые при проектировании САПР, как правило, ориентированы на узкий круг выпускаемых изделий. Они включают в себя синтез функциональной электрической схемы на основе базовых функциональных ячеек, логическое моделирование, синтез тестов контроля, разработку топологии межсоединений, расчет электрических параметров и моделирование работы схемы с учетом реальной топологии межсоединений, изготовление фотошаблонов, изготовление и испытания опытных образцов. Изготовление СБИС на основе БМК выполняет его разработчик по заказу пользователя. Программируемые логические интегральные схемы обеспечивают рекорднокороткий проектно-технологический цикл (от нескольких часов до нескольких дней), минимальные затраты на проектирование и гибкость при модернизации схем. В настоящее время на мировом рынке существует несколько основных компаний-производителей ПЛИС: XILINX, ALTERA, LATTICE, AT&T, INTEL, выпускающих многократно программируемые микросхемы с архитектурой CPLD (Complex Programmable Logic Device) и многократно реконфигурируемые – с архитектурой FPGA (Field Programmable Gate Array). В качестве памяти для хранения конфигурации схемы в ПЛИС CPLD используются постоянные программируемые запоминающие устройства с ультрафиолетовым стиранием, а в ПЛИС FPGA – статическое оперативное запоминающее устройство. ПЛИС CPLD как правило содержат несколько матричных логических блоков, объединённых коммутационной матрицей. Каждый матричный логический блок представляет содержит программируемую матрицу “И”, фиксированную матрицу “ИЛИ” и макроячейки с триггерами и буферными элементами. Они имеют высокую степень интеграции (до 10000 эквивалентных вентилей, до 256 макроячеек). Микросхема FPGA представляет собой матрицу логических ячеек, соединенных между собой логическими ключами. Содержащаяся в микросхемах FPGA статическая память, будучи заполненной определенной битовой

22

последовательностью, воздействует на логические ячейки и соединяющие их ключи, позволяя получить требуемые логические схемы, состоящие из соединенных между собой логических элементов, регистров, счетчиков, дешифраторов, мультиплексоров и других типовых комбинационных и последовательностных логических схем. При этом логика реализуется посредством матрицы так называемых LUT - таблиц (Look Up Table), а внутренние соединения посредством разветвлённой иерархии металлических линий, коммутируемых специальными быстродействующими транзисторами. Каждая микросхема FPGA имеет также вход для записи битовой последовательности, заполняющей ячейки памяти, а также буферные элементы для связи с другими микросхемами. Конфигурационная битовая последовательность (bitstream) может быть загружена в прибор непосредственно в системе и перегружена неограниченное число раз. Инициализация ПЛИС производится автоматически (из загрузочного постоянного запоминающего устройства) при подаче напряжения питания или принудительно по специальному сигналу. Процесс инициализации занимает от 20 до 200 мс. При создании схем на основе ПЛИС все этапы проектирования выполняются разработчиком на одном рабочем месте с использованием САПР. Каждая компания – производитель ПЛИС выпускает свои САПР, обеспечивающие реализацию всех этапов проектирования для каждого типа микросхем. Системы автоматизированного проектирования позволяют разработчику, пользуясь стандартными элементами библиотек, создавать логические схемы, выполнять их моделирование и оптимизацию, транслировать разработанные схемы в битовые последовательности. Последние годы характеризуются резким ростом плотности упаковки элементов на кристалле, многие ведущие производители либо начали серийное производство, либо анонсировали ПЛИС с эквивалентной ёмкостью более 1 млн. логических вентилей. Цены на ПЛИС (к сожалению, только лишь в долларовом эквиваленте) неуклонно падают. Стоимость ПЛИС ёмкостью 10 000 – 30 000 логических вентилей сейчас менее 10 $. На основе одной или нескольких микросхем FPGA уже сейчас можно создавать реконфигурируемые микропроцессоры по своим свойствам приближающиеся к заказным СБИС универсальных микропроцессоров. Существует также точка зрения, что со временем ПЛИС могут существенно потеснить заказные микросхемы.

23

3. АП П АРАТНОЕ ОБЕСП ЕЧЕНИЕ 3.1. Аппаратные платформы …Этот мир из мозаик, в котором каждая часть дышит своею жизнью. А. Мицкевич. Письма Центральными звеньями любой компьютерной системы являются микропроцессоры. Работу микропроцессоров и их взаимодействие с другими компонентами системы обеспечивают системные наборы микросхем или чипсеты (Chipset). Системные наборы ориентированы на конкретные микропроцессоры, их конструктивные особенности и технические характеристики и, как правило, выпускаются самими производителями микропроцессоров. На основе чипсетов разрабатываются и изготавливаются материнские (motherboard) или системные платы (systemboard), объединяющие вычислительную систему в единую конструкцию. На материнской плате располагаются основные элементы компьютерной системы: микропроцессоры, блоки памяти, чипсет, различные контроллеры, осуществляющие связь материнской платы с периферийными устройствами и вспомогательные микросхемы. Периферийные устройства подключаются к материнской плате через интерфейсы, определяющими правилами аппаратного и логического взаимодействия различных устройств. 3.1.1. Микропроцессоры

Основные характеристики Микропроцессор – центральный элемент компьютерной системы, на который могут возлагаться самые различные функции. Универсальные микропроцессоры предназначаются для проведения сложных расчетов научнотехнического характера. Основной их чертой является наличие развитых устройств для эффективного выполнения операций с плавающей точкой над 64-разрядными и более длинными данными. Цифровые сигнальные процессоры рассчитаны на обработку в реальном времени цифровых потоков. Они характеризуются сравнительно малой разрядностью и преимущественно целочисленную обработку. Медийные процессоры представляют собой законченные системы для обработки аудио- и видеоинформации. Микроконтроллеры, используемые в системах управления, отличаются разнообразием функций и наибольшей специализацией. Микропроцессоры различаются архитектурой и целым набором технических характеристик: тактовой частотой, производительностью, разрядностью. Тактовая частота определяет скорость работы арифметико-логического устройства. Она находится сегодня в диапазоне 100 - 1500 МГц и ограничена временем, необходимым для срабатывания транзисторных ключей. Переход с

24

кремния на арсенид галлия или использование криогенной техники повышает тактовую частоту на 1,5 - 2 порядка. Многие микропроцессоры работают с умножением тактовой частоты, когда частота сигнала внутри микропроцессора (частота ядра) в 2…8 раз превышает частоту тактового сигнала, подаваемого на него (частота шины). Быстродействие, или производительность, микропроцессора существенно зависит как от решаемой задачи, так и от аппаратного окружения. Для оценки производительности используются самые различные тесты. Наиболее субъективным параметром считается пиковая производительность, теоретически представляющая максимум быстродействия при идеальных условиях. Данный максимум определяется как число вычислительных операций, выполняемых в единицу времени всеми имеющимися в процессоре устройствами. Предельное быстродействие достигается при обработке бесконечной последовательности не связанных между собой и не конфликтующих команд. Пиковая производительность измеряется числом миллионов элементарных операций в секунду (MIPS - Millions Instructions Per Second). При выполнении научно-технических расчетов производительность измеряют, кроме того, скоростью умножения 64-разрядных чисел с плавающей точкой (MFLOPS - Millions Floating points Operations Per Second). Для определения пиковой производительности процессора необходимо умножить тактовую частоту на количество параллельно выполняемых операций. Например, микропроцессор Pentium за каждый такт может сформировать один 64 разрядный результат операции с плавающей точкой или два результата 32разрядных целочисленных операций. Следовательно, для Pentium 90 пиковая производительность равна 90 MFLOPS при выполнении операций с плавающей точкой и 180 MIPS при целочисленной 32-разрядной обработке. Реальная производительность микропроцессора всегда меньше пиковой. Его работа в значительной степени зависит от конкретной выполняемой программы. Поэтому единственным способом сравнения производительности являются различные тесты, представляющие из себя программы, содержащие смесь различных операций. Например, для сравнения производительности своих микропроцессоров фирма Intel использует индекс производительности iCOMP 2.0 (Intel Comparative Microprocessor Performance), основанный на результатах оценки производительности процессора при выполнении целочисленных операций, операций с плавающей запятой и обработки мультимедиа. В свою очередь, оценка производительности операций с мультимедиа складывается из четырех компонентов производительности аудиосистемы, производительности видеосистемы, производительности системы обработки изображений и производительности трехмерной графики. Чем больше значение индекса iCOMP 2.0, чем выше относительная производительность микропроцессора.

25

Таблица 1. Сравнение производительности микропроцессоров Процессор Celeron™ Процессор Pentium II 266 300 300A 333 300 333 350 400 Мгц Мгц Мгц Мгц Мгц Мгц Мгц Мгц Индекс ICOMP 2,0

450 Мгц

213

483

226

296

318

332

366

386

440

Важность создания единых пакетов тестов, базирующихся на реальных прикладных программах самого широкого круга пользователей и обеспечивающих эффективную оценку производительности процессоров, была осознана большинством крупнейших производителей компьютерного оборудования. В 1988 году для они учредили бесприбыльную корпорацию SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation). Основной целью этой организации является разработка и поддержка стандартизованного набора специально подобранных тестовых программ для оценки производительности новейших поколений высокопроизводительных компьютеров. Членом SPEC может стать любая организация, уплатившая вступительный взнос. В настоящее время имеется несколько базовых наборов тестов SPEC, ориентированных на интенсивные расчеты при измерении реальной производительности микропроцессора. Например, тестовый набор CINT 95, включает в себя задачи моделирования, компиляции программ на языке Си, компрессию (сжатие) текстового файла, построение таблиц и манипулирование ими, манипулирование текстовыми строками, обработку видеоизображений и игровые задачи. По результатам испытаний формируются различные индексы производительности, такие как SPECint95 – для операций с фиксированной точкой, SPECfp95 – для операций с плавающей точкой. микропроцессора называется максимальное число Разрядностью одновременно обрабатываемых двоичных разрядов. Операции над двоичными числами производятся обычно 8-, 16-, 32-, 64-разрядными словами. Определяющую роль играет разрядность внутренних регистров, или внутренняя длина слова. В то же время обмен информацией с другими устройствами микропроцессор производит по шине данных, разрядность которой может отличаться от разрядности регистров. От разрядности шины данных микропроцессора, или внешней длины слова, зависит скорость обмена информацией. У современных универсальных микропроцессоров разрядность шины данных либо равна, либо превышает в два раза разрядность регистров. Так, 32-разрядные микропроцессоры семейства Pentium имеют 64разрядную шину данных, а у первого 64-разрядного микропроцессора Merced разрядность шины данных совпадает с разрядностью регистров. Множество адресов ячеек памяти, доступных микропроцессору в процессе работы, задающее адресное пространство микропроцессора, определяется разрядностью шины адреса. В зависимости от назначения микропроцессора адресное пространство составляет от 64 Кбайт до нескольких гигабайт памяти. Микропроцессоры Pentium II и Pentium III, к примеру, имеют 36 разрядную

26

адресную шину и, соответственно, адресное пространство объемом 236 байт = 64 Гбайт. В общем случае, понятие архитектуры микропроцессора включает в себя множество его аппаратных и программных особенностей, таких как систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора и режимы его работы. К дополнительным устройствам относятся средства управления шинами, поддержки виртуальной памяти, защиты памяти, а режим работы микропроцессора может быть однопрограммным и многопрограммным (виртуальным). Немаловажное значение в характеристике микропроцессора играет его конструктивное исполнение, однозначно связанное с типом разъема на материнской плате. Спецификация разъема описывает как сам конструктив, так и назначение контактов, их электрические параметры, определяет порядок взаимодействия с шинами. Как правило, для установки микропроцессоров используются разъемы типа ZIF (Zero Input Force), имеющие нулевое усилие установки. Так, фирма Intel для своих микропроцессоров, начиная с i486 разработала целый ряд разъемов типа Socket 1…. Socket 8, имеющих плоский прямоугольный корпус с различным числом контактов. Они с успехом использовались также для процессоров AMD, Cyrix, IDT. Это решение позволило пользователям модернизировать свои компьютеры просто путем замены микропроцессоров на материнской плате. В дальнейшем фирма Intel перешла к использованию новых конструктивов, не разрешая другим производителям использовать их в своих разработках. В результате появляется целое множество несовместимых между собой конструкций различных производителей: o Slot 1 – разъем, имеющий 242 продольно расположенных контакта для микропроцессоров Pentium II, Pentium III, Celeron; o Slot 2 – разъем для установки микропроцессоров Intel Xeon; o Socket 370 – плоский разъем для микропроцессоров Celeron; o Slot A – разъем для установки микропроцессоров AMD K7. Универсальные микропроцессоры Наибольшее распространение в информационных системах находят микропроцессоры, построенные на базе CISC-архитектуры (Complex Instruction Set Computer). Это процессоры с богатой системой команд американских фирм Intel, Motorola, AT&T, DEC, японских NEC и Hitachi. В 1957 г. Б. Нойс и Г. Мур открыли первую в мире компанию по производству полупроводниковых приборов - Fairchild Semiconductor, a в 1968г. ими была основана Intel - фирма, деятельность которой полностью посвящена изготовлению интегральных микросхем. Здесь в 1971 г. родился микропроцессор i4004. К первому поколению коммерческих микропроцессоров относятся i8086 (1978) и i8088 (1979). Они выполнялись на стандартной системной шине IBM PC/XT (8 разрядов данных, 20 адресных линий), имели тактовую частоту 4,77 МГц

27

и производительность 0,33 MIPS. Микропроцессор i80286 имел 16 разрядов данных, 24 адресных линии. Его максимальная тактовая частота составляла 8 МГц, производительность 1,20 – 2,66 MIPS, а адресное пространство достигало 16 Мбайт. В 1985 г. микропроцессоры i386SX расширили адресное пространство до 64 Гбайт (тактовая частота - 16 МГц, производительность - 6 MIPS, разрядность шины данных и внутренних регистров - 16 бит). Их конвейерный принцип выполнения операций восходил к автомобильному конвейеру Форда: каждая команда процессора разбивалась на основные операции, выполняемые отдельными блоками - ступенями конвейера. В паре с указанными приборами в большинстве систем работали сопроцессоры - микросхемы для выполнения операций над вещественными числами с плавающей точкой. Без сопроцессора обходились i386DX (32 разряда, 33 МГц, 11 MIPS), а также i486DX, работавшие на тактовых частотах 25 МГц (20 MIPS), 50 МГц (41 MIPS) или 66 МГц (54 MIPS) при 32разрядной шине данных. Самым популярным в мире 8-разрядным микропроцессором остался i80C51, самой известной 16-разрядной микросхемой – i80C186. Начиная с 1993 году Intel, проигравшая судебный процесс своему основному конкуренту AMD, дает своим разработкам оригинальные названия. 03/93

Pentium

Частота шины до 66 МГц, частота ядра – до 200 МГц, 1 такт на операцию, разрядность шины данных 64, технология 0,8-0,6-0,35 мкм, до 3,3 млн. транзисторов.

05/95 Pentium Pro

Частота ядра150,166, 200 МГц, 0,5 такта на операцию, 36 разрядный адрес, питание ядра 3,1-3,3 В, технология 0,6 и 0,35 мкм, 5,5 млн. транзисторов.

01/97

Pentium MMX

Тактовая частота ядра 166-233 МГц, 4,5 млн. транзисторов, ориентирован на мультимедийное (Multi Media Extensions) применение.

05/97

Pentium II (Klamath)

Тактовая частота 233,266, 300 мгц, такт/ операцию 0,5, частота шины 66 мгц, расширение MMX, технология 0,35 мкм, транзистор 7,5 млн.

01/98

Pentium II Частота ядра -333,350, 400,450 МГц, такт/ операцию (Deshutes) 0,5, частота шины - 66, 100 МГц, расширение - MMX, технология (мкм) – 0,25, транзистор(млн) - 7,5.

04/98

Celeron

Частота ядра (мгц) –266 -400, такт/ операцию - 0,5, частота шины (мгц) – 66, расширение – MMX, технология (мкм) - 0,25, транзистор(млн) - 7,5.

06/98

Pentim II (Xeon)

Частота ядра (мгц) - 400, 450, частота шины (мгц) – 100, технология (мкм) - 0,25, транзисторов (млн) - 7,5.

28

02/99

Pentium III Частота ядра (мгц) – 450-550, такт/ операцию - 0,2, частота шины (мгц) - 100, 133, технология (мкм) - 0,25, Katmai транзистор(млн) - 9,5. Блок 128 разрядных регистров и соответствующее расширение набора инструкций - SSE (Sircaming SIMD Extensions).

11/99

Pentium III Частота ядра – 500-1000 МГц, частота шины 100 и 133 Coppermine МГц, 2 модуля MMX, поддержка двухпроцессорности, технология 0,18 мкм.

04/00

Celeron II

Частота ядра – 533- 766 МГц, частота шины 66, технология 0,18 мкм.

11/00

Pentium IV

Частота ядра 1,4 и 1,5 МГц, 42 млн. транзисторов, технология 0,18 мкм.

Первый 64-разрядный микропроцессор, имеющий на стадии проектирования рабочее название Merced, разрабатывается фирмой Intel совместно с Hewlett Packard (HP). С архитектурой x86 фирмы Intel совместимы сегодня 80% продаваемых в мире микропроцессоров. В число производителей таких микросхем, кроме Intel, входят AMD (Advanced Micro Device), Chips & Technologies, Cyrix, IBM. 06/96

AMD K5 Krypton-5

Тактовая частота - 75-116 МГц, частота шины 50-66 МГц, технология 0,35 мкм, транзисторов 4,3 млн. Для оценки производительности процессоров AMD используется Р-рейтинг (Performance rating), соответствующий тактовой частоте процессора Pentium обладающего такой же производительностью.

04/97

AMD K6

Частота ядра(мгц) - 166-300, частота шины (мгц) – 66, расширение – MMX.

01/99 AMD K6-II

Частота ядра (мгц) - 266-533, частота шины (мгц) – 66 и 100, расширение – 3Dnow!, транзисторов (млн) - 9,3.

02/99

AMD K6III

Частота (мгц) - 400,450, такт/ операцию - 1/6, частота шины (мгц) - 66-100, технология (мкм) - 0,25, транзисторов (млн) - 21,3.

08/99

AMD Athlon

Частота (мгц) – 500-1000, такт/ операцию - 1/9, частота шины (мгц) – 100x2, расширения – MMX и Enhanced 3Dnow!, технология (мкм) - 0,25, 0,18, транзисторов (млн) – 22.

29

06/00

AMD Duron

Частота ядра 550 - 700 МГц,, частота шины (мгц) – 100x2, расширения – MMX и Enhanced 3Dnow!, технология (мкм) - 0,18.

07/00

AMD Частота ядра 700-1200 МГц,, частота шины (мгц) – Thunderbird 100x2, расширения – MMX и Enhanced 3Dnow!, технология (мкм) - 0,18.

09/00

VIA Cyrix Частота ядра 333, 366, 400, 433 МГц, частота шины 66, III 100, 133 МГц, технология 0,18 мкм.

В настоящее время только в направлении создания универсальных микропроцессоров на рынке присутствуют и активно развиваются несколько самостоятельных архитектур: Архитектура

Фирмы

Семейства

X86

Intel Advanced Micro Device (AMD) Cirix IBM и Motorola Digital Equipment Corporation (DEC) SUN Hewlett Packard (HP) MIPS

Pentium (P5, P6, Р7) K5, K6, K7 M1, M2 Power PC Alpha

Power PC Alpha SPARC PA MIPS

SPARC PA-8000 Rxxxxx

Power PC, Alpha, PA, Rxxxxx относятся к группе RISC-процессоров (Reduced Instruction Set Computer), предложенных Д. Паттерсоном из Калифорнийского университета в начале 80-х годов. Отправной точкой идеи архитектуры RISC послужило осознание того обстоятельства, что в программах обычных компьютеров сложные команды выполняются весьма редко, а 80% всех команд используются в течение 20% машинного времени. Соответственно возникла идея разбить сложные операции на базовые элементарные команды, такие как "запись", "сравнение", "сложение", "ветвление", добившись тем самым роста производительности. В итоге сложились следующие принципы архитектуры RISC: упрощенный и фиксированный состав команд, имеющих одинаковую длину и структуру; выполнение всех или, по крайней мере, большинства операций за один такт; осуществление доступа к памяти только через команды загрузки в центральный процессор и записи в запоминающее устройство. Другим важным отличием RISC-архитектуры является большое количество доступных регистров.

30

Одной из первых компаний, вышедших на рынок RISС-процессоров была Hewlett Packard (HP). Её 32-разрядный PA-8000, выпущенный в 1996 году при тактовой частоте 180 МГц имел производительность 11,8 SPECint 95. HP спроектировала PA-8000 специально для научных и инженерных расчетов, где используются большие объемы обрабатываемых данных. Power PC имеет 32 регистра общего назначения и 32 регистра для чисел с плавающей точкой. Сокращенный набор команд позволил строить эффективные программы. Интенсивное использование больших регистровых стеков уменьшило число обращений к памяти, и все это повысило надежность, экономичность и технологичность компьютеров Power Macintosh, работающих на частотах 233 и 366 МГц на 66 -мегагерцовой системной шине. Микропроцессоры Alpha реализуют концепцию повышения производительности за счет увеличения тактовой частоты при относительно простой логике функционирования (Speed Daemon). Архитектура Alpha была впервые представлена в 1992 году. Благодаря высокой для того времени тактовой частоте (200 МГц) и высокой степени конвейеризации первый микропроцессор Alpha 21064 надолго занял лидирующее положение по производительности. Выпущенный в 1997 году 64-разрядный Alpha 21264 с тактовой частотой 500 МГц имеет рекордный индекс производительности 30 SPECint 95.. Производитель процессоров фирма DEC прилагает большие усилия для продвижения микропроцессоров Alpha в персональные компьютеры, где исторически применяются исключительно микропроцессоры архитектуры x86. Совместимость с системой команд x86 при этом достигается за счет программной трансляции машинных кодов. Семейство микропроцессоров Rxxxxx является лидером по объемам продаж среди RISC-процессоров. Область применения этих процессоров простирается от игровых приставок до высокопроизводительных серверов. 64-разрядный R10000 имеет производительность 10,7 SPECint95. Архитектура SPARC объединяет 32-разрядные микропроцессоры MicroSPARC, SuperSPARC, HiperSPARC и 64-разрядный UltraSPARC. Традиционно микропроцессоры использовались в высоко-производительных рабочих станциях для научных расчетов и серверах. В них заложены большие возможности по обработке графики и видеоизображений и других алгоритмов, ориентированных на целочисленную обработку. Производительность выпущенного в 1998 году UltraSPARC-3 на частоте 450 МГЦ составляет 25 SPECint95. В технике, наряду с однопроцессорными, используются мультипроцессорные и кластерные вычислительные RISC-системы. В частности, современный дорогой автомобиль содержит 20 – 30 связанных между собой микропроцессоров, совокупная вычислительная мощь которых превышает весь компьютерный ресурс системы, доставившей на Луну первых астронавтов. В большинстве мультипроцессорных систем все микропроцессоры объединены единым полем оперативной памяти. При этом число эффективно

31

взаимодействующих процессоров может достигать 10-20 единиц. Под кластером же обычно понимают аппаратную конфигурацию, включающую множество микропроцессоров, объединенных в вычислительную сеть, либо несколько вычислительных платформ, смонтированных в общей стойке со специальными средствами соединения. Каждый процессор в составе кластера имеет собственную память, а информационный обмен осуществляется через разного рода сетевые средства. Количество процессоров в таких системах исчисляется сотнями. Сигнальные микропроцессоры Сигнальные микропроцессоры ориентированы на решение задач математической обработки сигналов в реальном масштабе времени. Отличительной особенностью всех этих задач является поточный (непрерывный) характер обработки и большой объем данных, Всё это требует от микропроцессора высокой производительности и интенсивного обмена информацией с другими устройствами. Результат достигается благодаря специфической архитектуре сигнальных процессоров и проблемноориентированной системе команд. Наиболее распространены в настоящее время сигнальные процессоры фирм Motorola, Intel, Texas Instrument, Analog Device. Медийные микропроцессоры Медийные микропроцессоры на аппаратном уровне обеспечивают поддержку современных мультимедийных технологий. В них вводятся операции с новыми типами данных, характерными для обработки видео- и звуковой информации. На сегодняшний день можно выделить два класса медийных микропроцессоров: o универсальные с мультимедийным расширением системы команд, o специализированные медийные микропроцессоры. К первому классу относятся рассмотренные выше универсальные микропроцессоры, адаптированные к задачам мультимедиа. Первым таким микропроцессором был Pentium MMX фирмы Intel. Сейчас расширения ММХ имеет большинство универсальных микропроцессоров: Pentium II и Pentium III, AMD K6 и AMD K7, Cyrix 6x86MX, UltraSPARC и др. Тр а н с п ь ю т е р ы Важным шагом, связанным с реализацией архитектуры RISC, явилось создание специалистами английской фирмы Inmos транспьютера. В аппаратуре транспьютера используется микропрограммное управление, а набор команд его обеспечивает эффективную работу на языках Паскаль и Си, Лисп и Пролог. По своей вычислительной мощности однокристальный 32-разрядный транспьютер

32

аналогичен i386 с сопроцессором, но транспьютерная технология эффективно реализует модель параллелизма, известную под названием "взаимодействующие последовательные процессы". Вычисление в ней представляет собой несколько одновременно выполняемых последовательных процессов, каждый из которых может обмениваться информацией с другими процессами. При этом в момент выполнения "активных" процессов "пассивные" ожидают ввода данных и не потребляют процессорных ресурсов. Особое внимание уделено организации межпроцессорных коммуникационных узлов для сквозных обменов при взаимодействии между транспьютерами и обеспечению совместимости транспьютеров с различной длиной слова. Транспьютерные сборки производятся сегодня многими компаниями в мире. Не составляют исключения и российские организации, разработавшие оригинальные узлы, содержащие более 100 микропроцессоров фирмы Inmos. В 1965 г. один из руководителей Intel Г. Мур предсказал, что число транзисторов в микропроцессорах будет удваиваться каждые два года. В полном соответствии с "законом Мура" сегодня эффективность и быстродействие вычислительных средств на единицу стоимости и массы растут по экспоненте с периодом удвоения, близким к двум годам. Каждые полтора года производительность процессоров возрастает вдвое, каждые три года удваивается вычислительная мощность компьютеров, сложность микросхем возрастает вчетверо, а цена каждого MIPS непрерывно снижается: если в 1987 г. она равнялась в среднем трем долларам, то в 1993 г. упала до 10 центов. При этом около половины мирового рынка микросхем контролируют сегодня японские компании, около трети приходится на США и примерно 10% принадлежит Западной Европе. В России в 1998 г. производились только микросхемы для часов и игрушек. Такова реальная стоимость информационного прогресса. 3.1.2. Интерфейсы

Основой магистральной организации компьютера является системный интерфейс. Он выполняется обычно в виде стандартных системных шин, таких как Unibus фирмы DEC или Multibus фирмы Intel, получивших широкое распространение в мировой практике. Интерфейс в ранге Unibus, или общая шина, имеет несколько десятков двунаправленных линий, общих для процессора и управляемых им устройств. Передача информации системной шиной инициируется ведущим устройством и подтверждается принимающим - ведомым. Выбор устройств на роль ведущего и ведомого представляет собой динамическую процедуру, управляемую процессором. Общая шина позволяет: o подключать к магистрали большое число устройств; o обрабатывать данные подключенной аппаратуры теми же командами, что и данные в памяти;

33

o работать с модулями различного быстродействия, благодаря асинхронной организации обмена. К недостаткам общей шины относятся: o увеличенное время установления связи из-за необходимости перераспределения ресурсов магистрали между процессором и подключенным устройством; o снижение надежности по мере увеличения длины, т.к. любое замыкание или обрыв вызывает отказ всей системы; o сложность технической реализации интерфейсных модулей, связанная с пересылкой адресов и данных по одним и тем же линиям. Интерфейс в ранге Unibus имеет несколько разновидностей, таких как магистраль Qbus, содержащая 16-разрядную шину данных и 16- или 22-разрядную адресную шину, или микропроцессорный интерфейс (МПИ). Адресная шина магистрали Multibus отделена от шины данных и управляющих линий. Достоинства такого подхода заключаются в большой емкости адресуемой памяти и относительной простоте аппаратной реализации. Его недостатки связаны с невысокой скоростью обмена, который производится при участии буферного регистра процессора, и с ограниченным числом подключаемых внешних устройств. Разновидностями интерфейсов ранга Multibus являются популярный интерфейс IBM PC, интерфейс И41, канал общего пользования (КОП), Microbus и другие. Для интерфейсов всех типов характерны три режима обмена: программный обмен, обмен по прерываниям и обмен в режиме прямого доступа к памяти. В случае программного обмена инициатива обмена принадлежит процессору. Если приемник постоянно готов к обмену, процессор проводит синхронный обмен. Но чаще выполняется асинхронная передача, сопровождаемая подтверждением приемником своей готовности. Убедившись в готовности приемника, процессор производит обмен данных; в противном случае он переходит в режим ожидания. Такой обмен прост в реализации, но отличается потерями времени в циклах ожидания. Прерыванием называется ситуация временного прекращения выполнения программы и передачи управления другому модулю по внешнему сигналу. Устройства, работающие в режиме обмена по прерываниям (таймеры, распределители импульсов, синхронизаторы и т.п.), выставляют требования прерывания в произвольные моменты времени, асинхронно по отношению к действиям процессора. В ответ на требование прерывания выполняется: o идентификация источника прерывания; o запоминание текущего состояния прерванного процесса; o маскирование (запрет) повторных прерываний; o выполнение программы обработки прерывания; o восстановление и продолжение прерванного процесса.

34

Функции программы обработки прерывания зависят от системы уровней и приоритетов прерываний. Режим обмена по прерываниям сокращает непроизводительные потери времени, но требует дополнительных аппаратных ресурсов - контроллеров прерываний. Адреса этих контроллеров именуются векторами прерываний. В IBM PC, например, имеется 256 таких четырехбайтных векторов; из них 16 обслуживают периферийные устройства. Передача данных от процессора к любой периферии и обратно контролируется заданием запроса на прерывание (IRQ) и адреса ввода-вывода. Для внешнего периферийного устройства запрос на прерывание и адрес ввода-вывода приписываются к тому порту, через который оно подключено. Все последовательные (COM) и параллельные (LPT) порты требуют своего запроса, за исключением объединенных портов COM1 и COM3, COM2 и COM4. Скорость работы последовательного порта определяется универсальным асинхронным приемопередатчиком (UART), преобразующим параллельный поток данных в последовательность битов. Как правило, персональные компьютеры поставляются с UART 16550 производительностью 115 Кбит/с. Специальные платы расширения способны увеличить эту скорость до 921 Кбит/с. Параллельные порты классов EPP и ECP передают данные со скоростью от 40 Кбайт/с до 1 Мбайт/с и выше. Прямой доступ к памяти (DMA - Direct Memory Access) сопровождается приостановкой действия процессора и отключением его от магистрали в момент обмена данными между устройствами, имеющими разное быстродействие. В этом случае обменом управляет магистральный контроллер прямого доступа. Через магистраль, являющуюся главной осью архитектуры компьютера, неизбежно проходят все данные, обрабатываемые процессором, поэтому очень важно, чтобы она имела как можно большую пропускную способность. Магистраль может быть 8-, 16-, 32- или 64-разрядной, а ее рабочая частота в ряде случаев отличается от частоты процессора. Так, 16-разрядная шина ISA (Industry Standard Architecture) работает на частоте 8 МГц и имеет пропускную способность от 5 до 16 Мбайт/с. Поскольку современным прикладным программам такой производительности зачастую недостает, предпринимались многочисленные попытки модернизировать ISA за счет новых стандартов на эту шину: EISA (Extended ISA, 32 разряда, 33 МГц, 33 Мбайт/с), MCA (MicroChannel Architecture, 32 разряда, 10 МГц) фирмы IBM, создавались графические и математические ускорители и т.д. В частности, расширенная спецификация шины EISA - EMB (Enhanced Muster Burst) увеличивает скорость обмена информацией с 33 до 133 Мбайт/с за счет организации покадровой передачи данных. Более радикальным средством является использование локальных шин передачи данных, которые получили такое название потому, что они "приближают" периферийные устройства к микропроцессору. Локальная шина работает на внешней частоте процессора, чем и объясняется обеспечиваемая ею высокая скорость обмена при меньшей, чем у системной шины, себестоимости.

35

С 1994 г. широко используются 32-разрядные локальные шины PCI (Peripheral Control Interface) фирмы Intel, рассчитанные на 33 МГц, 120 Мбайт/с. В PCI применяется несколько способов повышения пропускной способности. Благодаря блочной передаче последовательных данных, адрес следующего элемента вычисляется одновременно с чтением информации по текущему адресу. Благодаря мультиплексированию, данные удается передавать по адресным линиям. Наконец, благодаря многочисленным буферам, данные одновременно читаются из памяти и передаются в периферию. Так как PCI отделена от шины процессора, к ней можно подключать контроллеры накопителей, клавиатуры, мыши, контроллеры последовательных портов и системы управления питанием. 32-разрядная локальная шина VL-Bus (Vesa Local Bus) стандарта VESA (Video Electronics Standard Association) обслуживает видеосистемы персональных компьютеров на частотах до 50 МГц при пропускной способности до 132 Мбайт/с, но число подключаемых к ней устройств ограничено двумя-тремя. Локальная шина Compaq QVision использует оригинальную архитектуру Trifles IPC, в которой ОЗУ и кэш-память объединены 132-разрядной магистралью. Графический интерфейс AGP (Accelerated Graphics Port) фирмы Intel обладает вдвое более высокой пропускной способностью (66 МГц), чем интерфейс PCI, так как подключается прямо на шину процессора и в случае необходимости способен использовать часть оперативной памяти в качестве дополнительной видеопамяти. Стандартом на магистраль стала последовательная универсальная шина USB (Universal Serial Bus), предлагающая использование одного общего для всех разъема, заменяющего все остальные порты компьютера. К нему подключаются дисплеи и клавиатуры, мыши и модемы, джойстики и принтеры, сканеры, видеокамеры и прочая периферия. Некоторые USB-устройства можно соединять в цепочку. Отдельные USB-продукты, например, сканеры и цифровые камеры, работают без дополнительных кабелей питания, так как питание к ним подается по кабелю USB. Стандарт USB позволяет подключать и отключать аппаратуру без перезагрузки компьютера. Максимальная общая пропускная способность шины - 12 Мбит/с при числе подключаемых устройств, достигающем пяти. Для большего количества устройств (до 127) используются USB-концентраторы. Первая операционная система, полностью поддерживающая шину USB и содержащая необходимые ей драйверы - это Windows98. Еще более высокую производительность, чем USB, имеет последовательная шина IEEE 1394, разработанная фирмой Apple по проекту FireWire. Она допускает подключение до 127 устройств к одному контроллеру с помощью единого шестижильного кабеля. Пропускная способность разрабатываемых версий интерфейса достигает 800 Мбит/с. Для подключения внешних накопителей используются различные версии интерфейса АТА (AT Attachment), разрабатываемые фирмой IBM как стандарт подключения дисковых накопителей к компьютерам класса АТ (Advanced Technology). Пропускная способность его в настоящее время достигает 66 Мбит/с.

36

Интерфейс SCSI (Small Computer System Interface) предназначен для обеспечения работы нескольких высокоскоростных устройств с большим объемом передаваемых данных. Все SCSI-устройства системы управляются одним специальным SCSI-контроллером. Пропускная способность интерфейса составляет 80-160 Мбит/с. Интерфейс ACPI (Advanced Configuration Power Interface) представляет собой единую систему управления питанием всех компонентов компьютера. 3.1.3. Память

Память активна, в ней есть творческий, преображающий элемент, и с ним связана неточность, неверность воспоминаний. Память совершает отбор: многое она выдвигает на первый план, многое же оставляет в забвении, иногда бессознательно, иногда же сознательно. Н. Бердяев. «Самопознание» Основная память компьютера состоит из оперативного и постоянного (ROM – Read Only Memory) запоминающих устройств и характеризуется адресным пространством, равным 2n, где n - разрядность адресной шины процессора. ОЗУ используют в качестве временной памяти компьютера, обеспечивая с ее помощью чтение и запись программ и данных. Оперативная память может быть представлена регистрами микропроцессора и различными микросхемами оперативной памяти (RAM –Random Access Memory): статическими (SRAM - Static RAM) и динамическими (DRAM - Dynamic RAM). Регистры микропроцессора предназначены для хранения указателей, адресов и промежуточных результатов вычислений. Их очень мало и стоимость их наиболее высока. В быстродействующей статической памяти SRAM каждый бит информации хранится на триггерном элементе, состояние которого остается неизменным до новой записи или до отключения питания. Время доступа к данным незначительно (4…5 нс), но высокая цена ограничивает область применения SRAM кэш-памятью (cache). Эта память появилась одновременно с моделями i386, i486, когда центральный процессор получил возможность обрабатывать большее количество данных, чем то, которое могут выдать элементы ОЗУ, имеющие время доступа более 50 нс. Чтобы сократить время ожидания и используют высокоэффективную кэш-память статического типа. . При этом, когда процессор нуждается в командах или данных, он сначала обращается к кэш-памяти, и только в случае отсутствия "кэш-попадания" продолжает поиск в ОЗУ В современных компьютерах используется конвейерный кэш с блочным доступом (Pipelined Burst Cashe). Расположенная непосредственно на материнской плате кэш-память статического типа объемом до 1 Мбайта относится ко второму или даже к третьему уровню, так

37

как кэш-память первого и второго уровня во многих микропроцессорах встроена непосредственно в кристалл. Кэш-память емкостью от 64 до 256 Кбайт используется также в контроллерах многих накопителей. Весьма эффективна кэш-память с обратной записью, выполняющая обращение к накопителю не сразу по поступлению данных, а позднее - по мере освобождения процессора. В динамической памяти DRAM каждый бит хранится в виде заряда конденсатора, который периодически (через 1 - 2 мс) подзаряжается (регенерируется). Такая регенерация осуществляется постоянно, снижая производительность системы. По сравнению со статическими ОЗУ, DRAM имеют более высокую удельную емкость и меньшую стоимость, меньшее энергопотребление и большее время доступа, измеряемое десятками наносекунд. Основные типы микросхем DRAM: o FRM DRAM (Fast Page Mode DRAM)- память с ускоренным страничным режимом адресации, o EDO DRAM (Extended Data Output DRAM) – память с расширенным выводом данных, o BEDO DRAM (Burst EDO DRAM) – память с внутренним счетчиком адреса,. o SDRAM (Synchronous DRAM) – память с синхронизацией, позволяющая сократить время на передачу данных за счет исключения циклов ожидания, o CDRAM (Cashed DRAM) – комбинированный вариант статической и динамической памяти, o DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) – синхронная память с удвоенной скоростью передачи данных, o RDRAM (Rambus DRAM) – уникальная разработка фирмы Rambus, являющаяся разновидностью синхронной DRAM, обеспечивающая скорость передачи данных до 500 Мбайт/с. Конструктивно память располагается в корпусах с двухрядным расположением выводов (DIP - Dual In-line Package) на специальных панельках, либо в текстолитовых модулях с однорядным штыревым (SIP - Single In-line Package) или ножевым (SIMM - Single In-line Memory Module или DIMM - Dual Inline Memory Module) разъемом с 30, 72 или 168 контактами. Емкость каждого такого модуля сейчас составляет от 1 до 256 Мбайт и имеет устойчивую тенденцию к росту. Рынок микросхем памяти контролируют в основном японские фирмы, а также ряд компаний Юго-Восточной Азии. Не только отечественные заводы, но даже такие крупные предприятия, как Intel, не выдерживают конкуренции с ними. С конца 60-х годов по многим направлениям развиваются ПЗУ (ROM – Read Only Memory). Вначале это были только масочные элементы (MROM - Masked ROM). В 1971 г. фирмой Intel была разработана первая микросхема

38

программируемого ПЗУ (PROM) и репрограммируемого ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (EPROM - Erasable Programmable ROM). Затем появились электрические стираемые репрограммируемые ПЗУ (EEPROM - Electrically EPROM). Программирование PROM осуществляется путем однократного пережигания плавких перемычек с помощью специальных приборов – программаторов. Многократное стирание информации EPROM выполняется с помощью интенсивного ультрафиолетового излучения, а для стирания EEPROM используются электрические сигналы. Емкость микросхем ПЗУ составляет от 2 до 64 Кбайт, а время доступа - от 80 до 5000 нс. Современной разновидностью EEPROM являются микросхемы флэшпамяти (Flash-Memory), использующие особую технологию построения запоминающих ячеек. Первые микросхемы флэш-памяти были предложены фирмой Intel в 1988 году и с тех пор в различных видах выпускаются различными фирмами. Они отличаются по архитектуре, объему памяти и напряжениям питания. В настоящее время существуют три основных типа микросхем флэш-памяти: Микросхемы со структурой Bulk Erase (ВЕ), стираемые целиком и программируемые побайтно. Микросхемы со структурой Boot Block (BB), в которых весь массив ячеек памяти разделен на блоки одинакового размера, стираемые независимо. Один из блоков – привилегированный блок – имеет дополнительные аппаратные средства защиты от стирания и записи. Микросхемы с симметричной архитектурой SA (Symmetrical Architecture), называемые также микросхемами со структурой Flash File, в которых массив ячеек памяти разделен на несколько независимо стираемых блоков одинакового размера. Микросхемы флэш-памяти могут быть переписаны непосредственно в системе без какого-либо дополнительного оборудования, что выгодно отличает их от всех остальных микросхем ПЗУ. Емкость современных микросхем флэш-памяти уже сейчас превышает 1 Мбайт. 3.1.4. Чипсеты

Наборы микросхем, обеспечивающие работу микропроцессора в системе и его взаимодействие с остальными устройствами, непрерывно совершенствуются по мере развития всех компонентов системы. Общей тенденцией является сокращение количества микросхем чипсета и его однозначная ориентация на конструктивные особенности и технические характеристики микропроцессоров. Бесспорными лидерами среди производителей чипсетов являются Intel, AMD, VIA Technologies, .Acer Laboratories, Silicon Integrates System. Современные чипсеты фирмы Intel, ориентированные на создание персональных компьютеров на базе универсальных микропроцессоров семейства х86, состоят всего из двух микросхем, с условными названиями North Bridge (Северный мост) и South Bridge (Южный мост). North Bridge обеспечивает

39

управление оперативной памятью, интерфейсом AGP, интерфейсом PCI и осуществляет взаимодействие с системной шиной микропроцессора. South Bridge осуществляет управление интерфейсами ATA, USB, IEEE1294, ACPI и имеет в своем составе мост ISA-PCI, контроллеры клавиатуры, мыши, накопителя на гибком диске. Чипсет Intel 430TX поддерживает создание материнских плат на основе микропроцессоров Pentium, Pentium MMX, AMD K5, AMD K6, Cyrix 6x86, IDT C6, имеющих конструктивное исполнение Socket 7. Он обеспечивает работу микропроцессоров с частотой системной шины 60, 66, 75 и 83 МГц, с оперативной памятью до 256 Мб и кэшем до 512 Кбайт и установку на плате до 5 слотов (разъемов) интерфейса PCI.. Intel 440FX создан для процессоров Pentium Pro и Pentium II. Он поддерживает двухпроцессорную конфигурацию, оперативную память до 512 Мбайт, частоту системной шины 60 и 66 МГц. Intel 440LX AGPSet – первый чипсет для конструктива Slot1, в котором реализована поддержка, появившихся к моменту его создания, новых технологий и интерфейсов: шину AGP на частоте до 133 МГц, шину USB, память типа SDRAM до 512 Мбайт и др. Intel 450NX поддерживает уже до четырех процессоров, до 8 Гбайт оперативной памяти типа DIMM, до четырех шин PCI и обеспечивает оптимизацию производительности в многопроцессорных системах. Появление новых микропроцессоров обязательно приводит и к появлению соответствующих чипсетов. 3.2. Накопители информации Tantum scimus, quantum memoria tenemus. (Мы столько знаем, сколько помним). Латинское изречение Для длительного хранения информации в компьютере служат различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни раз превосходит емкость оперативной памяти. По отношению к компьютеру накопители могут быть внешними и встраиваемыми (внутренними). Внешние накопители имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Встраиваемые накопители крепятся в специальных монтажных отсеках (drive bays). Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и соответствующего привода. Различают накопители со сменными и несменными носителями. 3.2.1. Сменные накопители

Наиболее распространенными сменными накопителями являются накопители на гибких магнитных дисках - НГМД (FDD - Floppy Disk Drive). Носителем информации в НГМД служит дискета - гибкий пластмассовый диск диаметром 3.5, а иногда - 5.25 дюймов с ферролаковым покрытием. Диск и конверт,

40

в котором он находится, имеют отверстия для привода и контакта с магнитной головкой. Информация на диске располагается вдоль концентрических дорожек. Дорожки с одинаковыми номерами на различных поверхностях образуют цилиндры; доступ к информации в цилиндре осуществляется без перемещения головки. Участок дорожки, хранящий минимальную порцию информации, которая может быть считана с диска или занесена на него, именуется сектором. Секторы имеют уникальные адреса; их обычная емкость составляет 512 байт. Так как число секторов на дорожках различно (на внутренних цилиндрах секторов меньше, чем на внешних), накопитель работает быстрее с данными внешних дорожек. На дискетах высокой плотности (HD - High Density) от 1.2 до 1.44 Мбайт и сверхвысокой плотности (ED - Extremely high Density) от 4 до 21 Мбайт среднее время доступа к информации составляет 200 - 500 мс, скорость чтения и записи - 20 - 40 Кбайт/с. Дискеты ведущих производителей НГМД Sony и 3M оснащаются встроенными механизмами очистки поверхностей и защиты от внешних воздействий. Срок службы лучших из них достигает 2000 лет! Это означает 30 млн. проходов при ежечасном доступе к каждому файлу без ухудшения качества. На смену накопителю FDD в настоящее время приходят новые устройства большей емкости, использующие самые различные физические принципы хранения информации: o Стандартные магнитные, использующие чисто магнитные свойства материала как для позиционирования, так и для записи; o Магнитные с использованием эффекта Бернулли, заключающегося в том, что при высокой скорости вращения диска головка не может лечь на поверхность диска. В очень тонкую щель между поверхностью и головкой засасывается воздух; o Магнитные с лазерным приводом, в которых позиционирование головки осуществляется при помощи луча лазера, а чтение/запись - стандартным магнитным способом; o Магнитооптические, в которых позиционирование происходит при помощи лазерного луча, а запись - при нагревании слоя до температуры изменения свойств магнитного материала (точка Кюри). В остальных случаях магнитооптический диск практически нечувствителен к магнитным полям. По сравнению со стандартным НГДД, современные съемные накопители имеют значительно большие объемы памяти, скорость чтения и время доступа: Скорость Время доступа, Устройство Разработчик чтения, Мб/с мс Zip (Plus) 100Mb >2 29 iOmega Zip 250Mb iOmega MO Dr. 640Mb 3,9 28 Fujitsu Giga MO 1300 Mb 5,9 28 Fujitsu/Sony Mitsubishi Electronics LS-120/ Super Disk >0,6 65-70 America, Compaq

41

Jazz 2,0 Gb

iOmega

20

15,5-17,5

3.2.2. Накопители на жестких магнитных дисках

Накопители на жестких магнитных дисках (HDD – Hard Disk Drive) отличаются прежде всего своей емкостью (от 40 Мбайт до 20 Гбайт), скоростью считывания (0.1 - 20 Мбайт/с), плотностью хранения данных (до 350 Мбайт на квадратный дюйм) и временем доступа, необходимым для нахождения данных на диске (от 9 до 14 мс). Система позиционирования и блок магнитных головок такого накопителя помещены в герметичный корпус, а диски имеют металлическую основу. В состав НЖМД входит обычно 2 - 4 жестких диска. Такой пакет (SLED) имеет 306, 612 или более цилиндров и 17 и более секторов. Установленный в специальном монтажном отсеке, "винчестер", недоступный пользователю и не имеющий непосредственного контакта с магнитными головками, непрерывно вращается со скоростью от 3500 до 7200 оборотов в минуту. Время наработки на отказ (фактор надежности MTBF) продукции фирм Segate, Conner, Maxtor, Quantum, Western Digital, Panasonic составляет 200 - 300 тыс. часов при вероятности сбоя 0.27%. Скорость передачи информации с диска в системную память и время доступа к данным НЖМД существенно зависят от способа подключения его к компьютеру. Распространены интерфейсы IDE (Integrated Drive Electronics) фирм IBM и Western Digital, обеспечивающие время доступа 10 - 20 мс и скорость передачи порядка 150 Кбайт/с, а также Caviar, SCSI (Small Computer System Interface) и ESDI (Enhanced Standard Device Interface). Ведущий производитель IDE - корпорация Western Digital - осуществляет параллельную 8-разрядную цифровую передачу данных между максимум четырьмя устройствами со скоростью 300 - 400 Кбайт/с. Наиболее популярные модели таких интерфейсов выпускает фирмы Fujitsu и NEG, IBM, Maxtor и Seagate. Отличительной особенностью IDE является реализация функций контроллера в самом накопителе при наличии кэш-памяти емкостью 128 - 512 Кбайт. Интерфейс SCSI применяется для подключения винчестеров, стримеров, сменных дисков. Он управляет параллельной пересылкой данных в IBM PC-совместимых компьютерах, в машинах архитектур VAX, Mac, Sparc, позволяя подключать к шине до 16 устройств и передавать информацию на скоростях до 40 Мбайт/с и частоте до 10 МГц. Накопители с интерфейсом SCSI отличаются от IDE повышенной частотой вращения диска (7200 оборотов в минуту против 4500 у IDE) и сокращенным до 8 мс временем доступа, увеличенной до 9 Гбайт емкостью за счет большего числа дисков, наработкой на отказ до миллиона часов. Средняя цена 1 Мбайта жесткого диска в 1988 г. составляла 11 долларов, в 1997 г. - 10 центов, а в 1998 г. - 5 центов. Средняя емкость накопителей в 1997 г. была 2.5 Гбайт, в 1998 г. - 4 Гбайт, а прогноз на 2001 год составляет 20 - 40 Гбайт.

42

3.2.3. Накопители на магнитных лентах

Накопители на магнитных лентах (НМЛ) применяются еще с 50-х годов главным образом для хранения архивов. В персональных компьютерах сегодня используются кассетные НМЛ на базе магнитной ленты шириной 3.8 - 6.35 мм (0.15 - 0.25 дюймов) и емкостью от 40 Мбайт. В других ЭВМ распространены полудюймовые девятидорожечные ленты, работающие в старт-стопном режиме, а также стримеры, функционирующие в потоковом (инерционном) режиме и хранящие до 70 Гбайт на кассете. Различные модели стримеров фирм Quantum, Sony, 3M и HP встраиваются в серверы сетевых систем для хранения больших объемов информации. Скорость передачи информации в них составляет 250 - 500 Кбайт/с, что совпадает с производительностью НЖМД, а в лучших моделях достигает 5 Мбайт/с. Время доступа к информации на таком носителе измеряется иногда минутами, но надежность хранения их чрезвычайно высока. 3.2.4. Оптические компакт диски

Результатом сотрудничества двух гигантов электронной промышленности японской фирмы Sony и голландской Philips - стало появление лазерных оптических компакт-дисков. Информация на компакт-диске представляется участками с неоднородной отражающей способностью, наносимыми лазерным лучом. Такие диски обладают чрезвычайно большой информационной емкостью (160 Мбайт - 10 Гбайт), обычно 640 Мбайт данных. Срок службы компакт-диска значительно больше, чем у НГМД, и в плане надежности они превосходят другие носители информации. В ряде случаев, в отличие от дисков, вращающихся с неизменной угловой скоростью (CAV - Constant Angular Velocity), компакт-диски имеют переменную скорость вращения, но постоянную линейную скорость (CLV Constant Linear Velocity). В остальных случаях чтение внутренних секторов осуществляется при повышенном, а наружных - при пониженном числе оборотов. Среднее время доступа составляет около 80 - 200 мс, достигая 35 - 70 мс у лучших образцов компакт-дисков при скорости передачи данных 150 Кбайт/с (1.4 Мбит/с) на нижней скорости и 1500 – 3200 Кбайт/с на верхней. Дополнительный выигрыш в скорости дает кэш-память емкостью от 32 до 256 Кбайт, в которой запоминается считанная информация, пока лазерный луч продолжает исследовать дорожки диска. По принципу действия такие накопители делятся на несколько категорий. Первая из них использует технологию CD-ROM (Compact Disk ROM). В соответствии с ней, сначала лазерным лучом записывается первый образец (мастердиск), с которого готовится матрица, а затем на заводе-изготовителе прессованием выполняется ее тиражирование. Технология используется для распространения больших объемов информации, предназначенных только для чтения на 4.75дюймовых носителях. Наиболее распространены приводы CD-ROM фирм Panasonic (более 50%), NEC, Mitsumi, Samsung, Sony. Дисководы CD-ROM фирм Philips, Sanyo, Kodak, Toshiba, Sony подключаются через контроллер SCSI

43

Записываемые компакт-диски, называемые CD-R и основанные на технологии однократной записи WORM (Write Only Read Multi) фирм Kodak, Nikon, Sony, обеспечивают одноразовое занесение информации пользователем на 5.25-, 12и 14-дюймовые носители с помощью специального CD-R-привода и чтение дисководами CD-R, CD-ROM CD-WR. Они удобны для архивирования и хранения ряда версий файлов с возможностью последовательной выборки данных, так как гарантируют время хранения до 100 лет. Этот вид компакт-дисков популярен в административных и учебных учреждениях. Есть компакт-диски с возможностью дописывания в мультисессионном режиме (CD-W) и многократной перезаписи (CDRW, CD-RAM). Технология DVD позволяет сегодня производить оптические накопители емкостью 4.7 Гбайт с временем доступа 130 мс, а двусторонняя двухслойная технология DVD-2 – 17 Гбайт, то есть в 27 раз больше, чем у обычных CD-ROM. Осваивается также производство перезаписываемых дисков DVD-RAM и DVD-RW. 3.2.5. Магнитооптические диски

Магнитооптическая (МО) технология, предложенная IBM и Sony, поддерживает многократную перезапись данных. В соответствии с ней, установленный в дисководе лазер для записи нагревает поверхность магнитооптического диска, а электромагнит изменяет его намагниченность. При считывании диск сканируется "холодным" лучом меньшей мощности, а специальные датчики улавливают отраженный от поверхности луч, определяя его поляризацию. Считывание и стирание осуществляется обычно за два прохода. МОдисководы используют сменные диски, которые не боятся магнитных полей и высоких температур. Благодаря тому, что головки чтения-записи в них не касаются диска, обеспечивается высокая устойчивость к вибрациям и ударным нагрузкам, а процессы перезаписи могут повторяться миллионы раз. Формат данных их соответствует международным стандартам на магнитные диски: обычная емкость 5.25-дюймовых дисков составляет 600 Мбайт. Лидер среди изготовителей МОдисководов - фирма Pinnacle Micro - предлагает целый спектр однодисковых систем емкостью от 230 до 1300 Мбайт и многодисковых комплексов емкостью 20, 40, 120, 186 и 1000 Гбайт с гарантированным временем хранения данных 30 лет. Для сверхнадежных систем выпускается дисковый массив Array Optical Disk System с эффективным временем доступа к данным не более 11 мс, скоростью передачи данных до 10 Мбайт/с и распределением записей по разным дискам с необходимой избыточностью. Встроенные средства автоматической диагностики и восстановления данных превращают этот продукт в уникальную систему хранения информации, совместимую с IBM PC, PS/2, Apple Macintosh, SUN, HP, DEC. 3.2.6. Новые технологии

Сегодня происходит интенсивное развитие новых оптических технологий. На базе дисководов с двумя головками – магнитной и оптической - строят флоптические накопители емкостью 21 Мбайт. Стекло и плексиглас вытесняются

44

мемкором - композитным материалом, выполненным на основе стекла с керамическими добавками. Создаются голографические запоминающие устройства, в которых данные хранятся в виде трехмерных лазерных голограмм. Компании Microelectronics and Computer Technology и Bellcore обеспечивают таким образом десятикратное повышение плотности записи по сравнению с обычными оптическими технологиями при скоростях доступа и передачи данных в 10 - 1000 раз более высоких, чем в случае использования магнитных дисков. Фирмы Creo Products (Британская Колумбия) и ICI Imagedata (Великобритания) разрабатывают накопители на оптической ленте с лазерной записью и считыванием данных. При более низкой цене по сравнению с оптическими дисками лента позволяет хранить до 1000 Гбайт информации, хотя и не предоставляет быстрого доступа к ней. Компания Martin Marietta Energy Systems ведет исследования в области технологий оптической записи на молекулярном уровне (SERODS); корпорация Ortex создает опытные образцы оптической памяти на захваченных электронах (ETOM), а фирма Radiant Technologies осваивает элементы памяти на красных ферроэлектриках. В памяти на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) каждый бит данных представляется миниатюрным кольцевым электромагнитом, способным перемещаться в плоской стационарной среде. Отсутствие механических подвижных частей позволяет создать высоконадежные энергонезависимые устройства ЦМДпамяти емкостью порядка одного мегабита с временем доступа около 30 мс. Объединяясь друг с другом, такие приборы образуют своеобразные сдвиговые регистры-накопители. Электромагнитную технологию представляет также флэш-память на магнитных картах, отлично вписывающихся в портативные компьютеры. Небольшие размеры, высокая скорость обмена и надежность являются ее главным преимуществом. Флэш-память на полупроводниковых носителях имеет емкость 8 16 Мбайт на один кристалл и быстродействие, измеряемое десятыми долями микросекунды. В целом, ежегодно общий объем памяти всех ЭВМ в мире увеличивается почти в четыре раза, а стоимость одного бита снижается на 40%. При этом только емкость накопителей на жестких дисках удваивается в среднем каждые полтора года, а время доступа к данным и скорость их передачи улучшаются на 10%, что приводит к стремительному росту производительности вычислительных средств.

45

3.3. Периферийные устройства 3.3.1. Устройства ввода информации

Нехитрая истина состоит в том, чтобы делать так называемые чудеса своими руками. А. Грин. «Алые паруса» К л а в и а т ур а Клавиатура - состоит из матрицы клавиш и электронного блока для формирования кодов. Наибольшее распространение получили емкостные и контактные клавиатуры. Первые, основанные на изменении емкости конденсаторов, отличаются простотой и надежностью, выдерживая 100 и более миллионов нажатий. Вторые более удобны, хотя зачастую и не столь надежны. Как правило, клавиши группируются в буквенно-цифровые, служебные, функциональные поля, поле клавиш-стрелок и поле малой двухрежимной буквенноцифровой клавиатуры. Стандартом де-факто клавиатур являются предложенные фирмой IBM 101- и 122-клавишные клавиатуры. Многие клавиатуры имеют специальные клавиши, например, для открытия главного и контекстного меню Windows. Клавиатура Microsoft Nature Keyboard состоит из нескольких блоков, раздвинутых под естественным углом кистей рук, и имеет опору для ладоней. В буквенно-цифровом поле любой клавиатуры расположены клавиши с буквами латинского и национального алфавитов, цифрами, знаками, а также специальными символами: ' (апостроф), $ (знак доллара), ` (обратное ударение), ^ (стрелка вверх), " (кавычки), | (вертикальная черта), & (амперсант), _ (подчеркивание), # (номер), @ (коммерческое "эт"), ~ (тильда), SP (пробел). За основу кодирования клавиатур принят код информационного обмена ASCII (American Standard Code for Information Interchange), предложенный Б. Бемером в 1963 г. Наряду с основной кодировкой ASCII, получили распространение американская кодовая страница 437, дополняющая ASCII греческими, псевдографическими и математическими символами; "основная" (main) кодировка с символами кириллицы, закрепленная стандартами России; альтернативная IBM кодировка кириллицы, предложенная А.А. Чижовым. Фирмой зарегистрирована кодовая страница для Восточной Европы, в которую введены буквы украинского и белорусского языков. Есть также европейская кодировка и кодировка Unicode, содержащая 65536 символов практически всех языков мира. В служебном поле клавиатуры обычно располагаются клавиши: o <Escape>, <Esc> - отмена действия, выход; o , - возврат курсора на одну позицию; o - табуляция; o <Enter> - ввод; o , - дополнительная клавиша;

46

- дополнительная клавиша; <Shift> - смена регистра без фиксации; - смена регистра с фиксацией; , - копия экрана; - переключение малой клавиатуры; <ScrollLock> - блокировка прокрутки; - прерывание; <Pause> - пауза; <←>, <↑>, <→>, <↓> - клавиши-стрелки перемещения курсора на шаг; - перемещение в начало строки; <End> - перемещение в конец строки; <PageUp> - назад на одну страницу; <PageDown> - вперед на одну страницу; - переключение "замена-вставка"; , - удаление символа. Существует несколько вариантов интерфейсов клавиатур, обеспечивающих их связь с компьютером: стандартный (разъем DIN), интерфейс PS2, инфракрасный (IrDA), интерфейс USB. Интерфейс USB считается самым современным и перспективным. Беспроводной вариант интерфейса (IrDA – Infrared Data Association) использует для передачи сигналов инфракрасное излучение. o o o o o o o o o o o o o o o

М а н и п ул я т о р Наряду с клавиатурой для ввода информации используются координатноуказательные приборы, или манипуляторы. Они повышают удобство работы пользователя с программными продуктами, требующими быстрого перемещения курсора по экрану дисплея, выбора пунктов меню, выделения фрагментов экрана. К таким приборам относятся мышь, трекбол, джойстик, "световое перо" и другие устройства. Первую мышь создали в 1963 г. на фирме Xerox Дж. Хали и Д. Энджеблат. Она была выполнена из дерева и оснащена колесами для передвижения. С 1982 г. начался серийный выпуск манипуляторов PC Mouse Genius фирмой IBM, MS Mouse компанией Microsoft, Logitech одноименной швейцарской фирмой, поставляющей свои приборы компаниям Olivetty, Apple, Wang. Основным механическим узлом мыши является шар, который при перемещении по столу приводит во вращение оси дешифраторов в механических конструкциях или шторки фотоэлементов в электромеханических системах. Существуют оптические мыши, требующие специального планшета с нанесенной на его поверхность сеткой из разноцветных линий - они не имеют шара и подвижных узлов. Распространены два типа интерфейсов для работы с мышью: встроенные (Apple) и автономные (IBM), подключаемые через последовательный порт или специальный адаптер. Компанией Logitech предложена беспроводная мышь Mouseman, осуществляющая

47

связь с компьютером на радиочастотах в одном из четырех переключаемых диапазонов. Мыши бывают двух- и трехкнопочные. Двух кнопок достаточно для большинства видов программ. Трехкнопочные изделия, как правило, применяются только для работы со специализированным программным обеспечением. Специальные мыши для работы в сети Internet имеют дополнительную кнопку или колесико для прокрутки страницы. Манипулятор трекбол, называемый также шаром или колобком, похож на перевернутую мышь механического типа. Он более точен, т.к. шар его больше, чем шар мыши, а работа выполняется пальцами, а не кистью руки. Трекбол требует меньше места на столе, поэтому удобен для встраивания в пульты и клавиатуры; он чище и надежнее мыши. Джойстик имеет форму рычага, вмонтированного в устанавливаемый на столе или пульте корпус. Такой рычаг, шарнирно соединенный с электронными преобразователями, ориентируется в пределах некоторого телесного угла, перемещая курсор по экрану в четырех направлениях. "Световое перо" применяется для указания точки на экране дисплея, выбора участка экрана или формирования символов и изображений. Оно конструктивно оформлено в виде ручки с фотоэлементом. Для устранения параллакса, обусловленного толщиной экрана и большой площадью "пера", используется следящее перекрестие из тонких линий. Источники видимого света в ряде современных систем заменяются инфракрасными и электромагнитными излучателями. Функциональным аналогом "светового пера" является сенсорный экран. Такой экран имеет невысокую разрешающую способность, так как выбор объектов его выполняется просто пальцем, поэтому он удобен для указания пунктов меню и управления установками или транспортом с помощью дисплейных терминалов. С поверхностью экрана связывается прямоугольная система координат, и прикосновение пальцем к букве, числу или изображению клавиши вызывает передачу в компьютер информации о координатах выбранного объекта. На поверхность сенсорного экрана резистивного типа обычно наносятся две прозрачные пленки, в каждой из которых располагаются проводники, образуя резистивное матричное поле. Прижатие пленок друг к другу изменяет сопротивление в точке касания. В сенсорных экранах с емкостными датчиками в дисплей монтируются тонкие прозрачные слои токопроводящего материала, прикосновение к которым вызывает изменение емкости. В акустических приборах вдоль границ экрана находятся передатчики акустических волн. Волны отражаются пальцем и фиксируются акустическими приемниками, помещенными рядом с передатчиками или напротив них. В оптических экранах вместо акустических устройств используются светоизлучатели и фотоприемники. Есть также системы с видеокамерами и элементами машинного зрения, вычисляющими координаты пальца пользователя без непосредственного контакта его с экраном. Так как зоны

48

ввода команд и вывода изображений сенсорных экранов находятся практически в одной и той же плоскости, пользователям не приходится переводить взгляд с экрана на клавиатуру или другое указательное устройство, и он меньше отвлекается от работы. В результате продолжительность общения его с компьютером сокращается, а квалификационные требования снижаются. В медицине и в армии сенсорные тренажеры применяются более десятки лет, а в производственных системах они начали внедряться недавно. В установках с повышенным уровнем загрязнения могут использоваться специальные указки. Сегодня манипуляторы вытесняются более надежными сенсорными планшетами (touch-pad), реагирующими на изменение емкости тела человека. Множество сенсорных датчиков, объединенных в сетку, регистрируют изменение электрического поля при прикосновении пальца. Специальные аппаратные и программные средства помогают вычислить точное местоположение центра возмущения, направление и скорость воздействия. При разрешающей способности 300-400 точек на дюйм распознаются даже самые незначительные смещения пальца. Сканер Сканер позволяет вводить в компьютер сложные изображения и тексты. Его светочувствительный датчик производит замеры интенсивности отраженного оригиналом света. Существует несколько вариантов конструкций сканеров: o в ручном сканере сканирующая головка датчика (линейка светодиодов или ПЗС-матрица) вручную перемещается относительно оригинала; o в планшетном сканере перемещение сканирующей головки (линейки светодиодов) относительно оригинала выполняет шаговый привод; o в протяжном сканере оригинал перемещается относительно неподвижной сканирующей головки; o в барабанном сканере оригинал закрепляется на поверхности прозрачного вращающегося цилиндра и один неподвижный датчик последовательно считывает информацию со всей поверхности оригинала. Основными техническими параметрами сканера являются: o разрешение, o разрядность, o динамический диапазон. Разрешение определяется как количество элементов в линии сканируемого изображения и измеряется количеством точек на дюйм (dpi – Dots Per Inch). Физически разрешение определяется прежде всего количеством фоточувствительных элементов в сканирующей головке датчика (оптическое разрешение), но в реальных устройствах его увеличивают механическим или логическим путем. В первом случае увеличивают число проходов сканирующей

49

головки над оригиналом, во втором – математически усредняют (интерполируют) отсканированное изображение. Разрядность отражает количество цветов в отсканированном изображении. Человеческий глаз в состоянии воспринимать около 17 миллионов оттенков цветов или 256 градаций серого цвета. В зависимости от количества разрядов, соответствующих одному замеру, сканер распознает различное число оттенков: 16 при 4-битовом кодировании или 256 при 8-битовом кодировании. Наложение результатов сканирования по трем составляющим – красной, зеленой и синей – дает цветное изображение, в котором каждая точка описывается 24 разрядами, формируя до 16.7 миллионов оттенков. Более тонкие оттенки глаз не различает, однако дополнительные (сверх 24) разряды могут быть использованы самим сканером для внутренних преобразований изображения. Динамический диапазон сканера характеризует его способность различать близлежащие оттенки. Он определяется как разница между самым светлым тоном, который сканер отличает от белого, и самым темным, отличным от черного. Разработкой и производством сканеров занимается большое количество зарубежных компаний. Признанными лидерами в этой области считаются: Hewlett Packard, Mustek, AGFA, Acer, Epson, Canon, Nicon, Primax. В России в настоящее время сканеры собственной разработки не производятся, однако число сканеров, приходящееся в нашей стране на один компьютер, превосходит среднемировое. Дигитайзер Графический планшет, или дигитайзер, автоматизирует создание графических изображений. Работа с ним аналогична работе с карандашом или ручкой при вводе линий. Под наклонной рабочей поверхностью планшета располагается электронный блок, а ввод информации обеспечивают различные типы указывающих манипуляторов - четырехкнопочный курсор, световое, ультразвуковое или инфракрасное, сенсорное беспроводное перо, чувствительное к силе прижатия, другие сменные пишущие элементы. Разрешающая способность дигитайзеров составляет от 100 до 1270 линий на дюйм. Дизайнеры могут имитировать традиционную цветовую палитру в своих компьютерных творениях. Драйверы предоставляют им ряд дополнительных функций: закрашивание и раскрашивание областей, штриховку и обработку образов с имитацией угля или мела. Они позволяют распознавать до 256 различных уровней давления, углы наклона пера относительно планшета, абсолютные координаты пишущего органа. Возможно помещение оригинала изображения (наброска или фотографии) на активную поверхность для обвода его пером. А компании IBM, Kurta, AR Technologies создают графические планшеты со встроенными дисплеями, отображающими возникающий рисунок прямо под пером.

50

3.3.2. Видеосистемы

Seeing is believing (Увидеть – значит поверить). Английская пословица Видеосистема является основной частью современного компьютера, осуществляющей отображение информации в виде доступном для человека. Любая видеосистема состоит из монитора (дисплея) и видеоадаптера. Монитор Монитор отображает информацию, хранящуюся в памяти компьютера. Разновидностью мониторов являются дисплейные мониторы и индикаторы, применяемые для контроля за ходом технологических и информационных процессов, а также удаленные от вычислителя терминалы. Рабочее место пользователя, оснащенное дисплеем и клавиатурой, иногда называют консолью. Мониторы бывают алфавитно-цифровыми и графическими, монохромными и цветными, различными по физическим принципам формирования изображений. Они различаются количеством воспроизводимых цветов или градаций яркости, изменяемых в диапазоне от 4 до 16.5 млн. Цвета, которые не могут одновременно отображаться на экране, образуют базовую палитру дисплея. Обычно из базовой формируется рабочая палитра, цвета которой сочетаются в любой комбинации. Кроме палитры, к важным характеристикам дисплеев относятся размер по диагонали (14, 15, 17, 19, 20, 21 дюйм) и шаг точки (dpi - dot pitch; обычно dpi = 0.28 мм). Традиционны мониторы на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ или CRT – Cathode Ray Tube). В их основе лежит способность некоторых веществ – люминофоров к испусканию света под воздействием разогнанного до больших скоростей потока электронов. Источник электронов (электронная пушка) находится в задней части трубки, люминофор наносится на поверхность экрана. Благодаря низкой стоимости и относительной простоте ЭЛТ находят очень широкое применение. Однако их недостатки, такие как габариты, энергопотребление, тепловыделение, электромагнитное излучение - делают их дальнейшее развитие малоперспективным. В цветной ЭЛТ изображение на экране получают посредством управления перемещением и интенсивностью трех лучей. При этом графические изображения формируются одним из двух способов. В векторном дисплее электронный луч непрерывно "вырисовывает" контур изображения, собирая его из элементарных отрезков - векторов. В растровых же дисплеях изображение получается с помощью матрицы точек: электронные лучи пробегают по строкам экрана, подсвечивая требуемые точки своим цветом. Первые модели дисплеев для компьютеров имели цифровой видеовход, позднее перешли к аналоговым сигналам. Пропускная способность дисплеев составляет 45 – 130 МГц. Частота развертки по горизонтали, определяющая разрешающую способность экрана, находится в диапазоне 28 – 82

51

Гц. Частота развертки по вертикали равна 50 – 120 Гц, причем, если вертикальная частота развертки ниже 72 Гц, повторная эмиссия люминофоровых точек дисплея вызывает мерцание. Жидкокристаллические или LCD (Liquid Crystal Display) мониторы используют способность жидких кристаллов изменять свои оптические свойства под действием электрического поля. Жидкокристаллические индикаторы набираются из сегментов для воспроизведения элементарных частей изображения, обычно точек. Каждый сегмент заполнен нормально прозрачной анизотропной жидкостью, окружающей прозрачные электроды. Через 15 – 30 мс после подачи на электроды напряжения коэффициент отражения жидкости меняется. Такой дисплей чрезвычайно экономичен, компактен и взрывобезопасен, поэтому применяется в портативных компьютерах, а также в часах, калькуляторах. В большинстве портативных ЭВМ организована задняя или боковая подсветка экрана, делающая различимым его изображение даже при прямом солнечном свете. В некоторых дисплеях на жидких кристаллах используются экраны пассивно-матричного типа, в которых каждый элемент растра "делит" электроды с другими элементами, что вызывает расплывчатость динамичных изображений. Особенно сильно это проявляется в цветных индикаторах, где труднее добиться высокой яркости и насыщенности цветовой гаммы. Поэтому наиболее эффективны активно-матричные дисплеи, лишенные этого недостатка. Работоспособность их сохраняется в диапазоне температур от –10 до +40 градусов. Жидкокристаллические мониторы отличаются от мониторов с ЭЛТ малыми габаритами, пониженным энергопотреблением, отсутствием проблем с фокусировкой изображения. Основные усилия их производителей в настоящее время направлены на снижение инерционности, затрудняющей вывод быстроменяющихся изображений, на повышение яркости и контрастности изображения. Высокая стоимость таких мониторов также постепенно снижается. У плазменных мониторов экраны выполнены в виде матрицы газоразрядных элементов. При приложении напряжения к электродам газоразрядного элемента возникает электрический разряд красного или оранжевого свечения в ионизированном газе, которым заполнен этот элемент. По сравнению с жидкокристаллическими индикаторами, плазменные дисплеи более контрастны и энергоемки. Лучшие модели 21-дюймовых монохромных плазменных дисплеев обеспечивают разрешение 1280 х 1024 точек. В люминесцентных мониторах экран состоит из матриц активных индикаторов, имеющих высокую механическую прочность и надежность, благодаря трехслойной структуре, в которой активный слой люминофора покрывается с двух сторон слоями диэлектрика. Люминофоровое покрытие таких приборов создает цветной эффект - на этом принципе основывается действие больших демонстрационных табло. А цифровые микрозеркальные проекционные мониторы содержат кремниевые пластины, снабженные сотнями тысяч крошечных подвижных алюминиевых зеркал, управляющих точками экрана.

52

Основными производителями мониторов считаются: Sony, Samsung, Nokia, LG, Hyndai, Philips. В России в настоящее время качественные мониторы не производятся. Видеоадаптер Возможности компьютера по отображению информации определяются совместными характеристиками монитора и видеоадаптера. Видеоадаптер – это специальный графический процессор (акселератор), преобразующий координаты точек и кривых в изображение. Он уменьшает нагрузку на магистраль и процессор, значительно увеличивая производительность системы. Адаптер имеет видеопамять емкостью 0.25 - 2.0 и более мегабайт, хранящую воспроизводимую на экране информацию. Каждой точке экрана или знакоместу соответствует поле видеопамяти (несколько бит или байт), в котором хранится код элементарного адресуемого объекта – пикселя (Pixel), определяющий режим высвечивания и цвет. Видеоадаптеры бывают графическими и – реже - алфавитно-цифровыми. Различные текстовые и графические режимы их работы отличаются разрешением и цветовыми возможностями. В моделях IBM PC/XT использовались в основном цифровые графические адаптеры CGA (Color Graphics Adapter), работавшие в двух текстовых и двух графических режимах. Созданный в 1984 г. для IBM PC/AT адаптер EGA (Enhanced Graphics Adapter) имел лучшее разрешение, так как минимальное число цветов в его рабочей палитре достигло 16 из общего количества 64 цвета. Адаптер VGA (Video Graphics Array) фирмы IBM рассчитан на 256 цветов. Это был первый адаптер с квадратным, а не прямоугольным пикселем. Вслед за ним появились EVGA (Enhanced VGA), SuperVGA, FEVGA (Futher VGA), ErgoVGA и др. Все они поддерживают стандартное разрешение VGA 640 х 480 пикселей, но могут работать и в режиме EGA (640 x 200, 640 x 350), и в стандартах SVGA 800 х 600, XGA 1024 х 768, SXGA 1280 х 1024, 1600 х 1200 точек. При этом 512 Кбайт видеопамяти достаточно для выдачи на экран 256-цветного изображения размером 800 х 600 точек или 16-цветного изображения 1024 х 768 точек. В системах фирмы Apple аналогичные адаптеры применяются для работы в режимах разрешения 640 х 480, 624 х 832, 870 х 1152, 882 х 1152 точек. 24-разрядные цветные графические адаптеры воспроизводят до 16.7 млн. цветов. Поскольку разрешение видеосистемы количественно ограничено числом отчетливо различимых на экране точек, для повышения качества изображения применяют металлические теневые маски с шагом порядка 0.25 мм, часто в сочетании со специальной высокоточной электронной пушкой. Наиболее популярны видеоадаптеры фирм Diamond (модели Fire и Stealth), Hercules (модели Thriller и Dynamite). Большинство из них поддерживает трехмерную акселерацию. Более совершенные видеосистемы оснащаются видеоадаптерами для работы с движущимися изображениями (например, Video Blaster, Video Spigot или Intel Smart Video Recorder); для работы с неподвижными видеоизображениями (например Targa); для реализации технологии Digital Video

53

Interactive (например, Action Media); другими графическими ускорителями. В частности, Video Blaster выводит на экран изображения с видеокамер и видеомагнитофонов, видеодисков, подключает микрофоны и акустические системы. Пользователю предоставлена возможность регулирования цветовых оттенков, насыщенности, яркости, контрастности, задания правил совмещения изображений. Так как параметры стандартных видеосигналов PAL, NTSC не совпадают с форматом VGA, видеоадаптеры осуществляют преобразование частоты развертки. 3.3.3. Аудиосистемы

Источниками аудиосигналов являются обычно микрофоны, магнитофоны, бытовые проигрыватели компакт-дисков, музыкальные инструменты и центры. Они подключаются к компьютеру через звуковые адаптеры и аудиоплаты, например Sound Blaster, Sound Galaxy или Sound For Window таких фирм как Creative Labs (80%), ESS, Turtle Beach. Выходными устройствами аудиоплат служат акустические системы и стереотелефоны пассивного типа или со встроенным выходным усилителем, усилители, адаптеры громкоговорителя системного блока компьютера. Аудиоплата, удовлетворяющая стандарту MIDI на средства создания, обмена и обработки музыкальной информации, преобразует сигналы в цифровую форму частотой 44-48 Кгц и сохраняет их в виде файлов на носителях. При воспроизведении аудиосигналы, поступающие из ОЗУ или ВЗУ, преобразуются обратно в аналоговую форму и передаются на выходные устройства. В частности, Sound Blaster синтезирует звуковые эффекты, подключает разнообразные источники звучания и накопители. 3.3.4. Печатающие устройства

Кругом было технически хорошо… Машина умная, как живая, неустанная и верная, как сердце. А. Платонов. «Сокровенный человек» Для получения твердой копии текстовой и графической информации, хранящейся в памяти компьютера, используется принтер. В принтерах ударного действия изображение наносится на бумагу механическим путем, а в основе безударных устройств лежат различные физические и химические принципы формирования монохромных и цветных изображений. Печатающая головка точечно-матричного принтера ударного действия снабжена иглами, управляемыми индивидуальными электро-магнитами. Распространены 24-, 18- и 9-игольчатые принтеры. Красящая лента в них подается системами кассетного или бобинного типа на базе узкой или широкой каретки. Различают текстовый и графический режимы работы точечно-матричных принтеров, реализуемые за один, два или четыре прохода печатающей головки в прямом или обратном направлениях. В текстовом режиме возможны черновая (draft), квазитипографская (NLQ - Near Letter Quality), типографская (LQ - Letter Quality), сверхкачественная (SLQ - Super Letter Quality) печать или "деловое

54

письмо" (CQ - Correspondence Quality). Многие принтеры поддерживают несколько начертаний - стандартное (normal), курсивное (italic), полужирное (bold), подчеркнутое (underlined) - шрифтов различных гарнитур: растянутый шрифт (expanded), полусжатый (elite), сжатый (condensed), прямой шрифт "цицеро" (pica), курьерский (courier), рубленый (sans serif), "сериф" (serif), "престиж-элита" (prestige elite). Быстродействие точечно-матричных принтеров находится в диапазоне 80 400 знаков в секунду, а разрешение – в пределах 14 точек на миллиметр. Ведущими в производстве таких приборов считаются японские фирмы Seiko Epson, Star Micronics, американские корпорации Brother, Bull и европейские компании Citizen, Mannesman Tally. Системы команд Epson, ESC/P и IBM считаются стандартом для других принтеров. Доля рынка ударных принтеров сокращается в связи с переходом к струйным и лазерным технологиям, но, тем не менее, они широко используются, благодаря низкой стоимости и малым затратам на расходные материалы. В струйных принтерах изображение наносится на бумагу выдавливанием красителя из специального сопла на печатающей головке. При этом, используя пузырьковую либо пьезокерамическую технологию, формируют непрерывный или дискретный капельный поток при низких уровнях шума и энергопотребления. Струйная технология является одним из основных способов получения качественной цветной печати. Она используется фирмами HP, Desonix, Howtek, Epson. Стандартным для таких принтеров считается разрешение 600 точек на дюйм. Лучшие модели обеспечивают разрешение 750 точек на дюйм при скоростях 150 знаков в секунду и затратах на расходные материалы 2-4 цента на страницу. По принципу действия струйные устройства делятся на термические принтеры с жидкими чернилами, термические принтеры с твердыми чернилами и пьезоэлектрические принтеры. В первых чернила подаются в сопло, и перед впрыскиванием на бумагу разогреваются импульсом тока до 300 градусов. Вторые используют наполнитель на воскоподобной основе, разогреваемый перед нанесением на лист и мгновенно застывающий без впитывания. Изображение прикатывается горячим валиком, приобретая глянцевый вид. Третьи используют активный пьезоэлемент, выталкивающий чернила быстрее, чем при нагреве. Пигментные термографические принтеры для формирования изображений используют ленты из тонкой пленки, покрытой твердым красителем основных цветов - синего, пурпурного, желтого, черного. Вдоль лент ходит печатающая головка с тысячами нагревательных элементов, которые избирательно нагревают участки красителя. В результате нагрева цветовые точки переносятся на бумагу, где пигмент твердеет, превращаясь в капельные образования плотностью до 100 точек на миллиметр со скоростью 40 - 80 и более знаков в секунду. Особым направлением в термографии является сублимация. В процессе печати на сублимационном принтере пластиковая лента с цветным покрытием проходит вдоль печатающей головки с множеством проводников. В результате нагрева краситель выпаривается из ленты, и цветовое облако оседает на специальной бумаге. Полученная таким образом "плавнотоновая" печать идеально подходит для воспроизведения фотографий. Бесшумность работы и высокая яркость цветов делает термопринтеры

55

незаменимыми в изготовлении рекламы, транспарантов и прочей цветной продукции. Но принцип работы принтера предполагает нанесение каждого цвета за отдельный проход головки, то есть за четырехкратный проход бумаги. Этот фактор, наряду с высокой температурой печати, является причиной потребности в специальных сортах бумаги. Магнитографические принтеры используют принцип магнитной записи на специальном барабане. Они "запоминают" изображение и впоследствии могут многократно воспроизводить его. Фирмы Ferix и Cyntha Peripheral выпускают магнитографические принтеры с быстродействием 10 - 90 страниц в минуту и разрешением 95 точек на миллиметр. Лидером среди принтеров долгое время оставался лазерный принтер. Такой прибор оснащен маломощным лазером, формирующим изображение на светочувствительном фотоприемном барабане. Освещаемые лазером участки предварительно заряженного барабана притягивают частицы порошкообразного тонера, и те пристают к барабану в заданных позициях, формируя на нем изображение. Затем подающий механизм отправляет в принтер лист бумаги, заряжает его статическим электричеством, и тонер с барабана переходит на бумагу. Фиксирующий узел прогревает тонер до температуры плавления, а резиновые валики прижимают его, в результате чего тонер вваривается в бумагу. Лучшими лазерными принтерами считаются приборы фирмы HP. В частности, около половины европейского рынка лазерных принтеров составляют модели Lazer Jet этой фирмы. Популярны, также, принтеры IBM, Sharp, Canon, Samsung, QMS. Они печатают от 4 до 23 страниц в минуту с разрешением 11 - 96 точек на миллиметр при затратах на расходные материалы, эквивалентных струйным принтерам. Электростатические принтеры используют принцип ионного осаждения, а в электрочувствительных принтерах изображение формируется в результате протекания тока по поверхности специальной бумаги. Сродни принтерам плоттеры, или графопостроители, координатографы, осуществляющие высококачественный вывод графической информации на бумагу, пленку и другие носители. Плоттеры планшетного и рулонного типов реализуют матричный, струйный или электростатический принцип действия и оснащаются приводами высокой точности позиционирования и взаимной синхронизации движений. Как правило, плоттером формируется многоцветное изображение форматов от А4 до А0 с разрешающей способностью 12 - 15 точек на миллиметр на скоростях от 270 до 950 мм/с. Наибольшее распространение получили плоттеры фирм Oce Graphics, HP, Houston Instrument.

56

4. П РОГРАММНОЕ ОБЕСП ЕЧЕНИЕ 4.1. Офисные технологии 4.1.1. Операционные системы

Чем больше нам дано, тем большего мы желаем. Сенека В операционную систему входит комплекс системных программ, управляющий ресурсами компьютера (процессором, памятью, периферийными устройствами) и процессами, использующими эти ресурсы. Часть операционной системы, управляющая процессором и памятью, иногда называют супервизором. Распространено несколько критериев классификации операционных систем. Критерий 1. По числу пользователей 2. По числу задач 3. По времени доступа 4. По архитектуре

Категория Однопользовательская Многопользовательская Однозадачная Многозадачная Пакетная Разделения времени Реального времени Однопроцессорная Мультипроцессорная Распределенная Сетевая

Пример MS-DOS Pick MS-DOS Windows98 Netware QNX Real/32 MS-DOS Linux Unix MacOS

Однопользовательские (монопольные) системы характерны для персональных компьютеров. Многопользовательские поддерживают одновременную работу нескольких пользователей на мини- и больших ЭВМ, а также организуют работу в сети. Минимальной единицей работы, для которой система выделяет ресурсы, является задача, т.е. самостоятельный процесс, предписанный программой. Благодаря операционной системе, пользователь обращается не к физическим ресурсам, а к некоторой виртуальной машине на языке заданий. Образ конечного состояния такого процесса называют заданием. В однозадачном или многозадачном режиме операционная система распределяет ресурсы между конкурирующими процессами. В системах пакетной обработки из программ, подлежащих выполнению, формируется пакет, который вводится в память и последовательно обрабатывается.

57

Благодаря разделению времени, удается организовать одновременный диалоговый, или интерактивный, доступ к компьютеру пользователей с различных терминалов. Операционная система распределяет при этом ресурсы в соответствии с принятой дисциплиной обслуживания. Что касается систем реального времени, то они управляют внешними процессами и объектами и обеспечивают гарантированное время ответа на внешние события. Одно- и мультипроцессорные, распределенные и сетевые операционные системы отражают соответствующие архитектуры вычислительных комплексов. Сегодня преобладают операционные системы производства Microsoft и Apple, Univell IBM, SUN и других компаний, разработанные в соответствии с концепцией открытых систем OSA (Open System Architecture). Такие системы открыты для аппаратуры и программ различных фирм и “прозрачны” для пользователя, обеспечивая ему доступ к своим ресурсам. Среди них нет "абсолютного чемпиона", ибо говорить о достоинствах той или иной системы можно только в контексте решаемых задач, применяемого программного обеспечения и конечных целей пользователя. При выборе системы обращают внимание не только на ее конкретные функции и возможности. Важно, чтобы совпадали концепции сегодняшних и будущих информационных систем. Наиболее распространенным представителем операционных систем является MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System), появившаяся в 1981 г. вместе с IBM PC. В состав MS-DOS входят: o базовая система ввода-вывода BIOS (Basic Input-Output System); o системный загрузчик SB (System Bootstrap); o модуль расширения BIOS EM (Extention Module); o внешние драйверы устройств; o базовый модуль BM (Basic Module); o командный процессор, или интерпретатор команд, CI (Command Interpreter); o утилиты MS-DOS. BIOS содержит драйверы стандартных периферийных устройств, тестовые программы контроля аппаратуры, программу начальной загрузки. Он хранится в ПЗУ и обеспечивает доступ к ресурсам через аппарат прерываний. Модуль расширения BIOS определяет состояние аппаратуры и инициирует включенные периферийные устройства. Утилиты выполняют внешние команды, не входящие в базовую систему. MS-DOS - однозадачная система, потому что только одна задача может быть активной в каждый момент времени. Для вызова любой другой задачи выполняется программное прерывание с передачей параметров через регистры. Файловая система MS-DOS поддерживает логическую структуру магнитного диска, деля логическое дисковое пространство на две области: системную область и область данных. Основная же память компьютера логически делится на стандартную и дополнительную. Стандартной памятью считается диапазон адресов от 0 до 640 Кбайт, а дополнительная память может быть трех видов: верхняя,

58

старшая и расширенная. Верхняя память UMB (Upper Memory Block) расположена в диапазоне адресов от 640 Кбайт до 1 Мбайт. Старшая область памяти HMA (High Memory Area) занимает первые 64 Кбайт свыше 1 Мбайт. Блоки расширенной памяти XMA (eXtended Memory Area) располагаются выше границы HMA, и для управления ими предназначены специальные драйверы, реализующие либо концепцию отображаемой памяти LIM EMS (Lotus-Intel-Microsoft Expanded Memory Specification), либо спецификацию расширяемой памяти XMS (eXtended Memory Specification). Значительно более мощными возможностями обладает сетевая многопользовательская многозадачная мультипроцессорная система Unix фирмы Univell и совместимые с ней версии для персональных компьютеров и для рабочих станций Linux, BSD, Solaris. Благодаря широкому диапазону применения - от компьютеров средней мощности на платформе i386 до суперкомпьютеров - Unix используется в Интернете и в большинстве критически важных средств управления домнами, кораблями, в системах распознавания речи и обработки банковских запросов. Она успешно интегрирует слабые и мощные машины в единый комплекс с общей системой администрирования. В частности, появившаяся в 1993 году операционная система Linux к 1998 г. уже обслуживала до 10 млн. пользователей во всем мире. Ежегодно число ее установок возрастает на 25%. Ее отличают высокая стабильность, открытость кода, многозадачное модульное ядро, хорошая расширяемость и сжимаемость. Наиболее известные ее версии RedHat, OpenLinux, Debian GNU характеризуются совместимостью с Windows, Netware, MacOS, Unix, поддержкой многопроцессорности и многоплатформенности (Intel, SUN, Apple). Сетевая операционная система реального времени QNX одноименной канадской фирмы обслуживает машины класса IBM PC в системах управления производственными процессами. Основой ее является приоритетно управляемое микроядро размером всего 8 Кбайт. Оно дает возможность работать в защищенном режиме, не допуская нарушения целостности данных, благодаря устойчивой к перерывам питания файловой системе. Время реакции такого ядра на внешние события не превышает 4 мкс на шинах PCI, ISA, Microchannel. QNX поддерживает микропроцессорные управляющие системы, обеспечивая высокую производительность сетевых серверов. Она совместима с Unix и позволяет загружать MS-DOS как одну из своих задач, выполняя ее приложения в режиме эмуляции. Обладая развитыми средствами разработки с графическим интерфейсом пользователя, QNX позволяет готовить программы, ориентированные на MS-DOS, OS/2 и Windows. В отличие от Unix, система OS/2 компании IBM предъявляет жесткие требования к аппаратуре компьютера и поддерживает только микропроцессоры семейства Intel. Эта 32-разрядная система обеспечивает высокую надежность, благодаря универсальной архитектуре прикладных систем IBM SAA (System Application Architecture). Она работает в высокопроизводительных сетях, на мини- и микроЭВМ, но наиболее предпочтительны для нее персональные компьютеры PS/2.

59

OS/2 поддерживает гибкую систему многозадачности, основанную на разделении времени. Высокая надежность системы объясняется тем, что она защищает не только исполняемый код, но и данные прикладных программ от сбоев в других процессах. Благодаря этой системе, стала возможной работа на одной рабочей станции прикладных программ, написанных для OS/2, для MS-DOS, Windows. Приоритетная многозадачность ее гарантирует, что ни одна из задач не нагрузит процессор до такой степени, что он потеряет способность обслуживать другие задачи. А отдавая наивысший приоритет средствам коммуникации, OS/2 обеспечивает незамедлительное обслуживание линий связи. Наряду с многозадачностью, система поддерживает и многопоточность, одновременно выполняя до 4096 независимых заданий, таких, как пересылка файлов, извлечение их из архивов по мере поступления, проверка на наличие вирусов... Организация операционной системы MacOS фирмы Apple основана, прежде всего, на обратной связи с пользователем. Для упрощения сложных или часто повторяющихся задач они оснащены встроенными интерактивными руководствами, сопровождающими пользователя от первого запроса до окончательного результата. Макроязык Apple Script автоматизирует такие задачи, как очистка буфера, перезапуск компьютера, синхронизация файлов на нескольких компьютерах в сети, написание макросов, контролирующих функции Macintosh. Подсистема Power Talk управляет посылкой электронных сообщений, разделяет доступ к файлам, формирует электронную подпись документов. Этот коммуникационный пакет подобен универсальному почтовому отделению, единому для входящих и исходящих сообщений - файлов, сигналов, электронной почты. Будучи лидером в области графического дизайна, Apple развивает технологию Quick Draw на базе набора утилит для печати, управления цветом, пиктограммами, форматами документов, редкими шрифтами (арабским, санскритом и т.п.). В 1997 г. около 90% рынка операционных систем для персональных компьютеров составляли различные версии Windows. Если пользователем эксплуатируются приложения на разных платформах, требуются режимы совместного использования данных и организация группового программирования, его может удовлетворить, многопользовательская многозадачная сетевая WindowsNT корпорации Microsoft. Она предусматривает стыковку систем различного класса через интерфейс прикладного программирования API (Application Programming Interface), благодаря открытой сервисной архитектуре WOSA. Поэтому WindowsNT доступны Intel, DEC и SUNплатформы, а также файловые системы различных фирм. Она хорошо зарекомендовала себя в работе с программами, которые не отличаются высокой надежностью, защищенностью и стабильностью, поддерживает мультипроцессорную архитектуру и обладает богатыми сетевыми возможностями. Прикладные и системные процессы, а также подчиненные задачи динамически распределяются ею для решения на нескольких процессорах. Ядро системы представляет 32-разрядный пакет системных программ. Виртуальное адресное

60

пространство со страничной адресацией достигает в объеме 4 Гбайт. Приоритетная многозадачность, основанная на разделении времени, исключает сбои системы изза некорректной организации программ, тогда как выполнение любой программы может быть прервано по инициативе операционной системы. Средства дублирования данных обеспечивают высокую помехоустойчивость WindowsNT, благодаря которой система позволяет владельцу ресурсов управлять правом доступа к ним. Система защищает объекты от несанкционированного использования другими процессами. В частности, она защищает память, чтобы ее содержимое не могло читаться после освобождения ее процессом. Перед тем, как получить доступ, каждый пользователь идентифицирует себя уникальным именем и паролем, чтобы в дальнейшем WindowsNT определяла его права. Администратор системы контролирует связанные с безопасностью события и ограничивает доступ к данным. Система защищает себя от внешнего вмешательства типа модификации системных программ и файлов данных. Являясь объектно-ориентированными продуктами, эффективно поддерживающими многопоточность, ее версии рассматриваются как наиболее перспективные системы на ближайшие годы. Windows98 - это первая версия операционных систем серии Windows, разработанная специально для домашних компьютеров. Этим она в первую очередь отличается от Windows NT, рассчитанной на корпоративных клиентов. Windows98 требует от 120 до 300 Мбайт свободного места на диске в зависимости от устанавливаемой конфигурации и более 16 Мбайт оперативной памяти. Своеобразно организована загрузка Windows98. При включении компьютера из ПЗУ BIOS материнской платы считывается список устройств, необходимых для загрузки, и у каждого из них запрашивается уникальный номер. BIOS разрешает конфликты системных ресурсов и дает команду на загрузку операционной системы в оперативную память компьютера. Затем специальный драйвер Windows – менеджер конфигурации – запрашивает подчиненные ему драйверы шин о всех обнаруженных ими устройствах, которые требуют системных ресурсов. Операционная система реализует конфигурирование периферии в соответствии с технологией Plug & Play. Если периферийное оборудование удовлетворяет стандарту системной шины, портов и устройств ввода и вывода, оно заносится в специальную запись – дерево аппаратной конфигурации, - сохраняемую в памяти. При обнаружении в составе компьютера устройств, не поддерживающих технологию Plug & Play, Windows обращается в специальную базу данных, которая должна быть создана заранее. После регистрации еще один драйвер – арбитр ресурсов – на основании дерева аппаратной конфигурации планирует присвоение ресурсов. Драйверы шин сообщают устройствам о доступных им ресурсах и заносят эту информацию в регистры устройств. В дальнейшем Windows предоставляет подключенные ресурсы программам, требующим их использования: принтеры - программам печати, CD-ROM аудиопрограммам, модемы - почтовым системам и т.д. Если в ходе последующей эксплуатации произойдет отказ того или иного ресурса или замена его,

61

операционная система обнаруживает возникшее несоответствие и пытается его разрешить путем восстановления нарушенной связи или подключения другого драйвера. При любом исходе подобной операции - успешном или безуспешном Windows информирует об этом пользователя. Завершив подключение ресурсов, система открывает программы, предписанные загрузочной процедурой, в частности - драйверы, утилиты, диспетчеры и т.п. Специальная часть Windows - планировщик - для каждой открытой программы формирует очередь задач и распределяет эти очереди таким образом, чтобы все задачи могли участвовать в едином информационном процессе. Каждая самостоятельная часть выполняемой программы в многозадачной операционной системе Windows ассоциируется с отдельной задачей и проектируется таким образом, что обладает способностью генерировать сообщения о событиях. В сообщении указывается как источник события (программа, порт, мышь, принтер), так и его характер (щелчок, включение, нажатие клавиши и т.п.). За время существования задача проходит состояние выполнения, если ей выделен процессор; состояние готовности, когда она ждет выделения процессора; состояние блокировки в ожидании наступления событий. В однопроцессорной системе в каждый момент времени может выполняться только одна задача, тогда как остальные задачи либо готовы, либо заблокированы. В соответствии с очередностью, операционная система подключает каждой задаче ресурсы и выделяет защищенное виртуальное адресное пространство в оперативной памяти и на свободных местах магнитных накопителей. В этом пространстве задача функционирует в течение разрешенного отрезка времени, а по завершении его автоматически выгружается системой из памяти, освобождая ресурсы следующей задаче. При этом задачи могут зависеть друг от друга: одна из них занимается подготовкой данных, другая их сортирует, а третья выводит результаты в файл. Пока решается одна задача, следующая готовится к выполнению, не занимая ресурсов. Последовательность решения может быть самой разной в зависимости от приоритета и числа задач в очереди. Очереди отдельных программ не теряются и не перепутываются, а планировщик распределяет время центрального процессора так, чтобы обеспечить его оптимальную загрузку. Подобная организация вычислительного процесса Windows называется вытесняющей многозадачностью. В системах, где рассмотренная организация отсутствует, говорят об однозадачности или о добровольной (кооперативной) многозадачности. В ходе выполнения одной группы задач, Windows может обнаружить новую программу, требующую выделения ресурсов. Для такой программы операционная система формирует новую очередь и обрабатывает ее наряду с другими во вновь выделенном адресном пространстве. Выделяя отдельное пространство каждой задаче система исключает пересечение задач. Но существуют программы, которые изначально не спроектированы для многозадачной среды и пытаются монополизировать память и ресурсы. К ним относятся, в частности, программы операционной среды MS-DOS. Все задачи подобного типа Windows

62

ставит в одну общую очередь и, отождествляя их с одной задачей, выделяет одно адресное пространство. В случае аварийного завершения любой из них, все остальные однозадачные программы приходится завершать вместе с аварийной и принудительно выгружать из памяти. Для интеграции программ и документов с ранее созданными программными объектами в Windows используются буфер обмена (clipboard), технология OLE (Object Linking and Embedding) и технология DDE (Dynamic Data Exchange). Через буфер обмена выполняется статическое связывание данных. Технологии OLE и DDE реализуют динамическое внедрение и связывание, регламентируя правила создания документов, включающих в свой состав объекты из различных приложений. Любые данные, которые переносятся из документа, созданного с помощью одной программы (сервера), в документ другой программы (клиента), по терминологии OLE называются объектом. Источник такого объекта представляется обычно областью экрана, которую можно выделить щелчком мыши, чтобы изменить ее масштаб или перенести на новое место. Этот же объект редактируется прямо в исходном файле после его активизации двойным щелчком. Поэтому, если вставляемая информация используется в нескольких документах и во всех должна выглядеть одинаково, динамическому внедрению и связыванию целесообразно отдавать предпочтение перед статическим. Правда, такая связь может оборваться при переносе клиента или сервера на новое место. Код каждого объекта содержит два особых компонента. Первый из них отвечает за отображение, а второй - за возможность редактирования. Благодаря такой организации, пользователь может либо связываться с объектом из своего документа (link), либо внедрять его в документ (embed). При использовании связи объект хранится отдельно от документа, но после редактирования в документе появляется его обновленное изображение. Если же объект внедряется, в документе отображается его копия. Основными достоинствами OLE являются: o возможность редактирования объекта прямо в приложении; o поддержка встроенных объектов; o возможность устанавливать связи между объектами, встроенными в документы; o "знание" объектом приложения, которым он создан, и поддержка его инструментария; o возможность редактирования объектов, подготовленных на разных языках, и сложных объектов, сделанных другими разработчиками. o Создавать взаимосвязанные приложения позволяет и механизм DDE. Его основой является протокол, описывающий обмен данными между активными приложениями, удобный для создания программ одновременной обработки одного объекта из разных приложений.

63

4.1.2. Системы работы с текстами

Слова, слова, слова… В. Шекспир. «Гамлет» Текст (textus – сплетение, связь) – это последовательность осмысленных высказываний, объединенных темой. Более половины общего времени работы пользователей за компьютером приходится на обработку текстов, поэтому системы обработки текстов лидируют сегодня на рынке прикладных программ. Программа, реализующая простые функции обработки текста, называется редактором текста. К таким функциям относятся чтение из файла; ввод, изменение и сохранение текста в файле; исправление ошибок в режимах вставки и замены; удаление, копирование и перемещение строк и символов; работа с блоками, то есть предварительно выделенными группами символов, слов, строк; поиск в определенного контекста и замена необходимых символов и буквосочетаний. Примерами редакторов текста являются Norton Editor, входящий в состав Norton Commander, Beyond Word Write фирмы Timeworks или Блокнот в составе Windows. Последний использует так называемый ANSY-набор символов, традиционный для Windows, тогда как в MS-DOS применяется стандарт ASCII. В связи с этим, для работы с ASCII-кодами больше подходит другой редактор - SysEdit. Текстовый процессор, в отличие от редактора текста, выполняет ряд дополнительных функций. В документ, обрабатываемый текстовым процессором, кроме собственно текста, могут входить формулы, чертежи, графики, рамки, таблицы. Текстовый процессор обеспечивает режимы верстки с выравниванием длины строк, с переносом слов, центрированием строк, разбивкой на страницы. Для него характерны операции шрифтового выделения, формирования абзацев, регулирования межстрочных интервалов, многоколонкового набора и использования псевдографических символов. Важной характеристикой текстового процессора является принятая в нем система сопровождения шрифтов. Шрифт представляет собой комплект букв, цифр и специальных символов, оформленных в соответствии с едиными требованиями. Шрифты различаются стилем (гарнитурой), начертанием (нормальные, жирные, курсивные, подчеркнутые), а также размерами, или кеглем. Размеры измеряются в пунктах (1 pt = 1/72 дюйма или 0.352 мм), интервалах (12 pt), пиках (4,2 мм). Совместное описание гарнитуры, начертания, кегля шрифта определяет его стиль, или дескриптор. Наиболее удобные системы сопровождения шрифтов относятся к классу WYSIWYG (What You See Is What You Get - что видишь, то и получаешь). Они присутствуют в текстовых процессорах Лексикон российской фирмы Микроинформ, Word Pro корпорации Lotus и в других системах. Режим WYSIWYG Zoom позволяет менять масштаб изображений. Другим элементом сопровождения шрифтов является поддержка встроенных шрифтов различных фирм. Ряд систем позволяет печатать математические формулы. В частности, богатые коллекции шрифтов и символов содержат пакеты ChiWriter фирмы Horstman Software Design и Word Perfect (Univell). Своеобразным стандартом стали шрифты True Type из

64

Windows, такие как Arial, Courier, Symbol, Times New Roman. Эти шрифты легко масштабируются, без потери качества обеспечивая воспроизведение кеглей от 4 до 127 пунктов. Шрифт Arial относится к группе Helvetica-шрифтов, используемых в заголовках меню и сообщениях Windows. Моноширинный шрифт Courier аналогичен шрифту пишущих машинок. Symbol содержит греческие литеры, а Times New Roman из группы Serif распространен в полиграфических изданиях. В отличие от True Type, ряд шрифтов предназначен только для принтера - они помечаются значком с изображением принтера в списке доступных шрифтов Windows. Шрифты Modern, Roman, Script относятся к типу векторных, а Courier, MS Sans Serif, Symbol - к типу растровых. Первые строятся на базе математического описания формы символа и свободно масштабируются. Вторые вычерчиваются по точкам и имеют ограниченный набор кеглей. Процесс подготовки документа текстовым процессором включает в себя управление разнообразными режимами печати. Кроме традиционного вывода на принтер, обычно обеспечивается вывод в файл и предварительный просмотр материала на экране, а также настройка принтера. Ключевыми критериями оценки текстовых процессоров служат их сервисные функции. Так, все серьезные системы поддерживают объектную компоновку. Элементами ее являются, например, встроенная мощная справочная система пакета Microsoft Works; комплекс программ для формирования писем, бланков, почтовых этикеток процессоров Microsoft Word и Word Pro; закладки и "дневники" программ Word Perfect и MultiEdit (American Cybernetics). Используя протоколы динамического обмена DDE и OLE, можно устанавливать связи между текстовыми документами и другими приложениями. При наличии объектной связи любое обновление данных, скажем, в электронной таблице будет автоматически отражено в документе, содержащем данную таблицу. Отличительной чертой текстового процессора MultiEdit является возможность работы с последовательными портами компьютера и запуска внешних программ. А оперативная печать документов в фоновом режиме удобно реализована, в частности, в 32-разрядном процессоре Describe одноименной корпорации, входящем в состав операционной системы OS/2. Панели инструментов текстовых систем предоставляют пользователям постоянно видимые "электронные клавиши", "нажимаемые" с помощью мыши. Такие панели инструментов используются для быстрой смены режимов, редактирования, доступа к часто используемым формулам. В частности, панели Word Pro позволяют мгновенно получать результаты расчетов по колонкам и строкам. Эти панели обычно модифицируются пользователем в соответствии с его потребностями. Серьезный документ сложно создавать без программ орфографического контроля, таких как Grammatic в составе Word Perfect, Spell Checker в составе ChiWriter, Грамматика в составе Microsoft Word. Входящие в них электронные энциклопедические словари содержат разные части речи, синонимы, антонимы.

65

Словари грамматических анализаторов Microsoft Works и Word Perfect располагают не только богатым набором слов, но и перечнями синонимов, указателями частей речи, антонимов. Spell Checker оснащен англо-русским словарем на 16.5 тысяч слов со средним временем доступа в три секунды и возможностью подключения тематических словарей. Словарь системы ОРФО российской фирмы Информатик на 200 тысяч слов (более 3 млн. словоформ) решает проблему согласования частей речи, дает замечания и предложения по улучшению текста и взаимодействует с любым текстовым процессором, работающим в текстовом режиме. Все входящие в его тезаурус слова распознаются в тексте в любой их грамматической форме. Установив курсор на слово, можно сразу получить синонимы, антонимы и родственные слова, не приводя исходное слово к "нормальной" форме. А при замене слова из текста на синоним или антоним, ОРФО придает ему сразу же ту форму, которую имеет исходное слово. В наиболее совершенных процессорах реализован принцип гипертекстовой обработки. Гипертекстовая организация подразумевает разделение информации в различных текстах, изображениях, таблицах, прикладных задачах на части и связывание их между собой. Работа пользователя гипертекстовой системы проходит в условиях переходов между этими частями по связям, определенных для каждой из них. Например, в системе Flexis пользователь может по контексту выбрать необходимую связь и перейти к требуемому объекту; объединять в единой среде графические, звуковые и специальные объекты; подключать внешние программы. Главное достоинство таких систем – опора на единый гипертекстовый формат записи файлов HTML, расширяющий стандартный язык описания документов SGML. Благодаря программам-конверторам и фильтрам HTML, любой документ, созданный в пакетах Microsoft Word, Word Perfect, Frame Maker и др., становится доступным из любой точки сети. Возможности текстовых процессоров не безграничны, особенно, когда речь идет о создании брошюр и книг. В процессе становления книгопечатания деревянные доски с вырезанными буквами, использовавшиеся во времена И. Гуттенберга и И. Федорова, последовательно сменились свинцовым шрифтом и цинковыми офсетными пластинами. По мере роста потребностей в разнообразной печатной продукции, возникло разделение труда автора, издателя, типографа, переплетчика, книготорговца. Старейшая из книгопечатных компьютерных систем TeX была создана Д. Кнутом в конце 70-х годов. Она содержала специальные команды для выделения заголовков, изменения шрифтов, абзацев, вставки рисунков. Кроме того, она предоставляла возможность создания макрокоманд, расширяющих основные команды. Полученный текст компилировался в файл особой структуры, пригодный для просмотра и печати. А в 1985 г. П. Брейнер ввел термин настольная издательская система (DTP - DeskTop Publishing), объединив в одной программе набор и верстку текстов с драйверами печати. Благодаря этому, наметилась тенденция к сокращению капиталовложений в печатное дело, сроков подготовки рукописей к печати, расходов по распространению книг и цен на издание, переработку, дополнение литературы.

66

Современная настольная типография позволяет использовать вычислительную технику на всех стадиях издательского процесса - от набора рукописи до распространения книги. Основное оборудование ее - это компьютер, сканер, лазерный принтер, разрешающая способность которого во многом определяет качество издания. В настольных издательствах используются наиболее мощные процессоры на многоразрядных магистралях; ОЗУ емкостью 64-128 Мбайт и кэш-память на 256 Кбайт и более; накопители со временем доступа до 12 мс, скоростями передачи данных свыше 1-2 Мбайт/с, емкостью от 2 Гбайт, часто - с интерфейсом SCSI; мониторы повышенного разрешения размером 20-21 дюйм. Развитием TeX стала современная система VteX, поддерживающая технологию масштабируемых шрифтов и драйверами, а также ее диалекты LaTeX и AmSTeX. Лидером среди программного обеспечения настольных издательских систем сегодня считаются продукты Ventura Publisher фирмы Xerox, MS Publisher (Microsoft), PageMaker фирмы Aldus, Quarkxpress. Программа Ventura Publisher всегда была фаворитом, благодаря ее возможности работы с большими документами, имеющими жесткую структуру, отчетами, каталогами. Она нумерует параграфы и выделяет рубрики, осуществляет индексацию и реализует вложенные перекрестные ссылки, оформляет колонтитулы и оглавления, поддерживает встроенную графику. Пакет PageMaker, работающий на платформе Macintosh, имитирует рабочий стол, используемый при верстке. В его библиотеках хранятся часто используемые тексты и графические элементы. Панель управления позволяет выполнять форматирование и поворот текста и блоков. Развиты функции быстрого обзора и создания зеркальных отображений, таблицы стилей, средства подверстывания текста, индексирования, уплотнения символов. Quarkxpress же стал "любимцем" высокопрофессиональных дизайнеров и рекламных агентов, издателей цветонасыщенных журналов и проспектов. Большой мощностью обладает, также, система 3B2. Среди средств автоматизированной верстки выделяются пакеты Pages компании Pages Software и Express Publisher фирмы Power Up Software для IBM PC, Aldus Personal Press для Macintosh, Photostyler фирмы Aldus, Designer компании Micrografx, Infopublisher фирмы Page Ahead Software.

67

4.1.3. Средства компьютерного учета

Недостойно одаренному человеку тратить, подобно рабу, часы на вычисления, которые, безусловно, можно было бы доверить любому, если бы при этом применить машину. В. Лейбниц С и с т е м ы уп р а в л е н и я д о к ум е н т а м и В России традиции ведения документов восходят к началу 19 века, когда М.М. Сперанским были сформулированы требования к дело-производству в государственных учреждениях и появилось документоведение – наука о закономерностях делопроизводства и его влиянии на управление. Для автоматизации современной обработки и хранения документов используются офисные системы, системы управления базами данных, поиска и анализа текстов, сканирования и распознавания информации, электронные архивы и средства поддержки документооборота. В общей сложности, около 20% средств компьютерного учета составляют экономические (бухгалтерские и финансовые) пакеты, около 15% - средства складского учета, остальное посвящено делопроизводству, строительству и архитектуре, коммуникациям и разного рода тестовым и профилактическим программам. Простейшие прикладные документальные системы ориентированы на индивидуальных пользователей и организуются на основе персональных менеджеров информации (DIM – Desktop Information Manager) типа Lotus Organizer и Outlook в составе Microsoft Office. Они управляют электронной почтой, календарем, записной книжкой, планом мероприятий, файлами данных, системной информацией, памятками, маршрутизацией, дневником. Более сложные комплексные профес-сиональные системы управления документами (DMS) состоят из системы маршрутизации документов (WorkFlow DMS), системы управления базами полнотекстовых документов и реляционных баз данных. Примером системы маршрутизации является пакет StaffWare одноименной английской фирмы. За счет развитых графических и алгоритмических средств он позволяет разрабатывать до 1000 процедур документооборота, включающих до 500 активных пользователей. Каждая процедура представляет разветвленную структуру маршрутов прохождения документов-форм. В ходе обработки документы перемещаются между отдельными подразделениями организации – канцелярией, отделом кадров, бухгалтерией и т.д. Системы управления полнотекстовыми базами данных фирмы ABBYY позволяют хранить, искать и просматривать документы в виде текстовых, графических, звуковых и видеофайлов в гипертекстовой среде. Исходные бумажные документы сканируются и впоследствии находятся в системе в виде графических файлов. С помощью программ распознавания текста GineaForm

68

и FineReader они могут преобразовываться в текстовые форматы. Система принимает и отправляет сообщения с факс-модемов, оцифровывает телефонограммы в звуковые форматы, обеспечивает просмотр видеофайлов. Она же заполняет регистрационные карточки входящей и исходящей документации, с помощью среды WAIS строит индексы и осуществляет поиск в архиве документов. К другим комплексным системам управления документооборотом относятся LinkWork, Visual WorkFlow, WorkFlow Manager. Ф и н а н с о в ы й уч е т Экономическая группа содержит сотни бухгалтерских программ для крупных, средних и малых предприятий и физических лиц. В 1996 г. на автоматизированные системы бухгалтерского учета и связанные с ними услуги в мире было израсходовано свыше 3.5 млрд долларов. На их производстве специализируется несколько сотен фирм и еще порядка 2000 организаций заняты в сфере их обслуживания. Лидерами здесь выступают 1С:Бухгалтерия фирмы 1С и Инфо-Бухгалтер (Инфо-Бухгалтер), Финансы без проблем (Ханнерс-дизайн), Турбобухгалтер (Диц) для малого и среднего бизнеса, Ипотек-Бухгалтер (Ипотек) и другие продукты для крупных предприятий, поставляемые фирмами Инфософт, RStyle, Ай-Ти. В наиболее полной комплектации бухгалтерская система состоит из модуля настройки (планы счетов, ставки налогов, остатки, курсы валют), журнала бухгалтерских проверок (курсовые разницы, начисления зарплаты, движение материальных ценностей, учет активов), журнала учета основных средств (начисления износа основных средств, НДС, переоценки), модуля начисления зарплаты (учет налогов, дополнительные начисления и удержания, учет кадров, договора подряда, расчет зарплаты, расчет коэффициентов участия, выходные документы), модуля учета товаров и материальных ценностей (поступление, резервирование, перемещение, реализация, ценообразование), модуля расчета итогов за отчетные периоды с разбивкой по датам, дебиторам и кредиторам, договорам и наименованиям документов, суботчетам и хозяйственным операциям, генераторов отчетов по внутреннему финансовому анализу, налогам и пр., модуля валютного отчета (базы данных по курсам, курсовой разнице, хозяйственным операциям в валюте, валютному складу и кассе). Только в России около полумиллиона организаций и предприятий используют такие системы. строятся на базе Автоматизированные банковские системы профессиональных распределенных средств Btrieve, Oracle, Sybase, Infomix, SQL Server, Progress. Лидерами здесь являются фирмы R-Style и Diasoft с программами RS-Bank и Diasoft-Bank. Информационное оснащение среднего банка стоит примерно 35000 долларов, причем 10-15% его составляет оборудование, 60-70% программное обеспечение, 20-25% - обучение персонала и гарантийное обслуживание. Основной тенденцией здесь является расширение банковских сетей самообслуживания. Более 0.5 млрд. платежных и информационных терминалов предоставляют сегодня большое количество услуг клиентам: выдают наличные

69

деньги, принимают вклады, переводят деньги на счета, производят платежные операции. Банковские автоматы соединены с банковскими компьютерами непосредственно или по телефонным каналам и, работая в режиме on-line, обрабатывают кредитные, дебитные и микропроцессорные пластиковые карточки (смарт-карты). И н ф о р м а ц и о н н о е о б е с п е ч е н и е уп р а в л е н и я Программы управления кадрами представляют такие продукты, как Управление Персоналом фирмы АиТ, а складские программы - Win-Склад (Фолио). В среде делопроизводства распространены системы подготовки документов Бланк-Договор (СВМ), Договоры (Тит-Бит), Деловые Бумаги (ВМИ). Петербургским вычислительным центром Жилищное хозяйство созданы автоматизированная система общегородские информационные системы: Квартплата обработки платежей за жилье и коммунальные услуги, Паспортная служба для автоматизации паспортных столов, Диспетчер для мониторинга отклонений и аварий в инженерных коммуникациях, Аренда для расчетов с арендаторами нежилых помещений, графическая муниципальная геоинформационная система городского хозяйства. Компьютерная система управления при чрезвычайных ситуациях CAMEO (Computer Aided Management of Emergency Operations) создана Агентством по охране окружающей среды США (US EPA). Эта государственная программа оперативно снабжает муниципальные и верховные органы информацией, необходимой для предотвращения и ликвидации последствий выбросов опасных веществ и стихийных бедствий. Она используется в 2000 организаций страны, включая полицию, пожарную охрану, подразделения быстрого реагирования, химические предприятия, школы, университеты. CAMEO эксплуатируется в десятках стран и имеет официальную поддержку ООН. База данных системы содержит сведения примерно о 3500 видах опасных веществ и средствах оказания первой помощи. Все расчеты в ней проводятся на основе математических моделей распределения веществ в атмосфере, воздушных коридорах и водных артериях и данных о рельефе местности. Т а б л и ч н ы е п ро ц е с с о ры Значительный объем учета выполняется в табличных процессорах. Табличным процессором называется программная система для учета информации, в первую очередь числовой. Ее интерфейс пользователя в виде прямоугольной сетки, образованной пересечением столбцов A, B,..., Z, AA, AB,..., IV со строками 1, 2,...65536, называют электронной таблицей. В ячейках такой таблицы размещаются числа, символьные строки, формулы, графические объекты и диаграммы. Электронная таблица отображает исходные данные и результаты вычислений. Формулы же находятся как бы под интерфейсом “внутри” электронной таблицы и невидимы для пользователя. Чтобы ознакомиться с формулой, ввести или отредактировать ее, следует выделить нужную ячейку, и тогда над заголовками столбцов в специальной строке формул будет выведено

70

содержимое ячейки. Всякое изменение данных ведет к автоматическому изменению значений в других ячейках, зависящих от редактируемой. Строка состояния в нижней области интерфейса содержит информацию о текущем состоянии программы, а главное меню в верхней части экрана отражает функциональные возможности табличного процессора. После обращения к любому из пунктов главного меню раскрывается ниспадающее меню, которое, в свою очередь, может быть дополнено диалоговым окном или вызывает конкретную команду. Чрезвычайно простой язык программирования табличных процессоров реализует традиционные математические и логические операции, вычислительные и строковые функции. В качестве аргументов функций и операндов в формулах выступают числа и ссылки на адреса ячеек. Благодаря этому, каждая электронная таблица обычно формируется пользователем в зависимости от его потребностей, а не программируется профессиональным программистом заранее. Ей можно придать упорядоченную структуру с четким разделением полей и записей. В то же время, ее можно использовать и как рабочую тетрадь с разбросанными в случайном порядке формулами, текстами, примерами расчетов, графиками, рисунками. Важной особенностью табличного процессора является отсутствие в его базовом языке управляющих структур, организующих циклические процессы. Поэтому все вычисления выполняются как бы фронтально, наглядно, и все промежуточные результаты доступны пользователю. Способность электронной таблицы немедленно проводить большой объем вычислений при изменении исходных данных во многом определяет успех этого вида программного обеспечения. Она позволяет оценить влияние самых разных факторов на ход и результаты вычислительного процесса и особенно полезна для организации табло и расписаний, выполнения многовариантных расчетов, решения многокритериальных задач, проведения многофакторного эксперимента, анализа чувстви-тельности параметров. Табличные процессоры используются в исследовании линейных, квадратичных, полиномиальных функций, в анализе матриц и решении систем уравнений, в алгоритмах численного интегрирования и в ходе статистической обработки информации. Исходные данные вводятся в формулы не только с клавиатуры, но также с использованием механизма указателей. Этот способ позволяет задавать в качестве операндов адреса ячеек, выбирая их указателем мыши. Жесткий синтаксический и семантический контроль исключает всякое нарушение работоспособности системы при вводе ошибочных данных, хотя интерфейс табличного процессора и не препятствует заданию любой, даже недостоверной и нереальной информации. Пользователь полностью освобожден от контроля типов данных, а их размер отражается только на форме представления информации на экране, но не на результатах обработки. Поэтому расчеты выполняются всегда по реальным формулам, и каждая ошибка в расчетах имеет ясное происхождение и четкий источник. Ввод больших объемов информации невозможен без использования операций копирования и переноса. При переносе формулы все ссылки на ячейки

71

сохраняются. Иначе обстоит дело с копированием, в ходе которого ссылки в формулах смещаются в направлении копирования. Правда, этого можно избежать, используя абсолютную адресацию. Впервые электронная таблица - программа VisiCalc – была разработана Д. Бриклином и Б. Фрэнкстоном в 1979 г. для компьютера Apple 2 и впоследствии перенесена на IBM PC. А сегодня наибольшей популярностью среди табличных процессоров пользуются пакеты Excel компании Microsoft, 1-2-3 фирмы Lotus, Quattro Pro корпорации Borland. Для программ этого поколения характерно: o совмещение с деловой графикой для подготовки профессиональных печатных объектов с иллюстрациями и слайдов; o наличие многих функций текстовых процессоров, сопровождаемых в режиме WYSIWYG; o графический пользовательский интерфейс в стандарте CUA; o наличие средств управления большими электронными книгами (до 65536 строк, 256 столбцов и 256 листов); o импорт из баз данных; возможность создания многомерных моделей и связи таблиц, обилие типов файлов для сохранения результатов; o наличие средств решения систем уравнения, задач линейного программирования и статистической обработки данных. 4.2. Базы данных 4.2.1. Организация данных

Открылась бездна, звезд полна. Звездам числа нет, бездне – дна. М. Ломоносов Множества Первичными в любой теории являются понятия множества и его элементов. Если элемент a принадлежит множеству A, то пишут a ∈ A. Если A содержит n элементов, то пишут A = { a1, a2, …, an }, где a1, a2, …, an - все элементы множества A и ai ≠ aj для i ≠ j. В свою очередь, элементу a ничего не принадлежит. Множество A1 называют подмножеством A и обозначают A1 ⊂ A, если каждый элемент A1 принадлежит A. Два множества A и B считаются равными, если A ⊂ B, где B ⊂ A. Как известно, информатика рассматривает любые множества описываемые языком преобразования данных. Простым примером информационного множества может быть такой: WORLDINFO = { IBM, 1911, Герстнер, Motorola, 1928, Фишер, Intel, 1967, Гроув, Microsoft, 1975, Балмер, Apple, 1975, Джобс }

72

Если {a1, a2} = {a2, a1}, то множество считается не упорядоченным, в противном случае {a1, a2} называют упорядоченным множеством и обозначают парой (a1, a2). Множество, содержащее все возможные пары (a, b) элементов a ∈ A и b ∈ B, называется декартовым произведением A × B. Пусть, например, на множестве WORLDINFO определены входящие в него подмножества: A = { Microsoft, 1975, Балмер }, B = { Apple, 1975, Джобс }. Тогда A × B = {(Microsoft, Apple), ( Microsoft, 1975), ( Microsoft, Джобс), (1975, Apple), (1975, 1975,), (1975, Джобс), (Балмер, Apple), (Балмер, 1975), (Балмер, Джобс)} Относительно элементов a, b,…, входящих во множества A, B,... можно сформулировать некоторые утверждения, или высказывания. Обычно утверждения касаются отношений между элементами множеств. Отношением R из A в B называют любое подмножество из A × B и обозначают (a, b) ∈ R или aRb. В утверждениях, выраженных в отношениях, символ R называют оператором, множество элементов, входящих в A, именуют операндами, A - областью определения отношения, а B – областью значений. Операцию с одним операндом считают унарной операцией (aR, Rb), с двумя – бинарной, с n – n-арной или nместной (aRb1Rb2…). Операции на множествах С точки зрения отношений данные могут быть по-разному организованы. Элементарные отношения между элементами множеств описываются операциями на множествах. К таким операциям относятся объединение ( ! ), пересечение ( " ), дополнение ( ~ ), разность ( - ). Объединением A ! B называется множество, содержащее все элементы из A вместе со всеми элементами из B. Пересечением A " B называется множество, содержащее только элементы, принадлежащие обоим множествам. Дополнением ~ A называется множество тех элементов B, которые не содержатся в A. Разностью A - B называется множество тех элементов A, которые не содержатся в B. Такие операции обычно иллюстрируются диаграммами Д. Венна. Так, операции на определенных выше множествах A и B в WORLDINFO дают следующие результаты: A ! B = { Microsoft, 1975, Балмер, Apple, Джобс }, A " B = { 1975 }, ~A = { IBM, 1911, Герстнер, Motorola, 1928, Фишер, Intel, 1967, Гроув, Apple, Джобс }, A - B = { Microsoft, Балмер } и иллюстрируются следующими диаграммами:

73

Операции объединения и пересечения множеств относятся к классу ассоциативных отношений. Множества, на которых определены такие операции, именуются группами, тогда как множества, элементы которых не вступают в ассоциативные отношения, называют объектами. Каждый объект автономен в том смысле, что он не делит своих элементов с другими объектами и не использует элементы других объектов. Ти п ы и к л а с с ы Различные объекты могут содержать элементы одинаковых типов. Тип - это именованный разряд сходных элементов, подобных по состоянию и поведению. В информатике говорят о типе данных, подразумевая под ним общий физический признак элементов множества, существенный с точки зрения их представления в памяти компьютера в виде данных. Цель описания типа и отнесения данных к определенному типу состоит в том, чтобы зафиксировать размер выделяемой памяти, способ представление данных в памяти и средства их обработки, и тем самым связать множество с реальным компьютером. Тип фиксирует область определения, область допустимых значений элементов множества и область применимых к ним отношений. Примеры типов данных: 1911, 1975 - целые числа (размер памяти 2 байта); Apple, Microsoft - текст (размер 5 - 9 байт).

74

Наличие общих типов элементов способствует образованию систем, то есть организованных множеств, которые характеризуются состояниями, переходами и взаимодействием элементов. Всякая информационная система представляет собой организованное множество. Упорядоченное множество называют организованным, если: o оно состоит из объектов, имеющих идентичные порядки и характеры взаимодействия элементов определенных типов; o оно может без ограничений дополняться объектами с той же организацией элементов; o из него могут удаляться объекты вплоть до полного опустошения множества. Подобно тому, как элементы объекта принадлежат к ограниченному числу типов, объекты организованного множества оформляются в ограниченное число классов. Класс - это именованный разряд сходных объектов, подобных с точки зрения их организации. Класс можно отождествить с составным типом данных, с шаблоном или каркасом объектов, описывающим их компоненты, то есть строение и поведение безотносительно к содержанию. Состав класса характеризуется его структурой. Структура - это статическая схема класса, представляющая порядок элементов в его объектах перечнем полей однотипных, неделимых именованных разделов класса. Взаимодействие элементов класса внутри объектов характеризуется методами. Методы представляют динамическую модель класса, описывая взаимное поведение элементов и их реакции на внешние по отношению к классу события. Пример класса:

Поле Фирма Год основания Президент

Тип данных Текст Целое число Текст

Имя: WORLDINFO. Структура : (см. таблицу) Методы: Создание компьютеров. Логические отношения Утверждения относительно элементов множества, рассматриваемые в контексте их содержания (семантики, смысла) как истинные (1, Да, True) или ложные (0, Нет, False), образуют категорию отношений двоичной логики. Примеры истинных высказываний: Microsoft - фирма, Балмер - президент, примеры ложных: IBM - президент, Фишер - фирма.

75

Двоичная логика оперирует элементарными отношениями с операторами логического умножения, или конъюнкции (И, And, •), логического сложения, или дизъюнкции (ИЛИ, Or, +), отрицания (НЕ, Not, ~), исключающего ИЛИ (Xor, ⊗), эквивалентности (Eqv, ≡), импликации (Imp, →). Самые простые отношения определяются аксиомами двоичной логики: x 1 1 0 0

y 1 0 1 0

x And y 1 0 0 0

x Or y 1 1 1 0

Not x 0 0 1 1

x Xor y 0 1 1 0

x Eqv y 1 0 0 1

x Imp y 1 0 1 1

Наивысший приоритет имеет отрицание, за ним следуют конъюнкция, дизъюнкция, импликация, эквивалентность. Импликативное выражение “x Imp y” часто заменяют терминами “Not x Or y”, “x влечет y”, “если x то y”, “x только тогда, когда y”, “x – достаточное условие для y”, “y – необходимое условие для x”. Приоритет, или предшествование, отношений определяет порядок их выполнения. Математическая логика не ограничивается двоичными отношениями. Широко распространены так называемые многозначные или гибкие логики, оперирующие высказываниями типа «ни истинно, ни ложно», «истинно и ложно» или «неопределенно». В любой математической логике утверждения, содержащие переменные и принимающие в зависимости от них значения истины или лжи, называются предикатами. Отношение R, которое выражает предикат, может быть присуще всем переменным a множества A или только некоторым из них. Принадлежность всем переменным обозначается квантором всеобщности ∀, а принадлежность некоторым переменным – квантором существования ∃: ∀(ai) (R1), ai ∈ A ∃( aj) (R2), aj ∈ A1, A1 ⊂ A Важный класс логических отношений образуют отношения эквивалентности, которые бывают рефлексивными, если aRa для всех a из A; симметричными, если aRb влечет bRa для a и b из A; транзитивными, если aRb и bRc влекут aRc для a, b, c из A. Ф ун к ц и о н а л ь н о е и с ч и с л е н и е К особой категории отношений относятся отображения. Отображением, или функцией, называют отношение зависимости элементов множеств. Если обратиться к множествам A и B, в которых каждому элементу a ∈ A соответствует элемент b ∈ B, то функцию обозначают (a, b) " f или f: A → B. Функциональное отношение элементов множеств строится по правилам функционального

76

исчисления. Однозначное соответствие элементов обозначается b = f(a). Множество A, инициализирующее функцию f, именуется областью определения функции. Оно состоит из аргументов, или параметров. Множество B называется областью значений функции f. Если область определения ограничена логическими константами {1,0}, то соответствующий предикат именуют логической функцией с областью определения n и областью значений 2n, где n - число аргументов. Логические функции являются предметом рассмотрения предложенной Г. Лейбницем и Д. Булем алгебры логики, то есть математической системы, использующей переменные, принимающие значения 0 и 1. В основе ее лежат четырех аксиомы, называемые законами двоичной логики: o Закон тождества: x = x (любое выражение эквивалентно самому себе). o Закон двойного отрицания: x = Not Not x (утверждение эквивалентно его двойному отрицанию). o Закон исключенного третьего: x Or Not x (любое высказывание либо истинно, либо ложно). o Закон противоречия: Not (x And Not x) (высказывание не может быть одновременно и истинным, и ложным). На первичных аксиомах логики строятся другие ее законы: o Ассоциативный закон: (x Or y) Or z = x Or (y Or z) = x Or y Or z; o (x And y) And z = x And (y And z) = x And y And z. o Коммутативный закон: x Or y = y Or x, x And y = y And x. o Дистрибутивный закон: (x And y) Or z = (x And z) Or (y Or z); o x And (y Or z) = (x Or y) And (x And z). o x And 0 = 0; x Or 0 = x. o x Or Not x = 1, x And Not x = 0. Из законов выводятся теоремы алгебры логики: o Not 0 = 1; Not 1 = 0. o x Or 0 = x; x And 1 = x; x Or 1 = 1. o Теорема идемпотентности: x Or x = x, x And x = x. o Теорема поглощения: x Or (x And y) = x, x And (x Or y) = x. o Теорема де Моргана: Not(x Or y) = Not x And y, Not(x And y) = Not x Or Not y. Пример булева выражения, составленного с помощью логических переменных: F(x, y, z) = (x Or Not y) And (x Or z) And Not(y And z). Обычно логические функции задаются таблицами истинности. В частности, в предложенной функции F три аргумента (n = 3), поэтому для построения таблицы следует вычислить значения восьми выражений:

77

x 0 0 0 0 1 1 1 1

y 0 0 1 1 0 0 1 1

z 0 1 0 1 0 1 0 0

x Or Not y 1 1 0 0 1 1 1 1

x Or z 0 1 0 1 1 1 1 1

Not (y And z) 1 1 1 0 1 1 1 0

F(x, y, z) 0 1 0 0 1 1 1 0

В свою очередь, от заданной таблицы истинности можно вернуться к булеву выражению. Для этого элементы строк таблицы, имеющих единичное значение функции, соединяются конъюнкцией, причем нулевые переменные инвертируются и результаты конъюнкции соединяются дизъюнкцией: F(x, y, z) = (Not x And Not y And z) Or (x And Not y And Not z) Or (x And Not y And z) Or (x And y And Not z) Затем производится упрощение полученных выражений на основании аксиом и теорем алгебры логики. В ходе преобразования логические утверждения считаются эквивалентными, если они имеют одинаковые таблицы истинности. Как правило, целью преобразований является приведение логических утверждений к упрощенному или удобному в реализации виду с использованием полного множества логических операторов. В свою очередь, множество операторов считается полным, если любому логическому утверждению можно подобрать эквивалентное утверждение, содержащее только операторы из этого множества. Полными являются множества {And, Not}, {Or, Not}. Примеры преобразований: F = Not x And Not y Or x And Not y Or x And y Or x And z = x Or Not y Or z, F = x And y Or y And z Or Not x And z = x And y Or Not x And z. 4.2.2. Реляционная модель данных

Работа высшего, что есть в человеке – рассудка – сводится к непрерывному ограничению бесконечности, к раздроблению бесконечности на удобные, легко перевариваемые порции. Е. Замятин. «Мы» Модели данных В ходе развития информационных систем были сформулированы принципы организации больших массивов данных: o принцип интеграции данных, в соответствии с которым для хранения информации целесообразно образовывать централизованную динамически обновляемую модель предметной области,

78

o принцип независимости прикладных программ от данных, т.е. отделения логической модели данных от средств управления ими. Удовлетворение этим принципам связано с выделением единого для всех задач блока данных, называемого базой данных и разработкой единой управляющей программы для манипулирования данными, называемой системой управления базами данных - СУБД. Информация базы данных организуется и обрабатывается в накопителях в соответствии с определенными правилами хранения и доступа. Логическая, а часто и физическая автономность данных является первым существенным отличием баз данных от прочего программного обеспечения. Строго оговоренная принадлежность данных к определенным классам и их безусловная типизация отличает базу данных от текстовых и табличных процессоров, а широкая гамма допустимых операций над множествами является важным преимуществом ее перед пакетами прикладных программ и системами программирования. Выделение базы данных как особой части программного обеспечения способствует: o эффективной структуризации информации; o сведению к минимуму повторяющихся данных; o ускорению обработки информации прямо на носителе; o удобству обновления документов; o обеспечению целостности данных; o регулированию прав доступа к информации; o облегчению автоматизации обработки данных и ведения отчетности. Объекты предметной области базы данных называют сущностями и оформляют в базах данных объектами определенной структуры. Отношения между элементами записей характеризуются связями, которые могут быть парными и многомерными. Характер связи определяет модель данных, описывающую предметную область средствами языка, математической и логической символики. Различают иерархическую, сетевую и реляционную модели данных. Иерархическая модель отражает структуру связей между сущностями в виде дерева с узлами, в которых хранятся данные, и ветвями, связывающими их между собой. Узел, в который не входит ни одна ветвь, называется корнем. В свою очередь, любой узел дерева - это в то же время и корень поддерева. Число таких поддеревьев именуется степенью узла. Концевой узел, имеющий нулевую степень, называется листом. Таким образом, объекты, описываемые иерархической моделью, должны удовлетворять определенным ограничениям. Если же эти ограничения убрать, получится сетевая модель, объектами которой являются и записи, и связи между ними. Сетевая модель представлена обширным множеством систем, среди которых наиболее развитой считается стандарт на архитектуру и языковый интерфейс CODASYL (CODaSyL - Conference On Data System Languages). Согласно этому стандарту, между объектами базы данных устанавливаются отношения наследования типа «родитель-потомок»,

79

причем любой компонент может оказаться потомком нескольких «родителей» и наоборот. Связи в базе данных сетевого типа реализуются с использованием системы указателей. Поскольку каждый компонент данных должен содержать ссылки на другие компоненты, такая модель требует значительных ресурсов памяти и высокого быстродействия компьютера. В настоящее время ведутся исследования в области создания объектно-ориентированных сетевых баз данных, финансируемые такими компаниями, как IBM в США, Франгоферовский институт программного обеспечения и системотехники в ФРГ и др. Примером коммерческой сетевой базы данных для персональных компьютеров является DB-Vista (Century Software), а для больших ЭВМ - IDMS. Реляционная модель Идея автоматизированной реляционной, или табличной, организации данных принадлежит польскому математику З.Я.Слонимскому, в 1845 г. удостоенному Демидовской премии Петербургской академии наук за изобретение математической машины, использующей таблицы с определенными правилами считывания. До него многочисленные таблицы арифметические, тригонометрические, логарифмические - были широко распространены в Европе еще в 17-18 веках и применялись в навигации, астрономии, банковском деле, архитектуре. Эти таблицы постоянно дополнялись, перепроверялись, и каждое переиздание их требовало труда множества специалистов и содержало ошибки, неизбежные при ручных расчетах и переписывании. Концепция реляционной модели была разработана Э.Ф. Коддом в 70-х годах нашего века. Таблица представляет собой множество, состоящее из объектов одного класса. Сведения о каждом объекте представляется в таблице в виде отдельной записи, каждый элемент которой размещен в своем поле. Запись, состоящую из элементов одного типа, называют массивом данных, или вектором, кортежем. Символьный массив принято именовать строкой. В свою очередь, таблица однотипных записей представляет собой двухмерный массив, а числовая таблица матрицу. Число полей в таблице характеризует ее степень, число записей мощность, а их произведение - размер таблицы, то есть общее число ее элементов. В приведенном здесь примере степень таблицы равна трем, мощность двум, а размер шести. Фирма Год Президент Microsoft 1975 Балмер Apple 1975 Джобс Сравнительная простота инструментальных средств поддержки реляционной модели является ее достоинством. Но поведение объектов реляционная таблица не описывает, поэтому методы обработки данных относятся к компетенции СУБД, а не базы данных. Отсутствующие функций обработки данных, их анализа и синтеза перекладываются на такие инструменты, как табличные процессоры, графические программы и специализированные пакеты прикладных

80

программ. Однако тем же Э.Ф. Коддом был предложен метод динамической аналитической обработки OLAP (On-Line Analitical Processing), который ускоряет решение указанных задач. Он предполагает многомерное концептуальное представление данных и их прозрачность для пользователя, доступность и высокую производительность в работе. Перспективна и гибридная объектно-реляционная модель, сочетающая способность реляционных баз данных эффективно выполнять обработку небольших объемов информации с возможностями объектноориентированных баз данных поддерживать динамические методы обработки. Нормализация данных Преобразование концептуального представления объектов реального мира в программную реляционную модель называется нормализацией модели данных. Именно в процессе нормализации данные группируются в таблицы, а таблицы - в базу данных. Рассмотрим нормализацию на примере. Пусть требуется описать некоторое множество экспонатов, размещаемых на выставочных стендах различными фирмами. В качестве концептуальной модели экспонатов может выступать план выставки, на котором показано размещение стендов, или ее каталог, представляющий участников. Это может быть рекламный проспект, рассказывающий об экспонатах, либо картотека стран-участниц. Стенд

Экспонат

Страна

100

Компьютеры

США

200

Программы

США

300

Программы

Россия

Но если говорить о программной реализации реляционной модели выставки, то она должна иметь структуру таблицы с уникальными полями и упорядоченными записями, например, такую: ID Стенд

Экспонат

Страна

1

100

Компьютеры

США

2

100

Компьютеры

США

3

200

Программы

США

4

300

Программы

Россия

Когда записи в таблице повторяются, возникают проблемы, связанные с их поиском и систематизацией сведений. Для их разрешения в тех случаях, когда

81

исходная комбинация полей не обеспечивает уникальности записей, в таблицу вводят дополнительное поле идентификатора записи (ID) типа счетчика с неповторяющимися значениями: Поле или группа полей таблицы, содержащая данные, однозначно идентифицирующие каждую запись, называется ключом, или первичным ключом. Благодаря уникальности ключа, в таблице исключается пересечение записей. Именно ключ в первую очередь определяет порядок представления записей пользователю. Он же регулирует расположение, поиск и обработку данных. Так, в первой из таблиц роль ключа может играть поле Стенд, а во второй - поле ID. Для ускорения обработки данных часто используют вторичные ключи, или индексы. Ключ, занимающий одно поле, называют простым ключом. Ключ, образованный группой полей, именуют составным ключом. Поля составного ключа называют частичными (усеченными) ключами. Например, в следующей таблице в качестве составного ключа целесообразно принять группу полей Стенд - Экспонат: Стенд Экспонат Площадь Участник Должность Оклад Фирма Страна 100

Компьютеры

50

Лунин

Дилер

2000

IBM

США

100

Станции

100

Смирнов

Дилер

2000

IBM

США

200

Программы

25

Иванова

Дилер

2000

IBM

США

300

Дисплеи

40

Петров

Продавец

1500

Acer Тайвань

400

Программы

25

Степанов

Продавец

1500

Scan

Россия

400

Дисплеи

40

Скворцов

Продавец

1500

Scan

Россия

Пусть в таблице с полями i, j, k,... имеются записи A1{a1i, a1j, a1k}, A2{a2i, a2j, a2k } такие, что i-е и j-е элементы их связаны между собой однозначной зависимостью a1i → f(a1j), a2i → f(a2j),... В этом случае говорят, что между соответствующими полями таблицы определена зависимость “один к одному” (1:1). В частности, в зависимости 1:1 находятся поля Экспонат и Площадь, Должность и Оклад, Фирма и Страна. Наряду с этим, между полями может существовать зависимость “один ко многим” a1i → f(a1j), a1i → f(a2j),... (например, поля Должность - Участник находятся в отношении 1:2), “много к одному” a1i → f(a1j), a2i → f(a1j),... (например, ряд записей в полях Участник - Стенд находится в отношении 2:1), “много ко многим” a1i → f(a1j), a1i → f(a2i), a2j → f(a1i),... (например, Стенд - Экспонат). Всякое неключевое поле таблицы находится в определенной функциональной зависимости от ключевых полей. Отношение полей называется полной функциональной зависимостью, если содержимое неключевого поля зависит от всего составного ключа. В противном случае речь идет о частичной функциональной зависимости. Если поля i, j, k связаны между собой по схеме ak = f(aj), aj = f(ai), но обратная зависимость отсутствует, то говорят, что i зависит от k

82

транзитивно. В частности, поле Фирма находится в полной функциональной зависимости от составного ключа Стенд - Экспонат, а поле Страна находится в транзитивной зависимости от этого ключа, будучи связанным с ним через поле Фирма. Поле Участник находится в частичной функциональной зависимости от поля Стенд составного ключа, так же, как и поле Должность. Но последнее связано с ним транзитивно через поле Участник. Поле Площадь зависит только от частичного ключа Экспонат. Частичная функциональная зависимость вызывает ряд проблем. Это дублирование данных, которые могут представлять сразу несколько экспонатов. Это и невозможность включения в таблицу участников, не имеющих экспонатов. Или наоборот - необходимость исключения экспонатов в случае отъезда участников. Наличие многозначности усложняет поиск данных и их обработку. Поэтому при проектировании структуры базы данных стремятся к устранению нежелательных функциональных зависимостей между полями и ликвидации дублирования данных посредством нормализации. Нормализация представляет пошаговый обратимый процесс декомпозиции, или разложения, исходной таблицы на другие, более мелкие и простые таблицы. Аппарат нормализации базируется на понятии нормальных форм, каждая из которых по-своему ограничивает типы допустимых функциональных зависимостей. Первой нормальной формой (1НФ) называется реляционная модель данных, значения элементов которой атомарны, все записи отвечают одной и той же структуре и все записи уникальны (нет одинаковых ключей). Рассмотренная выше таблица относится к 1НФ. Стенд Экспонат Участник Должность Оклад 100

Компьютеры

Лунин

Дилер

2000

100

Станции

Смирнов

Дилер

2000

200

Программы

Иванова

Дилер

2000

300

Дисплеи

Петров

Продавец

1500

400

Программы

Степанов

Продавец

1500

400

Дисплеи

Скворцов

Продавец

1500

Посредством нормализации данную модель можно преобразовать ко второй нормальной форме (2НФ). Таблица принадлежит к 2НФ, если в ней отсутствуют частичные функциональные зависимости от полей составного ключа, то есть каждое ее неключевое поле полностью зависит от всего составного ключа. Так, неключевые поля Участник, Должность, Оклад таблицы полностью зависят от первичного ключа Стенд - Экспонат.

83

Стенд

Площадь

Экспонат

Фирма

Страна

100

50

Компьютеры

IBM

США

100

100

Станции

IBM

США

200

25

Программы

IBM

США

300

40

Дисплеи

Acer

Тайвань

400

25

Программы

Scan

Россия

400

40

Дисплеи

Scan

Россия

В то же время, в оставшейся таблице не удается избавиться от частичных функциональных зависимостей: Площадь определяется только полем Экспонат, а поля Фирма, Страна - только полем Стенд. Кроме того, в обеих таблицах попрежнему присутствуют отмеченные ранее транзитивные зависимости. Третья нормальная форма (3НФ) основана на отсутствии транзитивных зависимостей. Дальнейшая нормализация приводит к шести таблицам в 3НФ:

84

Стенд

Экспонат

Участник

100

Компьютеры

Лунин

100

Станции

Смирнов

200

Программы

Иванова

300

Дисплеи

Петров

400

Программы

Степанов

400

Дисплеи

Скворцов

Участник

Должность

Лунин

Дилер

Смирнов

Дилер

Иванова

Дилер

Петров

Продавец

Степанов

Продавец

Стенд Фирма 100

IBM

200

IBM

300

Acer

400

Scan

Экспонат

Площадь

Компьютеры

50

Станции

100

Программы

25

Дисплеи

40

Фирма

Страна

IBM

США

Acer

Тайвань

Scan

Россия

Должность

Оклад

Дилер

2000

Продавец

1500

Возможно и дальнейшее упрощение связей. Нормализация увеличивает число таблиц в базе данных, но часто способствует ускорению доступа к данным и обновления таблиц.

85

4.2.3. Реляционное исчисление

Все существующие на свете понятия могут быть разложены на небольшое число простых понятий, являющихся как бы их алфавитом, и посредством правильного метода из комбинаций букв такого алфавита вновь со временем можно воссоздать связные исходные понятия. В. Лейбниц Реляционное исчисление – это математический аппарат для обработки таблиц. Наиболее просто с помощью реляционного исчисления реализуется операция выборки, то есть выбора записей, удовлетворяющих поставленному условию. Например, результат выборки из первой таблицы по критерию Год > 1950, показан во второй таблице. Фирма IBM Intel Microsoft

Год 1911 1967 1975

Президент Герстнер Гроув Балмер

Фирма Intel Microsoft

Год 1967 1975

Президент Гроув Балмер

Любую таблицу можно спроецировать на некоторые свои поля. Проекция включает требуемую часть полей исходной таблицы без записей-дубликатов, как это следует из следующего примера, в котором во вторую таблицу спроецированы поля Фирма и Президент из первой таблицы. Программа Фирма Президент Таблицы IBM Герстнер Таблицы Intel Гроув Редакторы IBM Герстнер Редакторы Apple Джобс Фирма IBM Intel Apple

86

Президент Герстнер Гроув Джобс

Рассмотрим, далее, операции на множествах записей. Пусть база данных содержит две таблицы с одной структурой. Первая из них описывает множество A, а вторая - B. Фирма Год Президент Microsoft 1975 Балмер Apple 1975 Джобс IBM 1911 Герстнер Intel 1967 Гроув Microsoft 1975 Балмер Результаты операций на множествах - A ! B, A " B, ~A, A - B - приведены в следующих таблицах. Фирма Год Президент IBM 1911 Герстнер Intel 1967 Гроув Microsoft 1975 Балмер Apple 1975 Джобс Фирма Apple IBM Intel

Год 1975 1911 1967

Президент Джобс Герстнер Гроув

Теперь обратимся к операциям, над таблицами с разными структурами. При соединении в суммарном отношении объединяются все поля таблицслагаемых. Одно из полей, общее для них, выбирается в качестве ключевого. При отсутствии общего поля соединение невозможно, а в случае отсутствия идентичных элементов в полях соединенных таблиц, назначенных ключевыми, в итоге соединения образуется таблица нулевого размера. Ниже показаны две новых таблицы и результат их соединения. Фирма Microsoft Apple IBM Фирма IBM Microsoft

Президент Балмер Джобс Герстнер Президент Герстнер Балмер

Год 1911 1975

87

Фирма IBM Intel Microsoft

Год 1911 1967 1975

Декартово произведение двух таблиц представляет собой новую таблицу, число полей которой равна сумме полей таблиц-множителей, а число записей – произведению их записей (см. следующие три таблицы). Фирма IBM Microsoft Apple

Президент Герстнер Балмер Джобс

Программа Таблицы Редакторы Программа Таблицы Таблицы Таблицы Редакторы Редакторы Редакторы

Фирма IBM Microsoft Apple IBM Microsoft Apple

Президент Герстнер Балмер Джобс Герстнер Балмер Джобс

Деление таблиц возможно в том случае, если среди полей делимого есть поля делителя. Частное содержит только те поля делимого, которых нет в делителе, и только те записи, декартовы произведения которых с делителем содержатся в делимом. Например, деление отношений, приведенных в следующих двух таблицах, дает третью таблицу. Программа Фирма Президент Таблицы Motorola Фишер Таблицы Intel Гроув Редакторы IBM Герстнер Редакторы Apple Джобс Программа Таблицы Утилиты Драйверы

88

Фирма Motorola Intel

Президент Фишер Гроув

4.3 СУБД 4.3.1. Управление данными

Порядок и формы нужны для успешного действия. С. Трубецкой СУБД поддерживает две категории субъектов информационного процесса программистов и пользователей. В отличие от ранее рассмотренных офисных систем, она предусматривает четкое разделение функций этих участников информационного процесса: первые первичны, а вторые реализуют лишь предоставленные им возможности в рамках полученных прав доступа к данным. Будучи инструментом пользователя, СУБД обеспечивает: o поддержание данных в актуальном состоянии - их добавление, удаление, изменение, выборку, отображение; o документирование информации; o систематизацию и оперативный поиск данных и имеющихся в них сведений. Все три группы задач решаются в рамках заранее заданной программистом модели данных. Задачи актуализации базируются на концепции экранных форм. Форма - это экранное представление записей базы данных в удобном для пользователя порядке следования элементов с выделением необходимых атрибутов и скрытием несущественных деталей. Через форму можно вводить данные в базу и редактировать их. Основным инструментом документирования информации в СУБД служит отчет. Отчеты представляют собой электронные документы, раскрывающие содержание заданных фрагментов базы данных в виде, готовом к выводу в печать. Систематизация и поиск данных проводятся через копии фрагментов базы. Для этого либо осуществляется фильтрация записей, либо выполняется обращение к базе данных с запросом. Запросы к реляционным базам данных формируются на языках реляционного исчисления, основанных на классических операциях на множествах (объединение, пересечение, дополнение, разность) и исчислении предикатов (проекция, выбор). Язык запросов предоставляет пользователю набор правил или инструмент для формирования вопроса с информацией о желаемом результате. На основании запроса СУБД автоматически выдает ответ посредством

89

генерации новых таблиц, но уже не на носителе, а в памяти компьютера. Язык запросов может быть самостоятельным (автономным) или погруженным в один из универсальных распространенных языков программирования (Си, Паскаль, Фортран и т.п.), называемый в этом случае включающим языком. Статусом стандартного языка управления базами данных обладает сегодня реляционный структурированный процедурный язык SQL (Structured Query Language), разработанный фирмой IBM. В 1986 г. он был принят в качестве стандарта ANSI. Другими стандартами для SQL являются SAG (SQL Access Group), ISO (International Standard Organisation), X/OPEN (Группа стандартов для Unix) и собственно SQL, утвержденный как стандарт IBM System Application Architecture. SQL стандарта ANSI решает различные задачи. Он позволяет выполнять описание данных, запросы, манипулирование ими, управление указателями и транзакциями, администрирование. Команды SQL могут непосредственно вызываться, встраиваться в программные модули и в СУБД. Язык имеет шесть категорий лексем: операторы (в ANSI SQL присутствует порядка 100 операторов для построения операций), предложения (для указания диапазонов значений), модификаторы (для уточнения действий операторов), знаки операций, функции и прочие слова. Весьма популярен и непроцедурный язык запросов на примере QBE (Query By Example), созданный М. Злуфом в фирме IBM в 1977 г. Будучи инструментом программиста, СУБД является средой для проектирования баз данных, проводимого обычно в несколько этапов: o определение сущностей - источников данных и выявление связей между ними; o определение атрибутов сущностей и их поведения; o определение пользователей и разграничение их прав доступа; o создание словаря данных; o разработка представлений данных на экране и носителях информации; o разработка механизмов поиска и систематизации сведений; o документирование информации. Как инструмент проектирования информационных систем, СУБД поддерживает все три известных нам уровня представления данных: концептуальный, логический и физический. Первый определяет структуру базы данных в терминах объектов предметной области и отношений между ними. Второй уровень описывает связи между данными на языке математической логики и алгоритмических языках, а третий управляет обменом и размещением данных на внешних носителях. Для этого СУБД оснащается средствами создания и анализа структуры базы данных с механизмами обработки таблиц и в наиболее полном варианте содержит: o язык программирования прикладных задач обработки данных; o среду программирования, дающую возможность непосредственного управления данными;

90

o средства придания завершенной программе вида готового коммерческого продукта; o программы-утилиты кодирования рутинных операций. 4.3.2. Математическая лингвистика

…Люблю твой строгий, стройный вид. А. Пушкин Языки управления задачами и процессами, связанными с обработкой данных, описываются средствами математической лингвистики. Искусственный язык записи алгоритмов, описания поведения компьютеров и проведения формального анализа данных, называется алгоритмическим языком. На алгоритмических языках строятся выражения, описывающие информационные множества, формирующие утверждения относительно элементов этих множеств, задаются предикаты и последовательности действий, реализуемые средствами вычислительной техники. К языкам применимы все рассмотренные ранее операции на множествах и конкатенация (слияние, сцепление цепочек). К основным разделам математической лингвистики относятся: o семиотика, исследующая свойства символов и символьных систем; o лексика, описывающая словарный состав языка, его лексемы; o синтаксис, изучающий отношения между словами, типы и значения выражений; o грамматика, рассматривающая строй языка, т.е. систему языковых форм и правил словообразования; o семантика, раскрывающая связь знака и значения, т.е. конструкций, имеющих смысл с точки зрения конкретной предметной области; o прагматика, обрабатывающая сообщения в контексте отношений их отправителя и получателя, своеобразная «семантика в действии». Математическая лингвистика оценивает языки рядом качественных показателей: o универсальностью, т.е. единством применения в различных предметных областях; o сложностью синтаксических форм: стилем языковых конструкций, расшифровываемостью, однородностью, диалоговыми возмож-ностями; o семантической силой, выражаемой объемом данных, необходимым для описания объектов: логичностью, мнемоничностью, минимальностью средств; o полнотой, определяющей возможность всестороннего описания объекта; o иерархичностью, т.е. способностью к последовательному описанию процессов - алгоритмичностью; o перспективностью применения и развития: распространенностью, расширяемостью, т.е. возможностью распространения на новые языковые конструкции, реализуемостью языка.

91

В соответствии с этими свойствами различают языки с регулярной грамматикой, проблемно-ориентированные языки и языки программирования высокого уровня. Среди языков с регулярной грамматикой выделяется группа автоматных языков: языков релейных и функциональных схем, логических формул, символических кодов. Первые основаны на соответствии языковых конструкций обозначениям схем цифровой автоматики и релейно-контакторной аппаратуры. Для работы с такими языками используются специальные пульты, с которых оператор последовательно заносит схему в память компьютера. Языки наглядны и удобны в коммутации и настройке промышленного оборудования и бытовой микропроцессорной техники. Более универсальны языки функциональных схем вследствие их абстрагируемости от конкретной практической реализации. Компактнее выглядят системы команд на языках логических формул, но далеко не каждый объект может быть запрограммирован на базе одной только логики. Поэтому чаще встречаются языки символических кодов, в основе которых лежат мнемонические (основанные на значках) обозначения операций и заданий. Описание задач на языках с регулярной грамматикой имеет ряд недостатков. Это прежде всего громоздкость раскрытия сложных алгоритмов, длительность программирования и полная зависимость от особенностей объекта. Специфика объекта хорошо учитывается проблемно-ориентированными языками. В них меньше атрибутов, привязанных к аппаратуре, и они проще в усвоении. Словарь их бывает богатым, цепочки насыщенными и удобными для развития. К проблемно- ориентированным относятся языки графов и языки схем алгоритмов, используемые в документации на лингвистические объекты, а также входные языки интерфейсов пользователя. В языках программирования реализуются процедурный (step-by-step) и непроцедурный (declarative) подходы к представлению информации. Особое место занимают в этой иерархии генераторы кодов, преобразующие непроцедурную последовательность операций в процедурный код. При процедурном подходе программа описывается последовательностями выражений, сгруппированных в процедуры (подпрограммы, функции). В такой программе формат ввода данных, алгоритм обработки, средства формирования диалога определяются программистом. Работая на процедурном языке, программист должен мыслить терминами реальной аппаратуры компьютера. Первым шагом на пути решения любой из процедурных задач и основным условием такого решения является алгоритмизация. Алгоритм – это информационная система с заданными правилами, определяющими последовательность действий для достижения цели. В каждый момент времени, зная текущее состояние системы, ее правила и доступную ей информацию, алгоритм предсказыает множество ее возможных последующих изменений. Алгоритм характеризуется рядом свойств. Понятность применительно к конкретному исполнителю - вычислительной системе, пользователю - означает

92

доступность для него средств реализации алгоритма. Массовость проявляется в независимости алгоритма от входных данных, позволяющей использовать один и тот же алгоритм для решения различных однотипных задач. Например, выражение "выделить ячейку, ввести данные, сохранить файл" представляют собой алгоритм, реализуемый множеством пользователей. В то же время, для каждого алгоритма определено конечное множество объектов, которые допустимы в качестве входных данных. Эти объекты составляют область определения алгоритма, а получаемые результаты характеризуют его область значений. Но и в заданной области определения не всегда удается получить результат. Например, при делении 5 на 3 получается десятичная дробь 1.6666... Эта операция потенциально осуществима, но бесконечна. Алгоритм же должен обладать свойством конечности, т.е. приводить к ответу после выполнения конечного числа шагов. Алгоритм всегда однозначен: при многократном применении его к одному и тому же множеству входных данных он приводит к одному и тому же результату. Наконец, алгоритм характеризуется конечной сложностью, то есть некоторой функцией от числа элементарных шагов и размера памяти для хранения промежуточных результатов. Одно из важнейших понятий теории алгоритмов – рекурсия, под которой в общем случае понимают такой способ организации системы, при котором она в отдельные моменты своего развития, может создавать собственные измененные копии, взаимодействовать с ними и включать их в свою структуру. Множество, определяемое алгоритмом, называется рекурсивным множеством, а функция, реализующая алгоритм – рекурсивной функцией. Существуют функции, которые нельзя задать алгоритмом, поэтому и не все задачи поддаются алгоритмизации. К старинным неалгоритмизуемым задачам относится, например, задача о квадратуре круга (с помощью циркуля и линейки построить квадрат, равновеликий кругу с заданным радиусом). Аналогичную природу имеет задача о трисекции угла (с помощью циркуля и линейки разделить угол на три равные части); задача об удвоении куба (с помощью циркуля и линейки построить куб объемом, вдвое превышающим заданный); доказательство гипотезы о том, что любое четное число равно сумме двух простых чисел. Не алгоритмизируются многие многозадачные процессы, процессы, выполняемые по прерываниям, задачи с бесконечным циклом. Для описания таких задач используется непроцедурный подход, задающий связи и отношения между объектами, часто без определения последовательности действий во времени. Непроцедурный подход рассматривает данные не как предмет программной обработки, а как среду, управляющую решением информационной задачи. Данные управляют программой, определяя алгоритм решения - таково кредо непроцедурного программирования. Непроцедурные программы часто ассоциируют со словарями и таблицами. В основе программы на непроцедурном языке лежит не алгоритм, а проект, в котором перечислены компоненты программы и условия их взаимодействия.

93

Важной стороной непроцедурного подхода является технология управления событиями. Модули управления событиями интерпретируют данные, вводимые с помощью меню, диалога или пиктограмм, и, создавая соответствующий программный код на одном из процедурных языков, освобождают разработчиков от необходимости переписывать повторяющиеся фрагменты программ и позволяют быстро создавать прототипы прикладных систем. Первые непроцедурные языки, такие, как Лисп, были предложены еще на рубеже 60-х годов, но получили свое развитие лишь в 80-х. Основные преимущества непроцедурного стиля программирования, сформулированные Дж. Маккарти, определяются компактностью и ясностью нотации, возможностью управления многозадачными процессами. Непроцедурные подходы делятся на функциональные и логические. Первый базируется на аппарате функционального исчисления и реализован в языке Лисп, а второй опирается на алгебру логики, нечеткую логику и логику предикатов и реализован в языке Пролог. 4.3.3. Языки управления данными

И сошел Бог, и разделил речь на 72 языка… Писание В большинстве современных языков программирования поддерживается как непроцедурный, так и процедурный подходы. Часто используется комбинация процедурных и непроцедурных средств с генераторами кодов. Любой язык, будучи инструментом пользователя и программиста, реализует следующие функции: o работу с файлами базы данных (описание и создание структуры базы данных, открытие и закрытие файлов, отображение структуры на экране и ее модификация, копирование, удаление); o заполнение базы данных (переход между записями, добавление и удаление записей, правка, отображение на экране, ввод записей из других файлов, их печать); o манипулирование записями (логическое удаление и восстановление, физическое удаления, поиск и обновление записей, сортировка, индексация); o использование переменных и массивов данных (объявление и сохранение, добавление к записям, ввод в них данных, формирование с их помощью сообщений, пауз); o выполнение математических, статистических операций, преобразование типов данных, проверка информации и реализация ряда системных операций; o управление выводом на экран и в печать и параметрами экрана и принтера. Различают персональные (“легкие”) и профессиональные (“тяжелые”) СУБД. Популярная персональная реляционная СУБД Access фирмы Microsoft характеризуется тесной интеграцией с другими приложениями этой фирмы. Существенный элемент ее – комплекс специальных драйверов открытого

94

интерфейса ODBC(Open DataBase Connectivity) - обеспечивает связь с реляционными СУБД других производителей. Через этот стандартный интерфейс осуществляется взаимодействие между различными форматами баз данных. ODBC позволяет выполнять запросы сразу к нескольким источникам, обеспечивая доступ к данным во всех форматах, к которым установлены драйверы. Access располагает своим процедурным языком, реализует запросы на примере (QBE) и запросы SQL в сочетании со всеми преимуществами Windows в графике, эффективно работает в сети, а при проектировании форм и отчетов способствует активному использованию графических объектов. Система включает функции обмена данными и обработки файлов, формирования интерфейса пользователя и управления периферийными устройствами. Персональная СУБД DBase фирмы Borland поддерживает языки запросов QBE и SQL, а также включающие языки Си, Паскаль, ассемблеры. В состав языка DBase входит более 300 функций и операторов. Запросы SQL автоматически преобразуются в последовательность команд DBase. К дополнительным средствам языка относятся шаблоны для связи с автоматическим генератором кода, утилиты создания приложений, средства тестирования многопользовательских баз данных в сети и модуль запуска приложений. Язык поддерживает автоматическое сохранение информации, многоуровневую парольную защиту и кодирование данных. Во многом подобен Access язык PAL (Paradox Application Language) фирмы Borland, длительное время удерживавшей лидерство на рынке СУБД для персональных компьютеров В Access программа может существовать в двух формах – исходной и откомпилированной, но распространяется только с интегрированной средой. В отличие от нее, в FoxPro (Microsoft) и Clipper (Computer Associates) готовые программы распространяются в виде исполнительных модулей или динамически загружаемых библиотек. FoxPro имеет быстродействие, на порядок превышающее Paradox и в несколько десятков раз - DBase, а приложения, созданные на FoxPro под MS-DOS, успешно функционируют под Windows. Набор команд и функций, предлагаемых разработчикам программных продуктов в среде FoxPro, по мощи и гибкости отвечает самым современным требованиям к представлению и обработке данных. Он позволяет организовать максимально удобный пользовательский интерфейс, поддерживающий многоуровневые меню, работу с мышью и окнами. Система обеспечивает многоуровневый доступ к файлам, управление цветом, настройку принтеров, генерацию экранных форм и отчетов, поддержку языка SQL и функционирование в сети. К наиболее распространенным профессиональным СУБД относятся Infomix, Ingres, Sybase, Oracle. Реляционная система Ingress для средних и крупных компаний включает средства автоматизации разработки приложений, систему управления знаниями, библиотеку приложений на национальных языках. В СУБД реализована прямая адресация запросов конкретным клиентам с назначением приоритетов, работает

95

контекстное переключение между различными базами данных. Многотомные таблицы позволяют распределять базы данных по различным дискам, хранить в базах не только данные, но и коммутируемые процедуры в виде распределенных объектов с доступом из разных приложений. Оптимизатор запросов Ingress учитывает множество факторов, таких как размер таблиц, тип данных, статистическое распределение данных в таблицах и индексах. При оптимизации все запросы приводятся к нормализованной форме, не зависящей от исходной записи. Специальный механизм правил позволяет программировать обработку ситуаций при включении, обновлении, исключении строк и изменении записей. Более 10 лет представлен на мировом рынке пакет Oracle. Долгое время каждая третья продаваемая в мире СУБД работала под Oracle. Она наиболее часто используется в операционной среде Unix, хотя может работать на множестве других системных платформ. На Oracle разработано значительное число прикладных систем для банков, промышленных предприятий, энергетических объектов, учреждений здравоохранения. Она обеспечивает целостность баз данных при выполнении распределенных запросов, автономию узлов базы и высокую производительность. Система поддерживает открытую архитектуру: в едином приложении ее могут согласованно работать компоненты СУБД различных фирм, файлы операционной системы, аппаратура (промышленные контроллеры, кассовые аппараты). Инструментарий Oracle позволяет создавать графический интерфейс пользователя со сложной логикой обработки данных. Постепенно реляционная СУБД Oracle преобразуется в объектно-ориентированную систему на основе языка SQL++, хранящую данные в виде объектов вместо таблиц. Под управлением СУБД Pick сотни пользователей могут совместно использовать один компьютер. Приложения Pick совместимы с MS-DOS и Unix, благодаря чему около полумиллиона предприятий в мире используют Pick в качестве программного обеспечения административных и экономических систем. Профессиональная СУБД SQL Server (Microsoft) – это еще одна развитая реляционная система, решающая задачи как в режиме непосредственной обработки сложных очередей, так и в качестве поддержки информационных систем принятия решения. Она имеет надежную защиту от несанкционированного доступа и сбоев и обладает широкими возможностями администрирования в режиме удаленного доступа. К числу непроцедурных многопользовательских СУБД относятся продукты фирмы Gupta - одного из мировых лидеров в области профессиональных распределенных СУБД. Эти программные средства установлены более чем в 500 компаниях. Одних только копий SQL Base насчитывается свыше 20 тысяч в разных странах. Неограниченное число ее пользователей работает на платформах MS-DOS, OS/2, NetWare, SUN, Unix. SQL. Gupta поддерживает многозадачность, обеспечивает целостность данных, обрабатывает типы данных любого размера в национальных алфавитах, обладает возможностями оперативной архивации и автоматического восстановления данных после сбоя. Gupta предоставляет

96

разработчикам полностью объектно-ориентированную среду. Она поддерживает DDE и OLE, MDI и множество библиотек. А сетевой набор программных продуктов обеспечивает доступ к данным различных баз данных в сети. Интегрированные системы программирования, включающие генераторы кодов и процедурные языки, называют CASE-инструментами (Computer Aided Software Engineering). В таких комплексах среда проектирования не отделена от прикладной системы. Примером CASE-инструмента является система Oracle CASE. Для создания конкретной прикладной системы, например банковской, проектировщик представляет свои знания о работе конкретного банка в системный словарь. Настройка проектируемой системы на технологию работы банка закладывается уже на первоначальных стадиях проектирования средствами конструктора. При любых изменениях технологии меняется лишь представление знаний в системном словаре. Затем выполняется генерация сразу же готовой системы. Для повышения производительности Oracle CASE оснащена модельюпрототипом системы автоматизации деятельности коммерческого банка. Проектирование по прототипу снижает трудоемкость реализации и модификации системы, гарантирует целостность и непротиворечивость данных, полную документируемость, переносимость, "прозрачность" работы в различных сетевых средах.

5. КОМП ЬЮТЕРНЫ Е СЕТИ 5.1. Локальные и корпоративные вычислительные сети 5.1.1. Типы и топологии

Воистину всякий перед всеми за всех и во всем виноват. Ф. Достоевский Сетью называют информационную систему, обеспечивающую обмен данными между компьютерами по линиям связи. Объединенные в сеть компьютеры получают возможность использования ресурсов, предоставляемых другими компьютерами (процессорами, памятью, накопителями, программами) или устройствами (принтерами, факсами и пр.). Первые сети были созданы на базе разработок Массачусетского технологического института. Становление в 80-х годах сетей на базе устойчивых промышленных стандартов открыло возможность интенсивного использования персональных компьютеров в интегрированных системах связи и обработки информации. К началу 90-х годов в мире насчитывалось около четверти миллионов персональных машин, объединенных в сети. А сегодня в распоряжении одних только пользователей США находится более 3 млн. сетей. В иерархию сетевых технологий входят локальные, корпоративные и глобальные сети.

97

Локальная вычислительная сеть - ЛВС (LAN – Local Area Network) – это система компьютеров и других средств вычислительной техники, объединенных кабелями и сетевой аппаратурой для совместного использования информационных ресурсов в рамках одного или нескольких помещений предприятия или организации. Она способствует o повышению эффективности отдельных компьютеров, благодаря совместному использованию внешних устройств; o повышению надежности системы, так как при отказе одного устройства его функции можно передать другому; o сокращению средств на приобретение и сопровождение новых программных продуктов за счет применения сетевых версий программ; o реализации новых форм взаимодействия пользователей в одном коллективе, например, при работе над общим проектом. Постепенно к локальным сетям добавились корпоративные сети, под которыми понимаются информационные системы, обеспечивающие обмен данными между территориально удаленными подразделениями одной организации. Как правило, это комплексы, построенные с учетом специфики конкретной деятельности предприятия или города с замкнутыми информационными потоками. Такие сети обеспечивают общий доступ к информационным ресурсам организации, оптимальное распределение функций между ними, резервирование. Различают корпоративные сети масштаба предприятия (campus) протяженностью порядка 10 км, а также масштаба города (MAN – Metropolitan Area Network) длиной до 100 км. При большей протяженности говорят о глобальных сетях (WAN - Wide Area Network), на базе которых выполняются телекоммуникации, охватывающие сотни и тысячи километров. Сеть состоит из абонентов и каналов связи. Абоненты могут выступать в качестве передатчиков и приемников информации, клиентов, или рабочих станций, и серверов. Управление сетью выполняют администраторы. В их распоряжении находится информация об абонентах (модели компьютеров, типы процессоров и сетевых адаптеров, объемы памяти, версии сетевых драйверов, емкости дисковых накопителей, папки приложений, перечни программного обеспечения, карты логических устройств и сетевой адресации, схемы физического расположения абонентов, данные об операционной системе и перечень подключенной периферии, сведения о драйверах устройств, список системных ресурсов и информация о сети с планами разводки кабелей, распределительных и оконечных устройств). Геометрическая схема, или топология, сети может быть звездной, кольцевой, шинной. Наличие концентратора в центре первой из них и простота реализации способствуют быстрой локализации неисправностей, легкости расширения и отключения дефектных элементов, что делает звездную схему наиболее привлекательной. Но при выходе концентратора из строя система теряет работоспособность, а большие затраты на линии связи повышают ее стоимость. Наименьшей длины кабеля требует шинная топология. В ней все компьютеры

98

связаны в цепочку с терминаторами, гасящими сигнал на концах. Максимальная теоретически возможная пропускная способность такой схемы составляет 10 Мбит/с. Однако эта сеть выходит из строя при неисправности не только кабеля, но и любого компьютера в сети. Наибольшей же надежностью характеризуется кольцевая схема. Она не имеет концентраторов и терминаторов, но в случае выхода из строя любой из станций сеть тоже может выйти из строя. В сети любой топологии в каждый момент времени обмен данными происходит только между двумя компьютерами одного сегмента. При этом сигналы могут передаваться по многоканальной (broad band) или одноканальной (base band) линиям. Первая передача именуется мультиплексной, вторая может быть дуплексной или полудуплексной. Вопросами разработки стандартов в области сетей занимается ITU (International Telecommunication Union) - специальное агентство при ООН, объединяющее 164 страны во главе с ITTCC (International Telegraph and Telephone Consultative Committee). Для информационных технологий актуальны его рекомендации серий: o V, регламентирующие организацию передачи данных; o X, содержащие спецификации на работу в сетях; o T на передачу текстов (телетекст, факс, видеотекст); o H на форматы оцифровывания звука и видео. В соответствии с этими стандартами, большинство известных в настоящее время сетей работают по принципу коммутируемых пакетов, аналогичному обычной почте. Сообщения снабжаются соответствующими сетевыми адресами приемника и передатчика. Международная организация по стандартизации ISO разработала эталонную модель OSI (Open System Interconnection) взаимодействия систем в сетях. Модель содержит семь уровней, каждый из которых классифицируется своим протоколом, то есть набором спецификаций, определяющих реализацию обмена информацией. Наиболее освоенными являются первые три уровня OSI. Физический уровень устанавливает битовые протоколы передачи данных. Здесь определены электрические, механические, функциональные и процедурные параметры для физической связи в системах - типы разъемов и их распайка, уровни сигналов, скорости передачи. Стандарты этого уровня включают рекомендации V.21, V.22, V.22bis, V.24, V.32, V.32bis, V.34, V.90 ITTCC, EIA RS232, RS449 и X.21. Канальный уровень регламентирует правила оформления передаваемой информации и управления доступом к среде, синхронизации, обнаружения и исправления ошибок. Здесь из сигналов физического уровня формируются последовательности, содержащие заголовки с адресами приемника и источника, код информации и концовки сообщения.

99

Сетевой уровень устанавливает маршруты и адреса связи абонентов. На этом уровне сообщение разбивается на сегменты или пакеты. Информация о маршрутах движения пакетов определяется узлами-маршрутизаторами по таблицам или вычисляются в реальном времени. Протоколы этого уровня помогают также выявлять "заблудившиеся" пакеты и возвращать их отправителю. Наиболее распространенный стандарт этого уровня - рекомендации X.25 для сетей общего пользования. Транспортный уровень обеспечивает взаимодействие удаленных абонентов. Он "отвечает" за доставку данных, компенсируя ошибки, которые могли возникнуть при работе предыдущих уровней. Здесь устанавливаются и разрываются логические соединения, подтверждается прохождение и контролируются потоки данных. Сеансовый уровень поддерживает диалог удаленных процессов. Он управляет паролями, подсчетом платы за ресурсы, синхронизацией и возобновлением связи после сбоев. Здесь запускаются программные процедуры с одного компьютера на другом и возвращаются результаты их работы, устанавливаются и завершаются сеансы связи. Представительский уровень интерпретирует данные и готовит их для следующего уровня. Здесь данные преобразуются в экранный формат или формат печатающего устройства, упаковывается и распаковывается, шифруются и дешифруются. Прикладной уровень предоставляет в распоряжение пользователя переработанную информацию. Он обеспечивает интерфейс с пользователем и взаимодействие прикладных программ в ходе передачи и идентификации паролей. Каждый уровень оперирует своими единицами информации: физический битами, канальный - фреймами или пакетами, сетевой - дейтаграммами, транспортный - сегментами, прикладной - сообщениями. 5.1.2. Аппаратура локальных сетей

- До Вас дошло? - До нас дошло, уважаемая Анюта! Л. Успенский. «Чебурашка» К сетям предъявляются различные требования по скорости передачи информации: o электронной почте достаточно скорости 9,6 Кбит/с; o для программ дистанционного управления с помощью монитора и клавиатуры требуется от 19,2 до 56 Кбит/с; o передача файлов может осуществляться со скоростью от 56 Кбит/с до-10 Мбит/с, то есть больше, чем пропускает стандартный последовательный порт компьютера (115 Кбит/с); o обычная видеоинформация требует 5 Мбит/с;

100

o передача высококачественных графических изображений ведется при скоростях до 200 Мбит/с; o цифровые видеоконференции нуждаются в каналах, рассчитанных на 2201500 Мбит/с. Каналы связи выполняются на базе различных технологий передачи информации: аналоговых и цифровых, причем в локальных сетях преобладают цифровые линии. Наиболее распространенными проводящими средами таких вычислительных сетей служат экранированные и неэкранированные витые проводниковые пары, коаксиальные кабели, оптоволоконные линии. Неэкранированная витая пара (UTP, twisted pair)служит наиболее дешевым соединением. Несущий ее кабель состоит из двух или четырех пар одножильных изолированных проводов в пластиковой оболочке. Для снижения взаимных наводок провода свиты попарно. Цвет, шаг скрутки и диаметр провода нормализованы. Для соединения используется восьмиконтактный разъем RJ-45. Витая пара позволяет передавать информацию со скоростью до 10 Мбит/с, легко наращивается, но плохо защищена от помех. Для повышения помехозащищенности витые пары экранируют (STP), но, в любом случае, уже при скорости 1 Мбит/с длина кабеля не превышает 1 км. Коаксиальный кабель (coax) имеет более высокую цену. Он лучше противостоит помехам. В небольших локальных сетях (8 – 10 станций) машины соединяются тонким коаксиальным кабелем (сheapernet) со стандартными Тобразными BNC-разъемы с позолоченным центральным контактом, соответствующий спецификации RG58A/U. Волновое сопротивление такого кабеля равно 50 Ом. Во избежание возникновения стоячих волн сегменты сети завершаются 50-омными терморезисторами. Работая на скоростях передачи до от 1 до 10 Мбит/с, тонкий коаксиальный кабель соединяет абонентов, разделенных расстояниями 0.3-1 км. Для более мощных линий и более скоростных линий той же протяженности используется толстый коаксиальный кабель, обеспечивающий передачу со скоростью до 500 Мбит/с на расстояния до 10 км.. Он обладает наиболее высокой помехозащищенностью, так как подключение каждого компьютера к нему выполняется через специальный усилитель – трансивер, а отдельные участки объединяются репитерами. Наиболее дороги оптоволоконные кабели (fiber optic), изготавливаемые из оптически прозрачного материала (пластика, стекла, кварца), заключенного в специальные оболочки. Коэффициент преломления их изменяется в диаметре таким образом, чтобы возвращать к центру отклонившийся луч. Скорость распространения информации при этом составляет от 2 до 100 Мбит/с и более, достигая в пределе гигабитного диапазона, допустимое удаление абонентов составляет 40 - 500 км, а внешнее воздействие электромагнитных помех практически не оказывает влияния на качество передачи. Помимо передачи компьютерных данных, оптоволокно можно одновременно использовать для

101

многоканальной телефонии и других целей, повышая тем самым эффективность канала. С ростом расстояний между узлами корпоративных сетей становится целесообразным использование телефонных каналов. Аналоговые телефонные линии обеспечивают передачу данных со скоростью 28,8 Кбит/с. Современные цифровые сети, поддерживающие протокол коммутации пакетов Х.25, работают на предельных скоростях до 2,5 Мбит/с с одновременной передачей информации нескольким абонентам. Телефонные каналы делятся на коммутируемые и арендуемые. В первом случае набором номера программируются коммутаторы временных соединений, обеспечивающие передачу данных на скоростях 2,4, 9,6, 14,4, 19,2, 28,8, 33,600 или 56,5 Кбит/с. В случае аренды каналы связи закрепляются за абонентами на все время аренды, образуя выделенные линии. Существуют, также, виртуальные частные сети, владельцы которых предоставляют коммутируемые линии в момент “снятия трубки”, а в свободное время используют их по своему усмотрению. Кроме того, в сетях применяются системы направленной радиосвязи, в которых цифровая техника позволяет увеличить пропускную способность до 64 Кбит/с. Микросхемы таких фирм, как Texas Instruments, "умудряются" даже заполнять паузы в телефонных разговорах для пересылки оцифрованных отрывков других вызовов. Предельные же скорости 662 – 1000 Мбит/с сегодня достигаются в сетях ATM (Asynchronous Transfer Mode) стандарта IEEE 802.3 и GigabitEthernet (IEEE 802.3z) с асинхронными режимами передачи голосовых и видео сообщений на транспортном уровне OSI. В них одновременно обрабатываются речь и видеоинформация, меж-компьютерные сигналы обмена, файлы. Стандарт распространяется как на телефонные, так и на компьютерные сети, требуя меньше разновидностей оборудования, чем обычные сети, и обеспечивая хорошее управление. Топологические схемы сетей реализуются по стандартам, определяющим способы доступа к каналу передачи данных, форматы пакетов, тип и геометрию кабельной системы. Название стандарта обычно включает название соответствующего подкомитета организации, готовящей стандарт, чаще всего – IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers. Канальный и физический уровни обычно строятся по стандартам Ethernet (IEEE 802.3), Arcnet, Token Ring (IEEE 802.5), FDDI (ANSI X3T9.5). Самая популярная в мировой практике сеть Ethernet имеет шинную или звездную топологию. Ее сетевой адаптер работает в состоянии непрерывного прослушивания сети, передачи или приема данных в пакетах, а в случае возникновения коллизии – в режиме повтора сообщений. Лидирующими поставщиками сетевых адаптеров для таких сетей являются фирмы 3COM, Cisco, CNet, Bay Networks, SMC, Eagle Technology, Intel. Сеть Ethernet обеспечивает скорость передачи информации 10 Мбит/с на расстояниях до 180 м. Специальная технология Full-Duplex Switched Ethernet способствует повышению быстродействия

102

до 20 Мбит/с, а модули Fast Ethernet рассчитаны уже на 100 Мбит/с на расстояниях до двух километров. Ethernet выполняется по стандартам: o 10Base-T (две неэкранированные витые пары в топологии “звезда” протяженностью 100 м с коннекторами RG-45); o 10Base-2 (тонкий коаксиальный кабель в топологии “шина” протяженностью 180 м с коннекторами BNC); o 10Base-5 (толстый коаксиальный кабель в топологии “шина” протяженностью 500 м с коннекторами AUI); o 10Base-F (оптоволокно в топологии “звезда” протяженностью 2000 м с коннекторами ST). o 100Base-TX (две витые пары в топологии “звезда” протяженностью 100 м с коннекторами RG-45); o 100Base-T4 (4 неэкранированные витые пары в топологии “звезда” протяженностью 100 м с коннекторами RG-45); o 10Base-FX (оптоволокно в топологии “звезда” протяженностью 2000 м с коннекторами ST). Вариант Т рекомендуется для зданий, где есть кабельные гнезда и специальные коммутаторы. Авария одного сегмента такой связи прерывает работу только одной станции и легко обнаруживается. Вариант F обеспечивает полную гальваническую изоляцию абонентов, отличается компактностью и малыми габаритами, но сложен и дорог в монтаже. Для стандарта Arcnet (SMC, Thomas Conrad, Pure Data), ориентированного на звездную топологию, скорость передачи информации составляет 2,5 Мбит/с, нормальная длина сети равна 1,5 км и в пределе ограничена 10 км. Если Ethernet по принципу действия напоминает совещание, где каждый высказывается по мере необходимости, то Token Ring фирм IBM, Protean и Olicom основана на кольцевой топологии. Роль «ведущего совещание» здесь исполняет маркер, непрерывно циркулирующий в сети как признак ее незанятости. К свободному маркеру присоединяются данные, адресуемые одному или нескольким абонентам. Замкнутость сети позволяет легко локализовать и устранить нарушения передачи данных, поэтому сеть отличается надежностью. При повреждении абонента кольцо замыкается через запасной путь. Сеть Token Ring обеспечивает большую скорость передачи информации, чем Ethernet (16 Мбит/с), но она вместе с тем и намного дороже, поэтому плохо распространяется в России. Ее применяют для объединения большого числа компьютеров и там, где первоочередным требованием является высокая надежность. За 1995 - 1998 гг. общая протяженность оптоволоконных линий в мире возросла на порядок, превысив 100 млн. км. В связи с этим, постоянно растет число поставщиков сетевых адаптеров FDDI (Fiber Distributed Data Interface). Фирмы DEC, Network Peripherals, Crescendo, Schneider & Koch уже более 10 лет успешно развивают эту перспективную технологию, обеспечивающую передачу данных со скоростью до 100 Мбит/с на расстояния от 14 до 200 км при протяженности одного

103

участка, достигающей 2 км. Конфигурация FDDI представляет собой отказоустойчивое двойное кольцо, работающее на принципе передачи маркера. В нормальном режиме работы для передачи данных используется основное кольцо, а, в случае появления неисправности на одной из станций, резервное кольцо обеспечивает передачу в противоположном направлении. Кроме отмеченных стандартов, все уровни OSI отвечают стандартам SNA или DECNet, с сетевого по прикладной уровни поддерживаются стандартами TCP/IP и NFS, а также внутренними стандартами фирм Novell и Microsoft. Сократить количество подключаемых к сети адаптеров помогают терминальные станции (hub) - интеллектуальные процессоры передачи данных, присоединяющие по схеме “звезда” терминалы, персональные компьютеры, периферию. В частности, для усиления сигналов и увеличения эффективной длины сегмента используются повторители. Как правило, повторители компенсируют потери в коаксиальных кабелях и способствуют их отстройке от помех. Они повышают и надежность сети, создавая условия для оперативного отключения дефектных сегментов. Повторители, выполняющие локальное и дистанционное управление сетью, объединяются в концентраторы. Концентратор – это набор повторителей, с одной стороны подключаемых к оборудованию, а с другой объединенных в общую шину. Число абонентов в сети при этом увеличивается без дополнительных сетевых адаптеров. Поступающий в один из портов концентратора пакет пересылается в другие порты, независимо от того, где находится его приемник. Одновременно, собирая данные о состоянии сети, концентратор посылает администратору диагностические сообщения. Аппаратно-программный блок, обеспечивающий "прозрачное" соединение локальных сетей либо сегментов одной сети, имеющих различные протоколы работы на канальном уровне, называют мостом (bridge). Мостами могут объединяться между собой адаптеры типов Ethernet, Arcnet, Token Ring и другие. С помощью межсетевых шлюзов (gateway) и маршрутизаторов (router) на сетевом уровне связываются между собой неоднородные комплексы, использующие различные операционные системы и протоколы. Они анализируют адреса принимаемых пакетов и формируют адресные базы данных. Таким образом, например, большие ЭВМ подключаются к мини- и микрокомпьютерам. Шлюз согласует скорости передачи данных и используемые коды. Другой класс устройств канального уровня – коммутаторы (switch) – являются, в отличие от мостов, активными устройствами. С большой скоростью они способны не только пересылать по сети поступающие пакеты, но и генерировать свои собственные сигналы для исследования конфигурации и состояния сети.

104

5.1.3. Сетевое программное обеспечение

Программирование - это искусство написания эссе в кристально чистой прозе и превращение их в выполняемые на компьютере. П. Хансен. «Архитектуры параллельных программ» Все программы, работающие в локальных и корпоративных сетях, могут быть отнесены к одной из трех групп: один процессор - один пользователь, один процессор - много пользователей, много процессоров - много пользователей. Продукты первого класса используются в персональных компью-терах индивидуального назначения. Здесь программное обеспечение не управляет доступом к другим машинам и не распределяет их ресурсы между пользователями. Продукты класса один процессор - много пользователей установлены на главном компьютере сети. Обработка данных и управление ресурсами в таком информационном центре осуществляются централизованно, но возможно распределение функций между пользователями, процессорами, терминалами. Примерами такого программного обеспечения служат многопользовательские операционные системы, бухгалтерские и банковские прикладные программы, средства контроля операций. В данном случае речь идет о так называемых сетях с выделенным сервером, причем под сервером (server) понимается комбинация аппаратных и программных средств, которая служит для управления сетевыми ресурсами общего доступа. Различают схемы файл-сервер, клиент-сервер, а также разного рода «тонкие» серверы: факс-сервер, принт-сервер, камера-сервер, CDROM-сервер и т.п. Последние часто выполняют на базе специальных процессоров, например ETRAX. Файл-сервер (FSA - File-Server Architecture) предусматривает наличие в сети выделенного компьютера, который отвечает за коммуникационные связи всех других компьютеров, а также предоставляет им доступ к общим сетевым ресурсам: дисковому пространству, принтерам, межсетевому интерфейсу и т.д., предполагая обмен данными на уровне файлов. Таким образом, файл-сервер практически не использует свой процессор для вычислений, и вся обработка сосредотачивается на рабочих станциях. Если программе требуются данные, размещенные на сервере, они передаются ей по сети. Сетевое программное обеспечение занято только передачей файлов от одного компьютера к другому, не различая, требуется ли вся информация или ее часть. Отбор необходимых для решения задачи данных осуществляется запросившей их прикладной программой. В частном случае возможна перегрузка каналов сети, и тогда решение задачи замедляется в ожидании поступления очередных файлов. Примерами применения такой схемы являются

105

системы электронной обработки факсимильных сообщений, бухгалтерские базы данных, системы управления кадрами и делопроизводством. Напротив, клиент-сервер (CSA - Client-Server Architecture), или сервер приложений, загружен вычислениями. Являясь, также как и файл-сервер, выделенным компьютером, он выполняет одну или несколько задач, запускаемых пользователями со своих рабочих станций. Для него характерно: o использование программируемых вычислительных средств (платформ, объединенных сетью); o функциональное разделение прикладных процессов в рамках вычислительных платформ; o организация связи между процессами с использованием механизма запросов с последующим предоставлением вычислительных ресурсов. В технологии клиент-сервер программы делятся на две части: клиентскую и серверную. Клиент устанавливается на рабочей станции, а сервер - на сетевом сервере. Клиент формирует запрос серверу на требуемые данные, в ответ на который сервер посылает клиенту то, что необходимо. Лишняя информация по каналам связи не передается, поэтому при обслуживании большого числа пользователей общая производительность системы может существенно повышаться по сравнению с системами файл-сервер. Технология клиент-сервер реализуется несколькими способами. В модели так называемого «толстого клиента» серверная часть выполняет главным образом функции доступа к данным, а большинство прикладных вычислений реализует клиентская часть. Иными словами, сервер занимается только выбором данных, их передачей и приемом отчетов от клиентов. В модели «тонкого клиента» значительная часть прикладной обработки данных выполняется непосредственно сервером. Для этого он должен обладать необходимой вычислительной мощностью. В таком программном обеспечении должно быть хорошо проработано разделение функций между серверным и клиентским компонентами применительно ко всем решаемым задачам. В своем предельном варианте структуры на основе модели «тонкого клиента» приводят к полностью централизованной обработке данных на сервере. На рабочие станции в этом случае возлагаются функции терминалов сервера, и по каналам сети терминалам передается необходимый минимум данных. Благодаря этому, на сервере можно устанавливать единственную копию прикладного программного обеспечения для коллективного ее использования. Примером реализации концепции клиент-сервер является информационная система RS-Bank совместного предприятия R-Style. В основе ее лежит менеджер записей, обеспечивающий обработку с высокой надежностью и скоростью, которых нельзя добиться при использовании таких баз, как Clipper, FoxPro, Clarion, Paradox. Система позволяет в режиме реального времени получать текущую информацию единой базы данных с любой рабочей станции, а также мгновенно осуществлять банковские проводки, изменяя эту базу. Все изменения тут же становятся доступными для пользователя любого другого рабочего места, включенного в сеть.

106

Актуальность базы данных крайне важна для банковских систем, оперативное управление которыми требует быстрой оценки ликвидности и рисков, надежной связи с филиалами для осуществления платежей и отслеживания состояния корреспондентских счетов. В любом случае, сервер отличается от рабочих станций высокой производительностью выполняемых операций, повышенной надежностью, удобством модернизации сетевого программного обеспечения. Для архивирования данных в серверах используются стримеры, а видеоадаптеры базируются на скоростной локальной шине. Большое значение здесь имеют блокировки и защиты, касающиеся, например, несанкционированного доступа к клавиатуре, к дисководам. Широко применяются различные системы паролей. Продукты класса «много процессоров - много пользователей» образуют так называемые одноранговые сети (peer-to-peer). Такие сети предоставляют группам от двух до 20 пользователей возможность совместного использования принтеров, накопителей, модемов, а также другие ресурсы без применения выделенного сервера. Они дешевле и проще в обслуживании, но не могут обеспечить должной защиты информации при большом размере сети. Наиболее распространенные сетевые программы долгое время принадлежали фирме Novell. В середине 90-х годов они составляли около 70% мирового рынка и около 90% отечественного рынка компьютерных сетей для 40 млн. пользователей. Семейство программных средств NetWare насчитывает более 100 продуктов, позволяющих создавать и эффективно использовать компьютерные сети практически любого размера и сложности. Сетевые операционные системы NetWare 2.2 (для локальных сетей с маломощным сервером) и NetWare Light обслуживали простые сети под управлением MS-DOS. Система NetWare SFT 3.11 (NetWare System Tolerance Level) была разработана специально для сетей повышенной надежности. Ее выделенный файл-сервер интегрировал компьютеры различной архитектуры и практически все наиболее популярные операционные системы (MS-DOS, Windows, MacOS, Unix), обеспечивая работу в «зеркальном» режиме с «горячим» резервом. Наиболее развитые системы NetWare 4 и NetWare 5 предназначены для многосерверных сетей масштаба предприятия и сложных территориально-распределенных сетей. Их иерархическая структура сетевых объектов, не зависящая от количества файл-серверов, обеспечивает автоматический перенос редко используемых данных с жестких дисков на более медленные носители большой емкости, сжатие данных, обслуживание до 1000 пользователей. 32-разрядная сетевая операционная система UnixWare, разработанная Univell - совместным предприятием Novell и Unix System Laboratories, входящей в состав компании AT&T,- основана на базе Unix System 5. Она поставляется в однопользовательской многозадачной версии UnixWare Personal Edition, многопользовательской многозадачной версии UnixWare Application Server или в виде набора средств разработки приложений. Коммуникационные продукты Novell NetWare Access Services и LanAnaliser For Windows облегчают доступ к данным в

107

сетях Ethernet и Token Ring; Global Mhs является сервером почт, а Man Links объединяет удаленные сети. Известными представителями одноранговых сетей являются NetWare Light и Windows For Workgroups (Microsoft) для локальных сетей, а также Vines фирмы Banyan Systems для разнородных сетей масштаба предприятия. Около половины мирового производства одноранговых сетей в начале 90-х годов приходилось на Artisoft. Ее Lantastic использует всего 40 Кбайт ОЗУ на сервере и 13 Кбайт на рабочей станции. При этом каждый компьютер может функционировать и как сервер, и как рабочая станция, причем в привычной для пользователя среде MSDOS или Windows и любой топологии. До выдвижения продуктов Microsoft система применялась при создании небольших локальных офисных сетей на 3-5 компьютеров, в сетях средней мощности на 10-30 компьютеров и в сетях масштаба предприятия (50-100 компьютеров). Операционная система Windows NT работает на платформах Intel, RISC, PowerPC, Alpha, обеспечивая совместимость со многими 32-разрядными системами с памятью от 16 Мбайт до 4 Гбайт. Системой реализуется многопоточная многозадачность. Каждый пользователь Windows NT имеет свое имя, пароль, полномочия (уровни доступа) и права (возможности выполнения операций и регистрации). Права и полномочия регламентируются рабочими группами администраторов и пользователей. В рабочих группах ведутся свои базы учетных записей и пользователей и проводится своя политика защиты. Рабочая группа с централизованным управлением защитой и ведущим компьютером именуется доменом. В доменах присутствуют свои администраторы и свои контроллеры на серверах. Между доменами могут устанавливаться «доверительные отношения». Информация о конфигурации Windows NT централизована в системном реестре, а ее часть, относящаяся к конкретному пользователю, называется профилем пользователя и управляется с сервера. Сервер системы ведет три журнала событий: системный (system.log), прикладной (app.log) и защитный (sequrity.log). Файловая система Windows NT называется NTFS и осуществляет: o автоматическую сортировку каталогов; o длинные имена файлов с учетом регистра в стандарте Unicode; o задание полномочий для файлов и папок; o множественное ветвление («подфайлы»); o быстрое обращение к файлам большого размера и произвольного доступа; o совместимость с другими операционными системами; o экономичное использование дискового пространства. Управление рабочими группами, доменами и файлами выполняют системные администраторы Windows NT. Они создают учетные данные пользователей и доменов, устанавливают пароли и создают группы.

108

5.2. Электронные коммуникации 5.2.1. Телекоммуникации и глобальные сети

«Новость - вот самая дорогая из всех вещей» Овидий. Начала истории телекоммуникаций можно отнести к 1832 году, когда петербургский ученый, изобретатель и дипломат П.Л. Шиллинг построил первую систему электромагнитного телеграфа. В развитие его, Б.С. Якоби в 1839 г. связал телеграфной линией Зимний дворец с Главным штабом, в 1843 г. разработал синхронно-синфазный стрелочный приемный аппарат, а в 1850 г. – буквопечатающий аппарат. В 1853 г. Главная телеграфная мастерская торгового дома Siemens начала свою деятельность в России с прокладки первой в мире морской кабельной линии между Санкт-Петербургом и Кронштадтом, а в 1855 г. вступила в строй телеграфная линия Санкт-Петербург - Москва. Вслед за ней были проложены линии Санкт-Петербург - Варшава, Москва - Киев - Одесса. В те же годы американский изобретатель и художник С. Морзе внедрил в практику свои телеграфные аппараты и создал знаменитую «азбуку» кодирования букв, цифр и знаков. В 1866 г. итальянским профессором физики Д. Каселли был предложен «pantelegraph» для передачи копий текстов и чертежей. Долгое время он использовался в системе связи Парижа с Лионом, став прототипом современных факсов. В 1876 г. А. Белл получил патент на телефон, а первый телефонный разговор в России состоялся в 1879 г. между Санкт-Петербургом и Малой Вишерой. Финалом развития телекоммуникаций в XIX в. стал 1895 г., когда А.С. Попов провел первую публичную демонстрацию изобретенного им радио. Сегодня пересылкой текстовой, графической, речевой, факси-мильной, видеоинформации занимаются вычислительные системы глобальных сетей и телефонных каналов. В США связь обеспечивает не менее 10%, а во всем мире около 2% национального дохода в результате экономии времени и материальных ресурсов. В 1997 г. объем инвестиций в телекоммуникации России достиг 800 млн. долларов, а в мире он составил 800 млрд. долларов. В 1998 г. было разослано около трех триллионов электронных сообщений, что в пять раз превышает количество бумажной корреспонденции, отправленной обычной почтой. К телекоммуникационным средствам в первую очередь относятся обычные и сотовые беспроводные радиотелефонные сети. Основное их применение за рубежом связано с внутренними помещениями складов, супермаркетов, ангаров, так как по сравнению с кабельной сетью здесь обеспечивается мобильность при движении узлов системы. Что касается стоимости передачи данных в таких решениях, то даже с учетом оборудования она получается на порядок ниже кабельной. Протоколы обмена в сетях и технические требования к ним регламентированы рекомендациями Международной группы фирм-операторов сотовых сетей связи CDPD (Cellular Digital Packet Data). Построенные на их базе

109

системы глобального позиционирования позволяют, ориентируясь по спутникам, определить местонахождение и маршруты движения автомобилей, вагонов, судов, летательных аппаратов. Россия отличается слабой инфраструктурой телекоммуникаций по сравнению с Западом. В частности, обеспеченность телефонной связью в Москве составляет порядка 95%, однако по стране в целом она едва превышает 30% (20 телефонов на 100 жителей, тогда как в США – 64 аппарата). В то же время, если во всем мире наблюдается падение стоимости телекоммуникационных услуг, то в России она долгие годы не меняется, в несколько раз превышая уровень мировых цен. Кроме того, здесь еще мало применяются мобильные внутренние радиосети. Но в условиях неразвитости дальних кабельных сетей эта технология успешно используется для стационарной связи территориально распределенных объектов, в частности, фирмами Delta-Telecom, AMT. Информация в других телекоммуникациях передается с помощью встроенных и внешних модемов - одноплатных ЭВМ, связывающих передающий и приемный аппараты или компьютеры с телефонной линией. Встроенные модемы, как правило, сильнее подвержены влиянию помех и менее устойчивы в работе, но они не занимают места на рабочем столе, получают питание по шине компьютера и некоторые из них хранят данные при выключении питания. Первой и основной характеристикой модема является скорость передачи. Не менее важны и поддерживаемые им протоколы: V.22bis и V.42 (2,4 Кбит/с), V.29, V.32, Express 96 (Hayes H96) и V.42bis (9,6 Кбит/с), V.32bis и HST (14,4 Кбит/с), PEP (18,8 Кбит/с) и другие. Модемы могут работать в синхронном и асинхронном режимах, причем основным является дуплексный или полудуплексный асинхронный режим. Модемы широко используются в глобальных компьютерных сетях. В настоящее время в мире действует огромное количество таких сетей. Сеть Relcom (Reliable Communication) официально зарегистри-рована в качестве интернациональной сети СНГ. Сеть располагает более чем 200 узловыми компьютерными системами с доменами верхнего уровня в Эстонии, Грузии, Литве, Латвии, Украине. Ее программное обеспечение позволяет использовать компьютеры IBM PC, Macintosh, VAX, PDP. Сеть Arpanet (Advanced Research Projects Agency Network) была создана в 1969 году Управлением перспективных исследований Министерства обороны США как экспериментальная сеть с коммутацией пакетов. В 1982 году Arpanet была объединена с другими сетями и стала частью Интернет вместе с Milnet, CSnet (Computer Science Network), NSFnet, и ее услугами пользуются правительственные научно-исследовательские организации. В свою очередь, сеть национального Научного фонда США NSFnet (National Science Fund Network) объединяет более 1000 исследовательских институтов, корпораций и правительственных учреждений, позволяя осуществить доступ к мощным ресурсам крупнейших вычислительных центров США и предоставляя ряд других услуг.

110

Bitnet (Because It's Time to Networking) разработана в 1981 году Университетом Нью-Йорка и Йельским Университетом. Она объединяет компьютеры в странах Европы, а также в США, Канаде, Мексике, в Японии, Израиле, Чили, на Тайване и в Сингапуре. Состоит из собственно Bitnet (сети, объединяющей США и Мексику), NetNorth (Канада), и EARN (Европа). Узлы сети в Bitnet связываются между собой по специально выделенным линиям, в результате чего маршрутизация сообщений носит строго фиксированный характер. Ее программное обеспечение базируется на идее передачи образов перфокарт. Bitnet финансируется пра-вительством и поэтому, в отличие от других сетей, в ней не взимается плата за передаваемый объем информации. EARN (European Academic Research Network), связанная непосредственно с сетью Bitnet, объединяет более 400 научных и исследовательских институтов. Она находится на самофинансировании и осуществляет связь по выделенным линиям. Основой для коммуникаций дальней связи служит и Международная научная сеть с пропускной способностью от 9.6 Кбит/с до 2 Мбит/с. В частности, связь между европейскими научными сетями реализуется через ее базовую ветвь EMPB (European MultiProtocol Backbone) с пропускной способностью 2 Мбит/с. Европейский сетевой консорциум EUnet (European Unix Network) объединяет глобальные сети различной ориентации большинства государств Европы и Северной Африки. EUnet начала работу в 1982 году под эгидой Европейской группы пользователей Unix (EUUG) как европейский сегмент глобальной сети UUCP. Большинство узловых компьютеров EUnet работают под операционной системой Unix. Крупнейшая коммерческая сеть CompuServe предоставляет клиентам, помимо электронной почты, возможности участия в телеконференциях, работы с банками данных, пересылки файлов. Среди других глобальных сетей выделяются Fidonet, SprintNet, Sovam Teleport. В частности, Московский и Петербургский узлы глобальной сети Sovam включены в двойное кольцо. Опоясывая земной шар, оно связывающее их с аналогичными узлами в Копенгагене, Лондоне, Северной Америке, Азии, Тихоокеанском регионе. Создаются сети интегрирующего типа, объединяющие различное сетевое аппаратное обеспечение и разнородные проводящие среды и обеспечивающие тем самым наиболее эффективное решение проблемы связи. Пример тому - детище фирмы AT&T - технология виртуальных частных сетей (SDN - Software Defined Network). 5.2.2. Сервисы глобальных сетей

«Стучите - и отверзнется» Евангелие Самым распространенным телекоммуникационным сервисом является электронный телефакс, позволяющий абонентам посылать и получать сообщения в графическом формате. Только в США каждый четвертый телефонный звонок

111

связан с отправкой факса. Телефаксные аппараты могут работать как обычные телефоны: многие из них обладают памятью на несколько номеров, скоростным набором номеров, автоответчиком, автодозвоном, развитым компьютерным интерфейсом. В процессе передачи сообщения сканирующая головка, последовательно проходя по листу бумаги, считывает каждую точку передаваемого документа. Затем массив информации уплотняется и передается в модем. В начале передачи в сеть отправляется сообщение о методе кодирования, скорости передачи, телефонном номере передающего аппарата и другие служебные данные. Часть из них позже выдается в виде «квитанции о приеме». В приемном факсимильном аппарате сигнал дешифрируется, и воссоздается исходное изображение. Основные характеристики телефаксов: o разрешающая способность (от 100 х 100 до 400 х 400 точек на дюйм; обычно 200 х 100); o скорость приема-передачи (обычно 14400, 12000, 9600, 7200, 4800, 2400, 1200 бит/с); верхнее значение ограничено частотными характеристиками линии и в военно-космических системах достигает десятков мегабит в секунду, а в аналоговой телефонной сети принята скорость 2400 бит/с); o цветовая шкала (обычно от 16 до 64 оттенков серого цвета); o печатающее устройство (обычно струйное, лазерное, матричное или термопечатающее). Наибольшее распространение получили аппараты фирм Matsushita, Canon и Rank & Xerox. Роль телефаксных аппаратов часто выполняется компьютерами, оснащенными факс-модемами. Компьютерная факсимильная связь стала элементом повседневного общения. С ней отпадает необходимость в распечатке писем, устраняются ожидание, ручной набор номера, упрощается отправка циркуляров, серийных сообщений, достигается высокое качество документа, удобно внесение в тексты схем, подписей, шрифтов, формул. Ряд модемов выполняет функции приема и отправки факсов, информируя центральный процессор компьютера лишь о результатах обмена. Среди программного обеспечения факс-модемов выделяется CC:Fax фирмы Lotus, имеющий модули просмотра и масштабирования, манипуляции сообщениями и рассылки по спискам, средства сохранения тайны переписки. Другой пакет - Eclipse Fax компании Phoenix Technologies - оснащен системой распознавания символов и переводит факс-сообщения в код ASCII или в другие форматы текстовых процессоров, поворачивает изображения, снабжает сообщения аннотациями, делает на них пометки, очищает изображения от различных полос и пятен. На обмен текстовыми сообщениями рассчитан такой сервис, как электронная почта (e-mail), обеспечивающая формирование, редакти-рование и доставку корреспонденции. Только в России 1997 г. услугами электронной почты пользовались более 600000 человек. Функциональными элементами электронной почты являются “клиенты” (программы и компьютеры), почтовые отделения (базы

112

данных, хранящие сообщения в «почтовых ящиках» или в очереди для посылки в другие почтовые отделения), каталоги баз данных, содержащие адреса пользователей, а также средства управления почтой (почтовые серверы). Оборудование электронных почт состоит из компьютеров, модемов, линий связи. Программными средствами осуществляются промежуточные преобразования и доставка сообщений, их коммутация и хранение. Доступ к службам электронной почты основан на протоколе отправки SMTP и протоколе приема POP3. Кроме того, в электронной почте используются PPP-протокол и более старый - SLIP. Он определяет, как связать “сервер” с “клиентом” по телефонному каналу для передачи информации по протоколу TCP/IP, принятому в Интернет и Интранет. Передача сообщений регламентируется коммуникационными протоколами SNADS(IBM)и MHS (Novell). В США самым распространенным является протокол Х.400. Чтобы согласовать требования разнотипных протоколов передачи сообщений между локальными сетями и вычислительными системами с различной архитектурой, на аппаратном уровне применяются шлюзы, а на программном - интерфейсы прикладных программ (API) типа MAPI (Microsoft) и Oce (Apple). Стандарт оформления электронного письма предполагает, что оно представляется в текстовой форме в кодах ASCII и передается в пакетном режиме, реализуемом сетями с коммутацией пакетов. Для создания и правки писем используются редакторы почтовых сообщений, обеспечивающие работу с «почтовым ящиком» как архивом, ведение и использование собственных архивов писем и адресных справочников, включение в письма содержимого двоичных файлов, деление их на части и подготовку к отправке. Поскольку самый дорогой ресурс в этой системе – это каналы связи, электронная почта обычно хранится в “почтовом ящике” приемника до запроса ее абонентом. Самый экономичный протокол для этого – UUPC – успешно работает на многих компьютерах в среде MS-DOS. Mеждународная сеть электронной почты Uucpnet систем, работающих под Unix, использует протокол UUCP (Unix-to-Unix Copy). Единая почтовая адресация абонентов электронной почты имеет формат: User@Computer .Organization .City .Country, где User - это сетевое имя пользователя, Computer – имя компьютера-домена, Organization - код организации, City - код города, Country - код страны. К числу известных систем электронной почты относятся Mail (Microsoft), MHS (Novell), а также MCI Mail, Profs, Ezlink, Telelink, Unix Mail/UUCP, NMail. Как правило, все они объединяют пользователей в системах MS-DOS, Windows, OS/2, Apple System, Unix. Примером программного обеспечения электронной почты является CC:Mail фирмы Lotus. Оно распределяет задания по рабочим станциям, хранит копии сообщений в центральной базе данных (почтовом отделении), принимает сообщения с уведомлением получателя. CC:Mail позволяет выбрать адрес из почтового каталога, дает возможность пользователю посылать различные фрагменты сообщений: тексты, графики, факсимиле, файлы, снимки с экрана, выделять слова или фразы, печатать сообщения, заносить их в файл, архивировать, составлять диагностические отчеты о текущем состоянии базы данных. Другая

113

система передачи сообщений - EMS (Enterprise Massaging Server) Microsoft поддерживает активный интеллектуальный диалог между узлами-клиентами и сервером, а также предлагает пользователям гибкие средства настройки почтовых сетей и управления ими. Быстро развивается беспроводная электронная почта, поддерживающая пакеты данных и радиопротоколы специальными модемами. Скорость доставки письма подобной системой в любую точку планеты не превышает 10 секунд. Телеконференции - еще одна разновидность телекоммуникаций. Организация их напоминает структуру обычных библиотек или архивов. В них хранятся сообщения - статьи из разных источников, полученные по электронной почте в течение определенного периода. Некоторые конференции находятся под управлением ведущего (модератора), выполняющего отбор статей. Ряд почтовых серверов ретранслирует отдельные телеконференции или организует свои телеконференции. В рамках мировой службы новостей Usenet по протоколу NNTP (Network News Transfer Protocol) поддерживается работа более пяти тысяч телеконференций, распространяемых по всему земному шару и охватывающих тематикой практически все области человеческих интересов. В списке часто посещаемых телеконференций можно найти relcom .education, biz .book .technical, news .announce .important, comp .robotics .misc, sci .engr .mech и множество других. Начав работу в 1979 году как «доска объявлений» для студентов двух университетов в Северной Каролине, США, в настоящее время она объединяет миллионы пользователей. Большая часть трафика приходится на сеть UUnet, которая была создана для уменьшения нагрузки на Usenet. Сегодня некоммерческая сеть UUnet, обеспечивающая доступ к новостям Usenet и электронной почте UUCP. Выходы через выделенные линии на EUnet, обеспечивает прямую связь со многими странами Америки, Европы и Азии, а также с Австралией. Особым сервисом является поиск в конференциях статей, удовлетворяющих заданным условиям, и подписка на регулярное получение таких статей. А аппаратура и программное обеспечение Proshare фирмы Intel обеспечивают проведение телеконференций с одновременной работой над одним документом географически удаленных людей. Наиболее популярными из отечественных серверов новостей считаются news@kiae .su, news@simtel .ru, news@relis .ru, news@demos .ru, newsserv@news .techno .ru, news-ser@cross .krasnoyarsk .su. Существуют тысячи групп “по интересам”, члены которых общаются друг с другом, используя так называемые списки рассылки, базирующиеся на электронной почте. Абоненты, интересующиеся конкретной темой, “подписываются” на такой список и получают сообщения, адресованные только узкому кругу лиц. Комплексные системы электронной доставки документов (EDD – Electronic Document Delivery) позволяют создавать файлы, читаемые средствами любой аппаратной платформы, копировать и вставлять текст и графику, сочетая их со звуком, мультипликацией, видеофильмами. Среди универсальных систем такого рода можно отметить Multimedia Modem компании Boca Research, в которой

114

сочетаются возможности обмена речевыми сигналами, текстами и факсимильными сообщениями. Система обладает способностью распознавания телефонного номера отправителя, функциями автодозвона и автоответчика, имеет внутренний громкоговоритель и встроенный набор команд для речевого режима. Кроме того, она запоминает адреса сотен “почтовых ящиков” с возможностью выбора маршрутов вызова для отдельных расширений. Специальная система FTP (File Transfer Protocol) обеспечивает обмен файлами в интерактивном режиме и предоставляет пользователям доступ к файловым серверам, управляемым программными системами Eudora (Macintosh) и PCEudora (IBM). Такие серверы обычно поддерживают иерархическую систему каталогов с файлами, раскрывающих определенные темы. В соответствии с ним на одной из машин, участвующих в файловом обмене, запускается “FTP-сервер”, а на другой – “FTP-клиент”. “Клиент” посылает “серверу” запросы, а “сервер” их выполняет, просматривая и копируя файлы через электронную почту или в режиме “on-line”. Информационные базы данных по всем FTP-серверам объединены системами Archie и WAIS. По запросам, выполняемым в соответствии с протоколом Telnet, она сообщает сведения обо всех файловых серверах, располагающих искомыми файлами. Если в телефонном разговоре можно передать около 11% необходимого объема информации, а факс увеличивает этот объем вдвое, то видеоконференции в реальном позволяют расширить этот диапазон до 60%. Базируясь на стандарте H.32x, в ходе информационного обмена можно следить за мимикой и жестами собеседника, передавая при этом звук и визуальную информацию. Сейчас цена таких технологий еще высока, но большие перспективы способствуют ее снижению. Большие перспективы имеют так называемые «электронные магазины». Объем электронных продаж в 1998 г. превысил два миллиона долларов и, удваиваясь каждые полгода, достиг в 2000 году 20 млрд долларов. Более 60% американских компаний предоставляет свои услуги по сети. В глобальных сетях распространены и бесплатные сервисы: o рассылки образцов товаров (freebies) с целью тестирования продукции и ее рекламы; o телекоммуникационные услуги: возможность открыть свою «домашнюю страницу» размером 5 - 10 Мбайт; пользования электронной почтой и факсом; o подписка на электронные версии газет и журналов; o рассылки информации (телепрограммы, прогноз погоды, биржевые новости, цены на товары, каталоги, реклама на книги, CD-ROM, видеокассеты…).

115

5.2.3. Региональная сеть Fidonet

«Познание мира собирается крупинками, и никакая крупинка не бывает лишней» Л. Соловьев. «Повесть о Ходже Насреддине» В сети Fidonet преобладают персональные компьютеры, работающие под MS-DOS. Начав свою деятельность в 1984 году, сеть превратилась к настоящему времени в крупнейшую в мире любительскую компьютерную систему, которая отличается простотой работы и низкими требованиями к ресурсам: достаточно иметь компьютер класса IBM PC, модем и несколько стандартных программ. Изначально сеть была задумана как система для обмена почтой между людьми в различных городах мира. Передача ее корреспонденции производится по обычным телефонным линиям, часто в ночное время, когда занятость линий и стоимость передачи информации минимальны. Сеть Fidonet является некоммерческой организацией неоплачиваемых добровольцев. Каждая машина в сети представляет собой aппаpатно-пpогpаммный комплекс для обмена почтой с другими аналогичными машинами и для выполнения функций «электронных досок объявлений» BBS (Bulletin Board System). Любой пользователь может позвонить на BBS и почитать информацию, размещенную на этой «доске», скопировать ее себе или “повесить” свое объявление. Hо если BBS является сетью абсолютно равноправных станций, то сеть Fidonet имеет иерархическую структуру и функционирует в соответствии с политикой, вырабатываемой координаторами. Базовой единицей сети служит точка (point). Точки «завязаны» на узлы (станции) (node), регистрируемые в списке узлов (nodelist). С каждым узлом связан оператор узла (sysop - system operator) - человек, отвечающий за его работу. Региональная группа узлов (обычно в одном городе) конфигурируется в сеть (net). Внутри сети связь поддерживают все узлы, а между сетями - специально выделенные узлы (хосты сети). Несколько сетей объединяются в регион (region). Это, как правило, страны, иногда - географические районы. Связь между регионами осуществляется хостами региона. Регионы объединяются в зоны (zone), обычно территориально соответствующие континентам. Связь между зонами обеспечивается узламишлюзами (zonegate). Во главе каждого уровня стоит координатор (сети, региона и зоны соответственно), который следит за нормальным функционированием своей структуры, извещает о ее изменениях вышестоящего координатора и передает ему информацию от координаторов низших уровней. Каждая точка имеет уникальный адрес, полностью характеризующий положение узла в сети и его географическое местоположение. Адрес записывается следующим образом: Z:YYXX/N.P, где P – номер машины, подключенной к узлу, N - номер узла, X - номер сети в регионе, Y - номер региона в зоне, Z - номер зоны Например, адрес 2:5030/48.36 означает зону 2 (Европа), регион 50 (Россия), сеть 30 (Санкт-Петербург), узел 48, точку 36.

116

Fidonet имеет свой устав, определяющий основные структуры сети, права и обязанности координаторов и операторов и т.д. Кроме устава, существуют определенные технические нормы - FTSC, определяющие протоколы передачи, формат сообщений и т.п. Пользователи сети получают возможности отправлять и получать электронную почту, участвовать в электронных конференциях, передавать и принимать файлы. Все пользователи делятся на определенные категории с различным уровнем доступа. Уровень доступа определяет количество выделяемого времени для работы, лимит на переписывание файлов, доступ к различным командам, файлам, сообщениям и так далее. По существующей практике, новые пользователи получают нижний уровень доступа. Для того, чтобы получить нормальный уровень, на большинстве станций необходимо пройти регистрацию. После этого предоставляется дополнительное время для работы на данной станции. Hа большинстве узлов имеются разделы файлов (Files) и почты (Mail). В свою очередь, в этих разделах выделяются целевые области (Areas) (например область Viruses, хранящая антивирусные программы). Почта делится на местную (Local), эхо-почту (Echo) и сетевую почту. Области местной почты служат для обмена письмами исключительно на данной станции (как правило, это письма системному оператору), в то время как эхо-почта рассылается по всему миру. Сетевая почта служит для личной переписки между собой системных операторов Fidonet. Эхо-почта аналогична телеконференциям Usenet. В нее помещаются сообщения, которые, могут заинтересовать группы пользователей. Любой пользователь имеет право вступить в любую переписку эхо-почты. Сообщения эхопочты, посланные на одну из станций, будут прочитаны и на других. Чтение почты может производиться в одном из двух режимов. Пользователь может звонить на станцию, читать почту и писать ответы, не отключаясь от линии. Либо он звонит и забирает почту специальной командой меню, и ему присылается файл, содержащий сообщения за указанный период в указанных областях. Затем пользователь отключается и в любое время при помощи специального редактора читает почту и пишет ответы. После этого он вновь звонит на станцию и отправляет свой файл с почтой. Кроме того, существует ряд услуг, предоставляемых не всеми узлами и не всегда бесплатно, например, предоставление в виде текстовых файлов различной коммерческой информации типа биржевых котировок, планов торгов и т.д., причем с возможностью доступа к ним как всех, так и строго определенных пользователей. Подключение к сети Fidonet налагает на узел определенные обязанности, такие как обслуживание некоммерческих пользователей-любителей, но это сполна окупается предоставляемыми сетью возможностями. Возможно разделение функций узла, например, обслуживание днем только коммерческих пользователей, а ночью некоммерческих. При этом днем любой пользователь, не оплативший услуги или просто не зарегистрированный на узле, будет после предупреждения отключаться от связи.

117

Файловая эхо-конференция - это такое же виртуальное информационное пространство, как и обыкновенная эхо-конференция (телеконференция, в не-FTN сетях – “доска объявлений”). Она имеет аналогичную схему распространения и такую же идеологию. Отличием является то, что в файловой конференции распространяются не текстовые сообщения, а файлы любого формата, в связи с чем используется особое программное обеспечение. Таким образом, любой файл, помещенный в файловую конференцию на какой-либо станции, на которой эта конференция поддерживается, через некоторое время появится на всех остальных станциях, также поддерживающих эту конференцию. При этом объем передаваемой информации файловых конференций может в несколько раз превышать объем обычных конференций, так как размер пересылаемых в конференции файлов велик. Как правило, файл в конференцию помещается с помощью программы-«люка» (hatch), которая определяет параметры файла (такие, как дату и время создания, размер, контрольную сумму, краткое описание), помещает файл в каталог, соответствующий указанной конференции и формирует сопроводительный файл определенной структуры, в котором и указывается вся необходимая для распространения файла информация. После выполнения процедуры программное средство обслуживания файловых конференций в соответствии с предварительно сделанными установками организует рассылку нового файла на другие станции. Станция, на которую приходит письмо с файлами, помещает файл в определенный каталог, а затем, если это необходимо, организует дальнейшую пересылку файла аналогичным образом. Таким образом, на каждой станции, поддерживающей данную файловую конференцию, поддерживается актуальный состав каталога на диске, содержащего файлы этой конференции. С помощью программ обслуживания файловых конференций можно осуществлять автоматическую замену старых файлов на новые и поддерживать определенное число файлов, удаляя старые по мере прихода новых. Кроме того, каталог с файловой конференцией представляет собой практически готовую файловую область для BBS. Некоторые программы позволяют автоматически перекодировать проходящие через станцию файлы. 5.3. Всемирная сеть Интернет 5.3.1. Архитектура сети

Соединяй разъединенное, Арабская мудрость Идею всемирной компьютерной сети разработал Т. Берненс-Ли в Европейском центре ядерных исследований в Женеве. Основанный на этой идее, Интернет представляет собой своеобразную «всемирную паутину» - WWW (World Wide Web) - комплекс сетей, поддерживающий общие протоколы обмена и использующий единую систему адресации. Он включает в себя как рассмотренные ранее коммуникационные средства (факс, e-mail, FTP и т.п.), так и новые информационные ресурсы: Web-серверы, поисковые машины, службы администрирования и разработки нормативных документов. Интернет объединяет

118

сети, объединенные посредством межсетевых интерфейсов-шлюзов и маршрутизаторов. Координацию сети осуществляет Центр информационных сетей при Стэндфордском Исследовательском Институте (NIC-SRI) в Калифорнии, США. Интернет используется для o передачи файлов различных форматов (Web, FTP); o голосовых соединений абонентов (i-phone) и групповых обсуждений (cool talk); o видеосоединений с использованием видеокамер (CU-SeeMe) и проведения видеоконференций (coolFusion, readAudio); o удаленного просмотра презентаций и «виртуальной реальности». Стандарты Интернет фиксируют весь перечень соглашений о межсетевом взаимодействии и допустимых механизмах его реализации. Протоколы Интернет делятся на низкоуровневые, описывающие технические детали физического уровня, и высокоуровневые, определяющие содержательную интерпретацию информации. Они распространяются на два типа сетей: низкоскоростные EM-сети и высокоскоростные IP-сети, использующие для работы электронной почты и сетевого интерактивного обмена протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol – транспортный протокол TCP и сетевой протокол IP) – набор из примерно 100 протоколов передачи данных. Эти же стандарты реализуются в корпоративных информационных системах Интранет. Обычная процедура подключения к Интернет состоит из четырех этапов: o подключение к поставщику ресурсов – провайдеру – через канал одного из рассмотренных ранее типов; o получение IP-адреса и настройка на него компьютера; o регистрация доменного имени; o установка программного обеспечения – обозревателя Интернет или Webсервера. Работа в рамках IP-технологии обычно предполагает использование многозадачных операционных систем, нередко имеющих постоянную связь с сетью. В таких случаях отпадает необходимость обязательного «складирования» подготовленных писем, и корреспонденция автоматически доставляется по первому же требованию пользователя. IP-адрес низкого уровня представляет собой выражение типа ###.##.##.##, где # - любая цифра. Уникальность каждого такого адреса гарантирует международная организация Network Information Center, координирующая распространение трех классов лицензий на предоставление адресов. Класс A имеют крупнейшие мировые поставщики; их адреса находятся в диапазоне от 1##.##.## до 127.##.##.##. Средние поставщики услуг Интернет относятся к классу B с адресами от 128.##.##.## до 191.##.##.##, а малые поставщики – к классу С с адресами 192.##.##.## до 223.##.##.##. Общее число IPадресов ограничено четырьмя миллиардами. При коммутируемом доступе поставщик услуг может не закреплять за пользователями фиксированных IPадресов, а динамически выделять их с помощью специальной адресной «маски».

119

На высоком уровне регулирования пакетов доменный адрес Интернет строится согласно правилам DNS (Domain Name System), регламентирующим соответствие каждому числовому IP-адресу определенное символьное имя. Адрес представляется в виде иерархического описания ресурсов и страниц сети в структуре URL (Uniform Resource Locator): method//domen[.domen…[/]]. Каждый уровень адреса называется доменом и может включать в себя другие домены (так называемые поддомены) и имена компьютеров. В имени используются латинские буквы, цифры, дефис, символ подчеркивания и точки в качестве разделителей уровней. Верхний уровень доменной системы управляется международной организацией InterNIC. Имя домена верхнего уровня записывается справа, а имя компьютера – слева и отделяется от имени сервера двумя косыми чертами. В роли префикса адреса для указания протокола передачи данных выступает метод доступа. Это может быть http (Hypertext Transfer Protocol), адресующий Webсерверы, ftp, gother или telnet для связи с файловыми серверами, а также file для обращения к дискам собственного компьютера. Например, http://www.infind.com, ftp://info.com, file:///c:\MyFolder\Sample.html. Префиксом могут служит mailto: (адрес электронной почты) и news: (телеконференция) без косой черты. При обращении внутри Web-сайта префикс часто опускают. Сведения о соответствии доменных адресов IP-адресам распределены по DNS-серверам. Машины-отправители и получатели хранят и периодически обновляют сведения об адресах узловых машин, связанных с наибольшим числом других компьютеров Интернет. Из этого списка отправитель выбирает ближайший к получателю узел и отправляет пакеты по цепочке. Домен каждого уровня имеет своего администратора, задающего имена, добавляющего и исключающего нижележащие домены и выполняющего их регистрацию. Так же, как и в IP-адресации, доменные адреса верхних уровней присваивают специальные организации Интернет (в России этим занимается РосНИИРОС). На верхнем уровне находится около 250 доменов. Большую их часть составляют так называемые «географические» домены: .us (США), .ru (Россия), .jp (Япония) и т.д. Остальные – это .com (коммерческие компании), .net (сетевые ресурсы), .edu (образовательные учреждения), .mil (военные организации США), .org (некоммерческие организации), .gov (правительственные ведомства США), .int (международные корпорации). Объем передаваемой через Интернет информации удваивается примерно каждые 100 дней, а его технологии совершенствуются быстрее любых других технологий. Радио потребовалось 38 лет, чтобы число его слушателей достигло 50 миллионов, телевидение преодолело этот рубеж за 13 лет, а Интернет – за 4 года. К началу 1998 г. в Интернете было около 30 млн. узлов и свыше 150 млн. пользователей, к 2000 году их число превысило 250 миллионов, а прогнозы на 2005 год обещают от 0,5 до 1 миллиарда. Cредний возраст пользователя близок к 33 годам. Каждым третьим пользователем является женщина, а число «домашних» пользователей близко к 60 миллионам. Суммарный объем данных, передаваемых по сетям Интернет, превышает 0.5 Тбайт/с при средней пропускной способности 10

120

Мбит/с. Треть абонентов занимаются в Интернете маркетингом, поэтому доход от рекламы составляет около 2 миллиардов долларов при 200-миллионных расходах на нее. Бизнес, экономика, культура, искусство, наука и образование интересуют более 62% пользователей. На долю новостей и политики приходится 15%. Спорт, отдых и развлечения занимают 22%. Примерно половина пользователей Интернет приходилась в 2000 г. на США и Канаду, четвертая часть - на Европу. Мировое первенство по плотности ресурсов Интернет на душу населения принадлежит Финляндии и Норвегии, имевшими в 1997 г. один адрес соответственно на 18 и 35 человек населения. В Швейцарии и в США на один адрес приходилось 70 жителей. Интернет в России развивается с отставанием на 2 – 3 года от Европы и на 4 – 5 лет от США. В 1997 г. 100 тысяч россиян имели возможность доступа в Интернет, а к 2000 году это число возросло до 5 млн. (около 5% взрослого населения). Более половины из них имеет стаж работы в сети менее одного года, и более половины приходится на города с более чем миллионным населением. 50% российских пользователей представляют небольшие фирмы и офисы, и около трети являются студентами. В кругу их интересов преобладают бизнес и юмор, наука и новости, игры, общественная жизнь, культура, эротика, политика. Стабильно растет интерес к российскому сектору Интернета за рубежом, причем около половины иностранных потребителей российской информации находятся в СНГ и до 30% - в США. 5.3.2. Web-серверы

Знание возникает тогда, когда человек способен увидеть мир через другое сознание, понять, что существую не только я, но и другие, отличные от меня индивидуальности, без перевоплощения в которые невозможно что-либо воспринять, А. Битов. «Оглашенные» Интернет открыл интерактивный способ общения людей. До его появления информация распространялась преимущественно в одном направлении: автор писал книгу, а читатели ее читали, радио и телевидение передавали информацию, а зрители и слушатели получали ее. Обратная связь не замыкалась, хотя потребность в ней всегда была высока. Это крайне затрудняло обмен мнениями между читателями, зрителями, слушателями. Интернет, значительно расширив круг потребителей информации, позволил им включиться в ее обсуждение. В то же время, будучи высоко демократичной системой, Интернет способствует налаживанию связей между руководителями и подчиненными, властью и подданными, избирателями и избранниками. По данным, предоставляемым www.archive.org, в 2000 году число Webстраниц в мире превысило миллиард, продолжая расти со скоростью 2 миллиона

121

страниц в день, а объем их информации – 20 Тбайт (в среднем 19 Кбайт на страницу), ежегодно удваиваясь. Более 100 млн. пользователей Web получают ежемясячно 35 Тбайт сведений с Web-узлов, используя программные продукты, поддерживающие языки HTML и Java. К их обслуживанию и программированию привлечено более полумиллиона программистов. Благодаря этому, стремительно ускоряется и усиливается мировой поток информации. Реклама, обмен идеями, семинары и пресс-конференции становятся в сети обычным делом. Более 80% Webстраниц принадлежит коммерческим организациям (.com), 6% научным и учебным заведениям, вдвое меньше медицинским учреждениям. «Всемирную паутину» можно представить как большую библиотеку. Основными источниками обмена в ней являются более 3 тысяч Web-серверов (или WWW-серверов), подобных книгам этой библиотеки. Под Web-сервером понимают службу глобальной сети, управляющую движением и представлением связанных документов, содержащих тексты, графику, аудио- и видеоклипы, собранных на Web-страницах узлов. Web-страница – это электронный документ, предназначенный для представления в Интернет. Группа тематически и логически связанных Web-страниц образует Web-сайт. Программу, предназначенную для подключения к Web-серверам и общения с Web-сайтами называют обозревателем Интернет. В практике нашли применение два обозревателя Интернет: Internet Explorer (Microsoft) и Netscape Navigator (Netscape). Обозреватель Internet Explorer является открытым множеством программ, содержащим полный набор инструментов для реализации базовых сервисов глобальных сетей (электронной почты, телеконференций, широковещательных передач), поиска, чтения и обработки файлов и Web-страниц в режимах online и offline и автоматического уведомления об изменениях в заданных узлах Интернета. Обозреватель предоставляет единый интерфейс пользователя и одинаковые правила обработки информации для работы в Интернете, Интранете и на своем компьютере. Он позволяет превратить Рабочий стол в собственную интерактивную мультимедийную страницу с автоматически обновляемым содержимым. Обозреватель самостоятельно распознает, просматривается ли Web-страница или файлы и папки компьютера. Он автоматически изменяет свою конфигурацию, добавляя и удаляя инструменты в соответствии с типом отображаемой информации, а также адекватно реагирует на ввод разных адресов. Главной панелью инструментов Internet Explorer является адресная строка. Чтобы открыть Web-страницу или запустить программу, в эту строку вводится соответствующий адрес. Если в адресной строке ввести слово Find с последующим искомым выражением, обозреватель пошлет поисковый запрос одному из поисковых серверов. В ходе просмотра найденного документа указатель мыши меняет свою форму. Под теми фразами и рисунками, где он приобретает вид ладони, находятся гиперссылки, открываемые щелчком для просмотра связанных Web-страниц. Список материалов, обрабатывавшихся в предыдущих сеансах,

122

сохраняется обозревателем. Всегда можно обратиться к конкретному дню, неделе, папке или Web-странице, управляя сортировкой и поиском информации. Для перевода обозревателя в режим поиска служит соответствующее меню и панель Поиск определенной поисковой машины, накапливающей информацию о содержании Web-страниц. После выбора поискового сервера в окне этой панели набирается искомая фраза или список слов и через некоторое время окно заполняется списком гиперсвязей, отвечающим выбранным критериям поиска. Установив указатель на любой из элементов этого списка, можно прочесть сведения о найденном узле и щелчком открыть требуемую страницу. Результаты поиска сохраняются, поэтому, если в ходе работы обозревателя вновь нажать кнопку Поиск, они будут отображены на экране. В меню Избранное пользователь сохраняет ссылки на наиболее часто посещаемые страницы Интернета. Сохраненные в Избранном материалы можно сделать доступными offline, чтобы работать с ними впоследствии без подключения к Интернету. Internet Explorer оснащен, также, механизмом ссылок. Одну из Web-страниц, требующую регулярного обращения, обычно назначают домашней страницей (Home page). Она открывается вместе с обозревателем, а переход на нее возможен с любой страницы. Контекстные меню отдельных объектов страницы позволяют отправлять в печать непосредственно эти объекты. Поскольку работа в Интернет связана с перемещением информации между узлами, одной из актуальнейших проблем ее является проблема конфиденциальности. Для ее решения многие узлы имеют специальное оборудование для предотвращения несанкционированного просмотра данных. «Безопасные» узлы поддерживают «безопасные протоколы» и имеют соответствующие сертификаты. Через такие узлы в основном и передается конфиденциальная информация Интернет. Internet Explorer обеспечивает безопасность компьютера при работе в Интернете. Он препятствует, в частности, созданию регистрационных файлов (cookies) открывающимися страницами, если пользователь считает такие файлы опасными или ненужными. 5.3.3. Поисковые системы

Хочешь знать истину – ищи, Ф. Ницше. Так как Интернет – это гигантская библиотека, то, как и во всякой библиотеке, здесь надо владеть поисковым аппаратом. Именно поэтому поиск информации в Интернете, где сегодня сосредоточены десятки миллионов документов, превращается подчас в долгое и утомительное занятие. 85% пользователей Интернета занимаются поиском информации на нужную тему или поиском адресов. Первая задача решается поисковыми серверами. Обратившись к одной из поисковых машин глобальной сети, пользователь вводит набор ключевых

123

слов и через некоторое время получает список подчас из нескольких сотен Webстраниц, на которых содержится упоминание об искомом объекте. Обычно обращаются к таким поисковым системам, как NorthenLight (www.northernlight.com), InfoSeek (www.infoseek.com), Lycos (www.lycos.com), Excite (www.excite.com), Yahoo (www.yahoo.com), WebCrawler (www.webcrawler.com). Поиск русскоязычных ресурсов выполняют серверы Aport (www.aport.ru), Rambler (www.rambler.ru), Dux (tela.dux.ru), Atris (www.atrus.ru), Russia on the Net (www.ru), Yandex (www.yandex.ru). Доступ к 400 словарей на 130 языках предоставляет страница www.bucknell.edu. Местное время в любой точке земного шара дает коммерческий сайт www.clari.net.au. Расписание рейсов аэрофлота можно узнать в www.aeroflot.org. Лучшие информационные узлы России, посвященные досугу, находятся по адресам www.weekend.ru, www.infoart.ru. Аннотированная коллекция ссылок на важнейшие источники деловой информации России, снабженная системой поиска, представлена в catalog.mbt.ru. На серверах lib-www.ucr.edu, www.vlibrary.ru, www.osp.ru размещены публикации различных издательств, включая такие журналы, как “Мир ПК”. На поиске программ в Интернете специализируются серверы www.filedudes.com, www.files.com, ftpsearch.city.ru, ftpsearch.lycos.com. Поиск электронных публикаций по математике выполняет www.maths.usual.edu.au. Электронные газеты и журналы, посвященные поэзии, есть на узле www.art.spb-ru/frog/, посвященные быту – на www.aha.ru/magazine/, компьютерам – на www.glasnet.ru/~frolov/, истории – на agros.evansville.edu, мультимедиа – на www.scour.net, www.mp3site.com, образованию – на www.studyweb.com. На страницах www.museum.ru собрана информация о более чем 2000 музеев с подборкой статей, музейных карт, описанием CD-ROM по искусству и интерактивными разделами. В качестве примера электронного магазина, торгующего компьютерами и программами, можно назвать future.quarta.ru. Экономический сервер www.finmarket.ru поставляет финансовую информацию и сводки экономических новостей. Более “молодые” поисковые машины превосходят своих предшественников по глубине и широте поиска, а также по удобству и комфорту. Большинство поисковых систем обеспечивает запрос с логическими операторами И (+, &, And), ИЛИ (пробел, |, Or), НЕ (-, !, Not). Для обозначения произвольной части искомого слова используются метасимволы (*, ?). Фразы заключаются в двойные или одинарные кавычки. Некоторые программы учитывают регистр, если в запросе присутствуют заглавные буквы, а ряд отечественных систем отыскивают все формы слова с учетом склонения, спряжения, числа. Технические усовершенствования проявляются в увеличении числа логических функций поиска, позволяющих более точно формулировать запрос, в ускорении поиска, росте количества обследуемых документов и глубины этого обследования. Если “ветераны” сетевого поиска в основном сканировали только заголовки, адреса и первые строки документа, то новые системы тяготеют к полнотекстовой индексации, а среднее количество индексируемых ими страниц достигает 50 миллионов. Все большее число систем

124

обретает полиязычность, то есть способность обрабатывать ресурсы на разных языках. Все поисковые машины совместно обрабатывают информацию не более чем 60% существующих в Интернете Web-страниц. При этом ни на одну из них не приходится свыше трети всех Web-страниц, а у некоторых это число не превышает и 3%. Для ускорения и увеличения объема поиска разработаны интеллектуальные метапоисковые системы. Прообразами их послужили известные Gopher-серверы, которые через серию иерархических меню с поисковой машиной Veronica выводят пользователя на искомый ресурс. Индексированные базы данных на файловых серверах помогает найти поисковый комплекс WAIS (Wide Area Information Service). А мощные Web-порталы SearchTheWeb (homeportfoliojunction.com), Gobble Inference Find HotBot (hotbot.lycos.com) (www.infind.com), (www.gobble.com), AllTheWeb (www.ussc.alltheweb.com), Go (www.go.com), Snap (www.snap.com), Microsoft (www.msn.com), Google (www.google.com), List (www.list.ru), Search (www.search.com) посылают запросы параллельно на самые различные серверы Web и затем классифицируют результаты и сводят их воедино. Аналогично работает отечественная система Искалка (www.filesearch.ru), выполняющая поиск по FTP-серверам. Система AltaVista (www.altavista.com) обладает дополнительными функциями тематического поиска, сужения запроса, автоматического перевода на базе языка Systran, что позволяет ей обрабатывать за неделю более 37 миллионов запросов. В основе HITS (Hyperlink Indexes Topic Search) лежит методика, используемая при расчете индексов цитирования. Изучив структуру ссылок, система выбирает в первую очередь наиболее часто упоминаемые документы. Совершенствуются системы ранжирования результатов. Найденные материалы обрабатываются дополнительными сервисными службами на предмет поиска похожих страниц и просмотра контекста. Службы Интернета, поставляющие на компьютер автоматически обновляемые новости и развлекательную информацию, называются каналами. Благодаря им, однажды выполненный поиск запоминается обозревателем Интернета, и повторного проведения его не требуется. Задача поиска адресов решается несколькими способами. В Интернете часто пытаются подобрать имя, используя обычные поисковые машины и каталоги. Состема Go, например, имеет специальные команды "site:", "url:", "link:". Иногда на помощь приходят службы поиска адресов отдельных лиц, например www.four11.com или система Finger. Русская служба имен находится на сервере www.names.ru. Для поиска адреса электронной почты применяется: o поиск в региональных справочных системах, таких как www.spbmail.ru в России, web.realnames.com, [email protected], [email protected], [email protected] в США; o запросы к администраторам доменов postmaster@domaim об адресах их абонентов;

125

o обращение в телеконференцию comp.mail.misc, поддерживающую систему Inter-Network Mail Guide; o использование серверов, условно именуемых WhoIs, WhatIs и FindIt, например [email protected] в Нидерландах, [email protected] в Австралии, [email protected] в Канаде, www.dotcomdirectory.com в США.

6. П РОФЕССИОНАЛЬНЫ Е КОМП ЬЮТЕРНЫ Е ТЕХНОЛОГИИ 6.1. Информационная безопасность 6.1.1. Нормативно-правовая база информатики

Нет дела более трудного по замыслу, более сомнительного по успеху, более опасного при осуществлении, чем вводить новые порядки, Н. Макиавелли Информационная безопасность - одна из самых быстроразвивающихся сфер интересов пользователей. Под этим термином понимается главным образом концепция защиты персонала и данных на нормативно-правовом, техническом и программно-логическом уровнях. Соответственно различают: o правовые аспекты безопасности информации (компьютерное право, правовые основы регулирования деятельности в области защиты информации, законодательства по проблемам защиты информации, международного обмена информацией, интеллектуальной собственности, нормативно-методическая база безопасности информации); o информационные аспекты экономической безопасности (экономические интересы и безопасность информации, безопасность информации и внешнеэкономическая деятельность финансово-промышленных групп, кредитно-финансовых учреждений и других субъектов хозяйствования, защита экономической информации в автоматизированных системах); o проблемы безопасности персонала информационных систем и подготовки специалистов по защите информации (служб безопасности информации, технических и программных средств комплексной защиты информации, информационного законодательства); o вопросы сертификации средств защиты информации (системы сертификации, сертификация аппаратуры и программного обеспечения, развитие добровольной сертификации, аттестация производства средств защиты информации и объектов информатизации);

126

o технические и технологические проблемы защиты информации (угрозы безопасности информации, современные технологии защиты, охрана корпоративных интересов, обеспечение тайны связи); o безопасные программные технологии (методы и средства разработки программ, их тестирование и оценка безопасности, защита информации от программно-математических воздействий); Отсутствие средств защиты информации или их недостаточность способствуют потерям информации и распространению компьютерного пиратства, которое отдельным странам приносит убытки, соизмеримые с убытками от торговли наркотиками. По некоторым данным, около половины всех установленных в мире программ имеет незаконное происхождение, причем в России к 1998 г. их накопилось более 90%, в СНГ - порядка 95%. В 1999 г. только в Москве ежемесячно производилось около 15 млн. пиратских компакт-дисков.. Для решения проблем информационной безопасности в России в 1995 г. принят Федеральный закон "Об информации, информатизации и защите информации". В то же время, сфера информационных технологий США регламентируется более чем 300 законами и подзаконными актами. В мировой практике безопасность информационных систем нормируется стандартами ISO 900x (ISO 9001, ISO 9002, ISO 9003). Эти стандарты являются своеобразными моделями качества и содержат формализованное и сжатое описание требований к системам. К 1998 г. более 90 стран, включая Россию, адаптировали стандарты ISO 900x на факультативном уровне и регулярно используют их в контрактных отношениях. Формальное подтверждение соответствия информационным стандартам дает аккредитованная сертификация. В частности, в 40 странах считается наиболее авторитетной схема сертификации информационного обеспечения TickIT, предложенная в Великобритании. По этой схеме сертифицируются: o разработки программных продуктов; o копирование, архивирование, хранение данных и программ; o системная интеграция, поддержка, администрирование. Особое место среди проблем информационной безопасности отводится защите персонала информационных систем. Компьютер является источником ряда профессиональных заболеваний органов зрения, кожной аллергии и опухолей, осложнений при беременности, ортопедических отклонений и стрессовых явлений. Так, проблемы со зрением (воспаления, покраснения, слезоточивость, ослабление зрения, мигрени) возникают примерно у 70% пользователей компьютеров. Массовое поражение зрения компьютером называют сегодня компьютерным зрительным синдромом. Происходит оно потому, что электромагнитный спектр дисплеев на базе электронно-лучевых трубок содержит области ионизирующего (жесткого) и неионизирующего (мягкого) излучений. К первым относятся рентгеновские лучи и продукты радиоактивного распада, но интенсивность их чрезвычайно мала. Вторые

127

создают опасные для человека электростатические, электрические и электромагнитные поля напряженностью, обратно пропорциональной их частоте. Сверхнизкочастотные поля (ELF - Extremely Low Frequencies) в диапазоне от 5 Гц до 2 кГц порождаются токами питающей сети (50 Гц) и кадровой разверткой (60-85 Гц). Строковая развертка обуславливает возникновение низкочастотных полей (VLF - Very Low Frequencies) в диапазоне от 2 до 400 кГц. Высокое напряжение электронно-лучевой трубки вызывает заряд экранной поверхности при ударе электронов о флуоресцирующий слой, создавая электростатическое поле, или поверхностный потенциал - "электросмог". На здоровье пользователейпрофессионалов влияют также форма клавиатуры, конструкция мебели, освещенность рабочего места и ряд других факторов. Компьютерная эргономика, рассматривающая процессы взаимодействия человека с компьютером, имеет серьезную нормативную основу. Ведущую позицию в области рационального регулирования предельных значений экранного излучения занимает Швеция. Ее Государственный совет по измерениям и тестированию SWEDAC (Swedish Board for Technical Accreditation) сформулировал требования к дисплеям и методам их анализа, оформленные в виде рекомендаций MPR II. Первый стандарт MPR-II был принят в 1990 г. Аналогичные рекомендации выработаны институтами SSI и SEMKO в Швеции, TUV REINLAND в Германии, Швейцарским институтом гигиены и производственной психиатрии, комиссии FCC (Federal Communications Commission) США. На основе их разработок принят ряд международных стандартов, в частности, стандарты защищенности от излучений ТСО92, ТСО95. Основными сегодня считаются стандарты ТСО99 и ISO 9241. Им удовлетворяют выпускаемые фирмами Nokia, Sony, Hitachi, NEC, Samsung, LG, Mitsubishi дисплеи классов SuperVGA и ErgoVGA с разрешающей способностью 800 х 600, 1024 х 768 или 1280 х 1024 пикселей, размером пикселя 0.18 - 0.28 мм и частотой регенерации 75 – 125 Гц. Большинство информационных средств отвечают американским рекомендациям Energy Star и DPMS (стандарт VESA) по энергетической эффективности электротехнической продукции и требованиям EPA Low Radiation (LR) к дисплеям с построчной (non-interlaced, NI) разверткой. Знак LR - это даже не стандарт, а информация о том, что изготовитель предпринял некоторые шаги для уменьшения излучений. Дисплей должен иметь 15 - 21дюймовый экран с затемненным антистатическим покрытием, протравленная и поляризованная поверхность которого препятствует оседанию пыли и ослабляет блики. Защитить пользователя в дисплейных системах, не отвечающих указанным требованиям, признаны защитные экраны (предохраняющие фильтры) из стекла или пластмассы, иногда с сетчатым армированием. Все они ослабляют электромагнитное поле не менее, чем на 90%, но по-разному влияют на электрические и электростатические поля. В поляризационных фильтрах (например, фирмы Polaroid) световой поток на пути к экрану проходит через отклоняющую оптическую систему и специальное покрытие, приобретая циркулярную поляризацию. При отражении от экрана направление циркуляции

128

вектора потока меняется на противоположное, и плоскость поляризации поворачивается на 90 градусов относительно исходного состояния. Наложение падающего и отраженного потоков исключает блики, тогда как видимая часть спектра излучения от экрана проходит через фильтр без искажений. Такие экраны, как Ergostar, Polaroid, CP-Workstation, Xenium, DE14M, удовлетворяющие требованиям высшей категории защиты (total shield), уменьшают долю отраженного внешнего света до величины, не превышающей 1%, снижают уровень низкочастотных электромагнитных полей в 2-3 раза, ультрафиолетового излучения - до величин порядка 0.5-1.0%, рентгеновского излучения - не менее, чем на 95%. Частичную защиту пользователя выполняют и менее дорогостоящие фильтры на основе сетчатых технологий. В частности, защитные фильтры Megastar на 90% снижают ионизирующее и ультрафиолетовое излучения, электрические поля, отражение и мерцание. Менее эффективно использование пленочных фильтров, слабо препятствующих распространению электромагнитных и электростатических полей. Большинство других эргономических стандартов регламентируют условия труда на рабочем месте пользователя. Освещение, конструкция мебели, положение монитора - все это охватывается, например, стандартами BS 7179 и IEC 950. Согласно им, экран дисплея рекомендуется ориентировать боком к источникам света и при освещении помещения исключать блики, для чего на окнах устанавливать жалюзи и источники света удалять от компьютера. Освещенность рабочего места оператора должна составлять порядка 2/3 нормального естественного освещения, а пространство за дисплеем освещаться так же, как экран. Оператору следует располагаться на расстоянии вытянутой руки от экрана, не ближе 1.2-2.2 м от задних и боковых стенок соседних дисплеев, блоки развертки которых являются сильными источниками излучений. Экран должен находиться под углом 10 - 20 градусов к оси зрения и периодически очищаться от пыли и грязи. Аппаратура и документация на рабочем столе пользователя размещаются так, чтобы исключить неудобные позы. Работе с дисплеем посвящается не более половины рабочего времени оператора; через каждый час полезно делать 15минутные перерывы в его деятельности или хотя бы периодически зажмуриваться, чтобы предотвратить высыхание роговицы. Темп работы с клавиатурой не должен превышать 160 - 200 знаков в минуту. По санитарным нормам не рекомендуется допускать к дисплею детей до трех лет, а дети до семи лет общаются с компьютером не более чем 15 минут в день максимум два раза в неделю. В младших классах компьютеру может ежедневно отводиться до 10 - 15 минут, а в старших - до 30 минут.

129

6.1.2. Аппаратные средства защиты информации

Satius est egno labi guam lingua (Лучше оступиться, чем оговориться), Латинское изречение Надежность информационных систем на физическом уровне определяется качеством комплектующих и технологией сборки аппаратуры, наличием гарантийной поддержки, ремонтопригодностью и приспособленностью к обновлению (upgradeability), а также условиями эксплуатации компьютера. Качество технологических процессов производства информационных систем нормируется стандартом BS 5750. Стандарт Международной электротехнической комиссии IEC 950 определяет требования, предотвращающие механическое повреждение объектов, поражение электрическим током, ущерб от замыканий, пожаров, радиационное и химическое воздействие информационных средств. Оборудованию, аттестованному по IEC 950 на отсутствие излишнего радио- и электромагнитного излучения, на защищенность от таких воздействий и электрическую безопасность, присваивается знак CE. Среднее время безотказной работы компьютера, оцениваемое коэффициентом MTBF (Mean Time Between Failure), редко превышает 20000 часов при максимальном гарантийном сроке от 3 до 5 лет (например, у аппаратуры фирм Compaq, Acer, Marshall, R-Style, ALR). Для нормального функционирования оборудования в этот период, его располагают не ближе 15-20 см от стен, поддерживают стабильную температуру в помещении, защищают от табачного дыма, механических воздействий, вибраций, сотрясений. Опасны для компьютера и частые включения питания, поэтому не рекомендуется выключать машину, если она может понадобиться в течение рабочего дня, а в случае отключения – повторно включать до полной остановки жесткого диска и прекращения свечения дисплея. Около 75% случаев потери информации, 65% случаев выхода из строя периферийных устройств и половины неисправностей аппаратуры ЭВМ вызваны нарушением питания. В России бытовая электросеть рассчитана на напряжение 220В±10%, частоту 50Гц±1%, коэффициент несинусоидальности ±8%. Но сеть часто не отвечает этим требованиям и подвержена понижению (sag, brownout) и повышению (surge), всплескам (spike) и провалам (backout) напряжения, формы сигналов, высокочастотным шумам (noise) и колебаниям частоты, эпизодическому пропаданию питания (failure). От снижения, повышения и всплесков напряжения информационную аппаратуру можно защитить стабилизаторами. Сетевые фильтры (например Pilot) защищают компьютер от импульсных и высокочастотных помех. Помехоустойчивость систем значительно повышается при их питании по обособленным линиям. Основным же средством защиты установок в таких условиях служат источники бесперебойного питания (UPS - Uninterruptable Power Supply). В частности, в отечественной практике своего рода стандартом становятся UPS на 600В классов Office, Line Interactive, OnLine. Наиболее дешевые из них источники класса Office (так называемые stand-by-UPS, или offline-UPS) включают

130

резервное питание в течение 3 – 15 мс после отклонения параметров сети от установленных норм и используются в основном как резервные источники для нормального (в пределах 5 – 30 минут) завершения работы. Многие из них не обеспечивают защиты от коммутационных и импульсных помех, грозовых разрядов и кратковременных сбоев. Гибридные и феррорезонансные источники класса Line Interactive оснащены автотрансформаторами (бустерами) практически мгновенного срабатывания. Источники класса OnLine постоянно питают компьютер стабилизированным, гальванически развязанным с сетью напряжением, а в случае нарушения сетевого питания – от аккумуляторов. В соответствии с промышленным стандартом IBM, многие операционные системы, например OS/2, Windows, поддерживают режим APM (Advanced Power Management) усовершенствованного управления питанием. Информация о степени загрузки памяти дает возможность переводить часть модулей ОЗУ в режим ожидания, экономя энергию аккумуляторов UPS. Связь аппаратуры с программными средствами позволяет программным путем снижать тактовую частоту процессора в период его бездействия. Надежность питания портативных компьютеров во многом зависит от физической природы аккумуляторов. Во многих ЭВМ этого класса применяются подзаряжаемые никель-кадмиевые источники питания, которые обеспечивают непрерывную работу компьютера в течение двух-четырех часов. Постепенно они вытесняются никель-металлогибридными аккумуляторами, обладающими вдвое более продолжительным сроком службы. Известно множество причин выхода из строя жестких магнитных дисков. Толчки системного блока приводят к соприкосновению магнитных головок с дисковыми пластинами, поэтому для фиксации головок перед транспортировкой выполняется их "парковка". Вследствие возможности "осыпания" тонкого магнитного слоя носителя, отказов электронных блоков, нарушений контакта, следует дублировать информацию накопителей, сохраняя копии отдельно от машины. С периодом порядка трех месяцев рекомендуется тестировать поверхности дисков для выявления физических дефектов. В сетях применяется дублирование контроллеров, кабелей и источников питания. Если один из таких элементов дает сбой, его функции принимает на себя резервный компонент. Например, оборудование фирмы ChipCom включает в себя интеллектуальный контроллер, автоматически реконфигурирующий сеть в случае отказов. При снижении пропускной способности участка сети он подключает резервный участок. Практически, отказавший элемент при необходимости заменяется им без остановки работы сети. Автоповтор соединений обеспечивает восстановление связи при сбоях питания. Примером архитектурного решения проблемы надежности данных служат системы фирмы Compaq: память всех ее машин оснащена механизмом коррекции по методу Хэмминга, реализующим практически 100%-ную защиту от сбоев. А в PS/2 реализована технология SFT III (System Fault Tolerance) фирм IBM и Novell, в

131

соответствии с которой несколько компьютеров синхронизируются таким образом, что при выходе из строя одного из них другой берет на себя всю работу. Большое значение имеет качество диагностических систем, используемых для обслуживания информационной аппаратуры. Так, в практике находят применение аппаратура и программы фирмы Landmark для диагностирования компьютеров: Kickstart, Service Diagnostics, SpeedTest. Удобны ScanDisk и Defrag из Windows, SysFix из Pctools (Central Point Software), штатные программы Chkdsk и Recovery из MS-DOS. Американская национальная ассоциация компьютерной безопасности NCSA (National Computer Security Assosiation) рекомендует также Disk Technical Gold (Disk Technical), Diskutils и Netutils (On Track Computer Systems), Rescue Professional (AllMicro), Spinwrite (Gibson Research). А программный пакет Compaq Inside Manager обеспечивает контроль около 800 параметров удаленных друг от друга компьютеров с их отображением и информацией о неисправностях или отключением системы. Большой популярностью у специалистов, эксплуатирующих IBM PC, пользуется комплект утилит Norton Utilities фирмы Symantec. В комплект входит свыше 30 автономных многофункциональных утилит, тесно интегрированных в главном меню пакета. Цель почти каждой утилиты - сделать работу компьютера более быстрой, безопасной, эффективной. Подробные сведения о компьютере можно получить из утилиты Sysinfo, входящую в группу Tools пакета Norton Utilities. По запросам пользователя она выводит на экран или в файл общие сведения об ЭВМ, о дисковых накопителях, о распределении памяти и производительности машины. Работу с файлами существенно облегчает утилита Findfile из этой же группы. Она выполняет поиск файлов с различными способами отображения и печати найденного списка, а также генерации командных файлов, представления найденной информации на экране, смены каталогов, атрибутов, даты и времени создания программ с определением возможности размещения их на диске. "Здоровье" аппаратуры компьютера оценивается утилитой NDD (Norton Disk Doctor) из группы Recovery. Она тестирует диск на наличие физических дефектов; ликвидирует логические дефекты и восстанавливает информацию, разрушенную в результате их воздействия; устраняет последствия повреждений с восстановлением по возможности ставшей недоступной информации; формирует отчеты о состоянии дисков и проделанной работе; отменяет все внесенные изменения по требованию пользователя. Многие дефекты устраняет утилита Disktool из этой же группы: восстанавливает информацию диска и разметку дискеты, маркирует кластеры, резервирует системные данные. Для восстановления файлов баз данных и электронных таблиц служит программа Filefix, а кропотливую работу по восстановлению данных вручную можно провести под управлением файла Diskedit. Основной функцией утилит группы Speed является повышение скорости обмена информацией между дисками и памятью. Так, программа Calibrat

132

определяет оптимальный коэффициент чередования секторов на жестком диске и осуществляет его форматирование без разрушения информации. Speedisk управляет размещением и дефрагментацией файлов и каталогов на дисках. Удобна для форматирования и утилита Sformat из группы Tools, работающая в режимах безопасного, быстрого и стандартного форматирования. 6.1.3. Логическая и антивирусная защита данных

Борьба с людьми - игрушка, борьба же с тьмой и тайной - вещь страшная, Б. Прус. «Фараон» Надежность информационных систем на логическом уровне определяется качеством защиты, резервирования и восстановления данных. Резервирование данных помогает избежать потери информации при авариях и ошибках персонала, программных сбоях и вирусных атаках. Копии зарезервированных файлов обычно хранят в архивах, таких как PkZip и WinZip, Arj и WinArj, Rar и WinRar.. Интенсивное обновление файловой структуры вызывает фрагментацию файлов, увеличивая время доступа к ним и затрудняя восстановление при появлении дефектов. Поэтому полезны регулярное уплотнение информации на диске, контроль каталогов и уничтожение ненужных данных, реализованные, в частности, в Windows98. Международная организация надежности компьютерных систем ICSA (International Computer Systems Assosiation) рекомендует целый набор средств обеспечения отказоустойчивости систем. Дублирование дисков, при котором информация пишется одновременно на два диска, позволяет управлять чтением и записью и вести статистику отказов операций ввода-вывода. Чтение при этом осуществляется с наименее загруженного диска, что благоприятно сказывается на производительности. Если количество отказов диска достигает критической величины, запросы переадресуются на другой диск. В то же время, операционная система, способная диагностировать дефекты поверхности диска, способна вовремя сигнализировать о его постепенном выходе из строя. Например, файловая система HPFS среды OS/2 блокирует доступ к плохим секторам и поддерживает резервный буфер из 100 секторов, а также ведет журнал регистрации сообщений об ошибках. Высокой надежностью обладают дисковые матрицы RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks), увеличивающие коэффициент MTBF до 150000 часов и среднее время наработки до потери данных до миллиона часов. В отличие от традиционных конструкций накопителей, они базируются на избыточных массивах недорогих дисков, параллельно упорядоченных в большие емкости. Высокая производительность их достигается, благодаря одновременному чтению или записи нескольких дисков, избыточности хранимой информации либо использованию контрольных сумм для выявления и устранения ошибок и восстановления данных. Обычно несколько дисков

133

используются под данные, а один - под контрольные суммы, и контроллер последнего питается от индивидуального источника напряжения. При этом выход из строя диска с данными не приводит к их потере. RAID-массив может реализоваться аппаратно или программно. Разработано девять уровней RAIDмассивов, различающихся скоростью, надежностью и стоимостью: o RAID 0 без дополнительных средств отказоустойчивости, но с распределением данных по дискам; o RAID 1 с "зеркалированием", то есть с записью каждого блока данных в двух экземплярах на один диск; o RAID 2 с проверкой и восстановлением данных по алгоритму Хемминга разбивкой данных на слова, при которой число битов в слове равно числу дисков с данными; o RAID 3 с вычислением контрольной суммы параллельно с записью данных и проверкой ее в момент чтения данных; o RAID 4 с последовательным занесением блоков данных на диски и вычислением контрольных сумм для каждого ряда блоков; o RAID 5 с равномерным распределением контрольных сумм между дисками; o RAID 6 с двумя независимыми схемами контрольных сумм, распределенными между дисками; o RAID 7 со специальным контрольным процессором для работы в реальном времени; o RAID 10 с комбинацией технологий RAID 0 и RAID 1 в одном массиве; o RAID 53 с комбинацией технологий RAID 0 и RAID 3 в одном массиве. Наибольшее распространение получили массивы типов RAID 0 как самые быстрые для графических и мультимедийных рабочих станций, RAID 1 в серверах с небольшим объемом данных и RAID 5 в составе мощных серверов. Дублирование файлов предполагает возможность копирования через определенные периоды времени содержимого одних машин на другие в ходе межсетевого взаимодействия. Важным фактором является защита таблиц размещения файлов. В частности, все версии Netware сохраняют копии таблиц, помечают дефектные блоки диска и заменяют их новыми. Специальные меры применяются для того, чтобы по возможности восстанавливать разрушенные данные. В простейшем случае утилита Norton Backup (Symantec) резервирует файловую структуру жесткого диска с целью ее восстановления в случае необходимости. В PS/2 на уровне RAID 5 данные со служебной информацией распределяются по многим дискам и, если один из них отказывает, операционная система автоматически воссоздает утраченную информацию по фрагментам на других дисках. Особое место среди проблем информационной безопасности занимает компьютерная вирусология (virus protection). По данным ICSA, более половины случаев потери данных связано с неграмотной политикой по обеспечению их

134

сохранности и защиты, причем в ряде систем до 80% случаев вызываются компьютерными вирусами. Компьютерный вирус - это программа, проникающая в компьютер через накопители на сменных дисках и средства сетевой коммуникации с целью нарушения его работы. К 1993 г. было идентифицировано свыше 2000 видов компьютерных вирусов, а к 1998 году - 16000, из которых порядка 300 имеют наибольшее распространение. При этом ежемесячно появляется более 50 новых вирусных программ, поражая в среднем 33 из тысячи машин. От них страдает около 60% пользователей, неся потери, достигающие в сумме миллиардов долларов. В среднем под каждую вирусную атаку попадает примерно 150 компьютеров, а на отражении каждой вирусной атаки теряется 2.5 дня. Одно только поражение корпоративного узла наносит ущерб в тысячи долларов, и на его восстановление может потребоваться более 20 человеко-дней. Вирусы наносят такие виды ущерба, как снижение производительности; помехи в работе компьютера, его «зависание»; искажение содержимого файлов и иную потерю информации; выход из строя файловой системы; утечку защищенной информации. Присутствие вирусов проявляется в уменьшении емкости свободной памяти, увеличении времени загрузки и выполнения программ, в изменении размеров файлов или даты их создания, увеличении числа файлов на диске, в самопроизвольных перезагрузках компьютера при работе. Различают загрузочные и файловые вирусы. Первые поражают загрузочные области памяти, а вторые внедряются в файлы с расширениями .com, .exe, .bin, .obj, .bat, .ovl, .dll. Особый вид файловых вирусов - макровирусы - паразитирует на текстах электронных документов. В 1998 г. из каждой тысячи компьютеров в среднем 25 подверглись заражению макровирусами, составляющими около 40% вирусных программ (75% всех «компьютерных эпидемий»). Среди остальных наиболее опасны полиморфные вирусы, меняющие свой код при каждом запуске, маскирующие вирусы («невидимки», «stealth»), скрывающие свое присутствие в памяти, многоцелевые вирусы. Для борьбы с ними создаются антивирусные средства, то есть программные продукты, выполняющие функции защиты данных, обнаружения вирусов и их нейтрализации. В 1997 г. такие программы были установлены на 75% компьютеров. Антивирусные программы выполняют сканирование «сигнатур» в поисках вирусов с неизменным кодом, проверку целостности программ (в частности, по «контрольным суммам»), эвристический анализ поведения программ, испытание «подозрительных» программ в поисках полиморфных вирусов, поиск макровирусов в кодах документов. Для защиты от вирусов полезно выполнять следующие правила: o по возможности закрывать доступ по записи к дискетам; o без необходимости не пользоваться чужими дискетами и не передавать свои для использования; o ограничивать доступ к компьютеру посторонних лиц;

135

o не запускать незнакомые программы; o применять лицензионные программные продукты; o хранить рабочие копии программ; o использовать комплексные антивирусные средства, например, антивирусные пакеты фирм McAfee, Dr.Solomon, Symantec, Data Fellows, а также отечественных КАМИ (Лаборатория Касперского с программой AVP) и DSAV и ДиалогНаука (Aidstest, Doctor Web, Adinf); o осваивать антивирусные системы, обнаруживающие и удаляющие новые вирусные штаммы. 6.1.4. Конфиденциальные системы

Тайна жизни есть величайшее наше страдание. Г. де Мопассан. «Кто знает?» Решению проблемы конфиденциальности информации посвящена деятельность ряда международных и национальных организаций. В России передачей, обработкой, хранением и комплексной гарантированной защитой информации занимается ФАПСИ - Федеральное агентство правительственной связи и информации при президенте. В частности, им ведутся работы по засекречиванию телефонной информации, по аппаратной криптозащите передаваемых сообщений, по компьютерной защите банковских, бухгалтерских, торговых и клиринговых систем, встраиваемой в программные оболочки, электронную почту, информационно-поисковое и прикладное программное обеспечение. При решении проблемы конфиденциальности международная практика опирается на стандарт многоуровневой защиты данных MLS (MultiLevel Security). Он определяет требования к пяти уровням секретности: открытому, конфиденциальному, секретному, совершенно секретному и особо важному. В соответствии с этим стандартом разработаны специальные информационные технологии охраны каналов информации от утечки данных, проникновения несанкционированных пользователей и вирусов. Реализуя требования MLS, американский центр NCSC определил требования к защите информации, распределив их по уровнями - от D (самый низкий) до A. Критерии оценки степени защищенности компьютерных систем сформулированы в “оранжевой книге” и “радужной книге” NCSC: o уровень D считается незащищенным; o системы дискреционного доступа класса C1 должны поддерживать парольную защиту для идентификации пользователя, допускаемого к работе с определенными привилегиями, а также защиту файлов по доступу к ним; o системы контролируемого доступа класса C2 регулируют ответственность различных пользователей с помощью индивидуальных паролей и специальных записей (протоколов) о каждом связанном с защитой действии; следят за

136

поведением своих клиентов; поддерживают списки контроля доступа различных пользователей и средства использования ресурсов, гарантирующие, что любые данные, оставленные в памяти, не будут доступны посторонним; o системы класса B1 особым образом “метят” файлы для контроля за их выполнением; o класс B2 гарантирует, что пользователю, получившему доступ к ресурсам, невозможно воспрепятствовать в получении и обработке информации; o на уровне B3 при нарушении защитной политики подается сигнал администратору; o системы класса A1 должны предоставлять дополнительные гарантии безопасности, основанные на формальном анализе и математическом доказательстве соответствия проекта системы ее защитным требованиям. Европейская коммерческая лицензионная служба определяет аналогичные уровни компьютерной безопасности E1 – E4. Российская система Кобра регламентирует и обеспечивает выборочный доступ пользователей к информационным ресурсам, сохранность конфиденциальной информации в сетях, регистрацию действий пользователей, поддержку работоспособности информационных систем, защиту файловых систем и интерфейсного оборудования. Для аутентификации пользователей здесь применяются пароли, ключи и электронные устройства анализа биометрических сигналов. Система в состоянии ограничивать использование стандартных драйверов и утилит, препятствовать запуску исполняемых программ, контролировать целостность программной среды и восстанавливать ее при повреждении, очищать память по завершении сеансов работ и закрывать доступ к аппаратуре. Модель Trusted Network Computing Environment (Novell) обеспечивает защиту информации в сетях по классам C2 и E2, используя для этого проверки на идентичность, контрольные метки, шифрование. При регистрации пользователь вводит свой регистрационный код и пароль, определяющий его права доступа в заданное время к определенным ресурсам. Установка минимальной длины пароля снижает вероятность случайного его подбора. После повторного ввода неверного пароля система закрывается с протоколированием попытки вторжения в сеть. Защита на уровне каталогов ограничивает возможности поиска, записи, чтения, удаления файлов. На открытом уровне незащищенных информационных систем используются такие простые средства защиты данных, как установка атрибутов файлов “только для чтения” и “скрытый” в среде MS-DOS, паролей в системах DR-DOS и Netware, защищенных дискет и CD-ROM. Низкоуровневым средством реализации конфиденциальности служит утилита Diskreet (Symantec), позволяющая шифровать файлы, создавать и обслуживать "скрытые" диски, хотя и не способная предотвратить обновление, копирование и удаление информации. Утилита Wideinfo обеспечивает секретность выполняемых на ЭВМ работ посредством необратимого

137

уничтожения файлов, каталогов, областей на дисках. Утилита Diskmon из группы Sequrity пакета Norton Utilities обеспечивает: защиту от не санкционированной пользователем записи, визуализацию активности дисководов при чтении и записи информации, парковку головок накопителей на магнитных дисках. Более сложны и эффективны криптографические платы, применяемые, например, в системах автоматизации межбанковских платежей. Так, в системе Криптон 3 при прохождении каждого платежного документа в банке осуществляется около десяти проверок и периодическая смена шифровальных ключей. А в банковских системах, подобных Клиент-Банк, применяется шифрование информации по алгоритму DES (Data Encryption Standard) с секретными ключами и электронное визирование документов по алгоритму RSA в соответствии со стандартом ISO 8737. Электронные ключи для защиты данных от несанкционированного доступа устанавливаются на параллельные порты, шину USB или в разъем ISA. В основе многих ключей лежат процессоры ASIC (Application Specific Integrated Circuit) фирм Aladdin и Rainbow. Такие ключи кодируют тело программы, добавляя в него модули, перехватывающие управление файлом. Часто в них хранят идентификационную информацию о программе, счетчики запусков, пароли и настройки. Специальные генераторы дистрибутивов (например Install Kit) позволяют изготавливать программы привязки к ключевой дискете или винчестеру. Программно-аппаратные комплексы на основе «секретного диска» управляются электронными ключами, реализующими механический контакт со считывателем. Они выдерживают деформации, удары, не подвержены электромагнитным и электростатическим полям. Число пластиковых магнитных карт, в том числе смарт-карт со встроенными микросхемами, достигло в мире нескольких сотен миллионов. Наличие карты часто обеспечивает активизацию и функционирование компьютера, а ее отсутствие блокирует систему. Смарт-карта может использоваться и как пропуск в помещение, и как регулятор доступа к ресурсам, и как электронный кошелек… В частности, банковская карта СР 8 фирмы Bull идентифицирует данные по коду и биометрической информации, подтверждает сообщения, опознает электронную подпись, генерирует секретные ключи, обрабатывает ошибки и «разоблачает» мошенничество. Этот «встроенный интеллект» поддерживается специальной операционной системой.

138

6.2. Технологии мультимедиа 6.2.1. Мультимедиа

В уме своем я создал мир иной, И образов иных существованье. Я цепью их связал между собой, Я дал им вид… М. Лермонтов Области применения Концепция мультимедиа, то есть интерактивных систем, работающих с динамическими изображениями (анимациями), видеосигналами и высококачественным звучанием, стала одной из центральных тем информатики. К прикладным системам мультимедиа относятся электронные книги, обучающие средства, виртуальные миры, игры, системы для бизнеса, менеджмента, медицины. Выпускаемые сегодня мультимедиа-программы охватывают практически все области интересного, полезного, развлекательного: путешествия в историю и географические маршруты, спорт, космос, искусство, кулинарию... Евангельский диск Поленова помог собрать вместе разбросанные по миру полотна великого живописца в сопровождении музыки Рахманинова и Чайковского, текстов Священного Писания и комментариев на русском и английском языках. На диске Николай Рерих сотрудники Нью-йоркского музея Рериха и Рериховского центра духовной культуры, объединили биографию, множество фотографий и коллекцию живописи – всего более 520 работ. Мультимедийный комплекс Эрмитаж на CD-ROM фирмы Media Mechanics содержит ранжированные по различным школам европейской и российской живописи описания произведений искусств из коллекции музея, скульптуры, произведений декоративно-прикладного искусства. Демонстрация слайдов сопровождается синхронизированным рассказом об архитектурных особенностях Зимнего дворца, жизнеописаниях государственных деятелей и династий. Диск Art этой же фирмы посвящен основным эпохам западноевропейской и американской культуры, ее стилям и направлениям. Электронная система хранения и распространения копий фондов Третьяковской галереи превышает 600 тысяч записей и 200 тысяч изображений. Созданная с участием фирмы Olivetty с использованием телекамер Sony на 32000 цветов с разрешающей способностью до 4096 х 3000 пикселей; RGB-мониторов разрешением до 24 бит на пиксель; слайд-сканеров Eikonix; слайд-принтеров Agfa PCR с разрешением 2800 точек на дюйм в 24-разрядном цвете, система поставляется на цифровых оптических дисках емкостью 2 Гбайт. Большой популярностью пользуются мультимедиа-энциклопедии, посвященные множеству отраслей знаний. Во многих статьях такие системы содержат фрагменты видеофильмов со звуковым сопровождением. Их примерами являются Российская национальная библиография, Российская мультимедиа-

139

энциклопедия, Справочник по технологиям мультимедиа и CD-ROM. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия на четырех оптических дисках содержит 80000 статей, Толковый словарь русского языка С.И. Ожегова и Н.Ю. Шведовой, 25000 биографий, 10000 иллюстраций, 217 видео и 356 звуковых фрагментов, Географический атлас мира и «Помощник любителя кроссвордов». Оригинальными справочными системами с сенсорными экранами служат «компакт-киоски». Они заменяют обычные кнопочные автоматы в гостиницах, на вокзалах, в банках и в ответ на запрос клиента дают подробные ответы, включающие иногда целые фильмы. Мультимедийные геоинформационные системы объединяют электронные аналоги карт, атласов, туристских путеводителей, схем транспортных и промышленных коммуникаций, планов сельскохозяйственных угодий, населенных пунктов, промышленных объектов. Такие средства обеспечивают принципиально новые возможности экспертизы хозяйственной деятельности, систематизации и быстрой выдачи кадастровой информации для мониторинга и управления природными ресурсами. Примером геоинформационной системы является цифровая карта мира, разработанная Калифорнийским институтом исследования окружающей среды (ERSI - Environment Research System Institute). Ее данные, систематизированные по материкам, хранятся на четырех 600-мегабайтных лазерных дисках. По запросам пользователей они переносятся на магнитные накопители и преобразуются по слоям, таким как «Железные дороги», «Магистрали», «Водные системы», «Рельеф», «Трубопроводы», «Линии электропередачи» и т.п. применительно к заданным регионам. Аналогичная карта разработана для мирового океана. Система Arc/Info того же института способна оцифровывать карты, редактировать изображения и прорисовывать композиции, выполнять комплексный анализ картографических систем, преобразовывать форматы данных, рассчитывать оптимальные водные, дорожные и авиамаршруты, решать задачи оптимального распределения ресурсов. Стандарты Представление данных в мультимедиа регламентируется рядом стандартов. Согласно требованиям старейших из них - стандартов Quick Time для компьютеров Macintosh и MPC 2 (Multimedia PC Marketing Council) для IBM PC, - для мультимедиа необходимы компьютеры, в минимальный комплект которых входят звуковой адаптер, видеоадаптер, компакт-дисковод, жесткий диск, ОЗУ и процессор. Современная группа стандартов на компакт-диски для систем мультимедиа охватывает: o Red Book (Audio CD) – стандарт потребительских CD-ROM для цифровых аудиосистем, предложенный фирмами Philips и Sony, согласно которому компакт-диск должен быть рассчитан на 74,5 минут звучания при емкости 640 Мбайт;

140

o Yellow Book – развитие стандарта Red Book на персональные компьютеры, согласно которому CD-ROM должен иметь возможность представления комбинированной (звуковой, текстовой, графической) информации; o Orange Book – стандарт на записываемые и стираемые диски, в частности магнитооптические, с однократной записью в формате WORM и дописываемые (CD-R, CD-W) (Philips и Sony); o Green Book – стандарт на форматы файлов CD-ROM, обеспечивающие их совместимость по чтению с интерактивными дисками CD-I-CD с чередованием графических и звуковых дорожек (Philips и Sony); o White Book (Video CD) – стандарт на форматы видеофильмов и анимации (JVC и Philips); o ISO 9660 – стандарт на логический и файловый форматы CD-ROM, аналогичные формату дискеты, с дополнительной информацией о синхронизации привода; o CD-ROM XA (eXtended Architecture) – стандарт на мультисессионные компакт-диски с возможностью дописывания чередующихся блоков текста, графики, сжатого звука, видео (Sony, Philips и Microsoft); o Photo CD – стандарт на хранение фотоизображений и цифровых аудиозаписей (Kodak); o Karaoke CD – стандарт цифрового аудио (JVC). Большинство современных дисководов CD-ROM читает диски, выполненные в стандартах Yellow Book и CD-ROM XA. Для хранения больших архивов фотографий используется стандарт Photo CD. Информация на CD-ROM, удовлетворяющих этому стандарту, менее подвержена цветовым искажениям вследствие старения, чем на фотопленке. И н ф о р м а ц и о н н ы е р е с ур с ы Распространены комбинированные мультимедиа-адаптеры и системы. Например, Winstorm фирмы Sigma Designs обеспечивает стереозвучание в 16разрядном диапазоне и воспроизведение видеозаписей. Удачным примером комбинированной системы является настольный суперкомпьютер Power Macintosh, включающий в свой состав RISC-процессор Power PС, адаптер Ethernet, высококачественную звуковую плату, 24-разрядную видеосистему и ряд других ресурсов. Наконец, выпускаются полностью укомплектованные компьютеры для мультимедиа, такие как Ultimedia (IBM), специализированные рабочие станции фирм Next, SUN, Silicon Graphics, DEC. В них дискам CD-ROM часто предпочитают лазерные диски WORM, хранящие видеосигналы в аналоговой форме. К мировым «грандам» в области специализированных программных средств мультимедиа относятся фирмы Alias Research, Wave Front, Soft Image, TDI, SESI. В нашу страну одной из первых «проникла» мультимедийная система Quick Time фирмы Apple. В состав ее входят программы для работы со звуком, видео, динамическими изображениями, сгруппированные в четыре раздела. Раздел

141

системных программ содержит «киноинструмент», редакторы данных и регистраторы ресурсов (плат расширения, дигитайзеров, видеомагнитофонов, лазерных плееров, программных драйверов). Раздел форматов организует перенос информации между различными программами, документами, файлами. Раздел стандартных интерфейсов пользователя облегчает создание диалоговых приложений, управление проигрыванием фильмов, просмотр пиктограмм. Большинство операционных систем в той или иной степени удовлетворяет требованиям стандартов мультимедиа. В частности, все версии Windows поддерживают мультимедийные режимы своими функциями и программами. В Windows98 32-разрядная файловая система CDFS обслуживает многоскоростные приводы CD-ROM. Благодаря функции AutoPlay, на CD-ROM автоматически отыскивается и выполняется стартовый файл Autorun. Полностью реализуется и технология DVD работы с аудио-, видео- и обычными компакт-дисками. 6.2.2. Компьютерная графика

В течение столетий художники писали тени черными, и только когда импрессионисты вгляделись в окружающий мир непредубежденным взглядом и точно изобразили то, что увидели, всем стало ясно, что тени вовсе не черные, а цветные. С. Моэм. «Человек, у которого была совесть» Ап п а р а т ур а Для получения качественных изображений на экране компьютера требуется специальное оборудование. Как правило, компьютеры, представляющие ядро графической аппаратуры, оснащаются разнообразными видеоадаптерами или имеют специальную конфигурацию (Amiga (Commodore), Apollo (HP), Silicon Graphics одноименной фирмы и т.п.). Если в обычных компьютерах расчеты и запись данных в видеопамять выполняет центральный процессор, то в рассматриваемых системах графические ускорители, в частности - Windowsакселераторы, перехватывают и сами производят эти операции, освобождая процессор для более важных дел. Основное ускорение при выводе графики достигается за счет блочной пересылки и закраски областей. Другие функции графических акселераторов - аппаратная реализация функций указателя, кэширование экрана для хранения шрифтов и элементов меню, рисование отрезков прямых в инженерных приложениях - не столь заметно ускоряют работу, но улучшают визуальное восприятие. Так как ускорители выполняют ограниченное число функций, повышение быстродействия от их применения в графике составляет от 25 до 45%. Например, графический акселератор Atiultra Xlr фирмы Gateway, смонтированный на локальной шине PCI, обслуживает видеопамять емкостью 2

142

Мбайт. А ускоритель Diamond Viper корпорации NEC с аналогичной видеопамятью поддерживает 24-разрядную графику формата True Color. Особое оборудование используется для реализации видеофункций мультимедиа. В частности, разнообразные TV-тюнеры преобразуют компьютер в устройство для просмотра телепрограмм и захвата видеоизображения с их последующим хранением и обработкой. TV-тюнер представляет собой или плату, совмещенную с видеоадаптером, или отдельное устройство. В качестве источника сигнала он использует телеантенну, линию кабельного телевидения, видеомагнитофон или видеокамеру и позволяет: o просматривать на экране дисплея телепрограммы; o смотреть видеофильмы; o оцифровывать сигналы, поступающие с видеовхода; o записывать видеофрагменты; o осуществлять видеосвязь в реальном времени. Характеристики Создание и воспроизведение графических образов, рисунков, динамичных мультипликативных и видеоизображений на экране дисплея выполняется под управлением специализированного программного обеспечения. Различают три вида компьютерной графики: растровую, векторную и фрактальную. Источником первой служат графические редакторы, сканеры, цифровые фото- и видеокамеры, Интернет. Вторая связана с иллюстрациями, шрифтовым оформлением, геометрическими элементами. Третья автоматически генерируется посредством математических расчетов. При растровом способе хранения образов значения пространственно распределенной характеристики графического объекта измеряются в узлах регулярной сетки, то есть запоминаются матрицы чисел или цифровые модели изображений. Примерами растровой графики служат форматы .pcx, .bmp. Память они используют весьма неэкономно и тогда, когда разные области изображаемого объекта имеют неравномерную по плотности информационную насыщенность, и когда эта насыщенность равномерна. При векторном способе хранения образов (форматы .gif, .cgm и т.п.) пространство образа разбивается на многоугольники (полигоны), внутри которых значения характеристик постоянны. Каждый полигон хранится в виде последовательности координат его вершин и значений характеристик в нем. Этим достигается экономия памяти, повышается скорость вывода данных на экран, упрощается изменение масштаба и смена проекций, но усложняется программирование. В частности, формат .gif для уменьшения объема информации содержит сокращенную (индексированную) палитру в виде таблицы из 256 описаний цвета. В ряде случаев векторные данные вводят в компьютер через дигитайзеры.

143

Фрактальная графика содержит наборы формул и уравнений, моделирующие процессы и явления, часто с генерацией необычных иллюстраций. Графические системы характеризуются цветовым разрешением и цветовой моделью. От цветового разрешения зависит количество одновременно отображаемых цветов. Для кодирования черно-белого изображения достаточно выделить по одному биту на пиксель. Выделение байта на пиксель способствует представлению 256 цветовых оттенков, два байта определяют 65536 цветов (high color), а при трех байтах возможно одновременное отображение 16,5 млн. цветов (true color). В Webграфике применяется «безопасная» 256-цветная палитра. Цветовой моделью называют способ разделения цветового оттенка на составляющие. Наибольшей известностью пользуются модели RGB, CMYK и HSB. В соответствии с первой – аддитивной - моделью, обслуживающей дисплеи и бытовые телевизоры, компьютер определяет любой цвет в виде RGB-списка яркостей, включающего в себя значения красной (Red), зеленой (Green) и синей (Blue) составляющих. Этот стандарт описывает каждую точку экрана тремя 8разрядными числами, представляющими ее цветовые координаты, которые могут изменяться в диапазоне кодов от 0 до 255. Черному цвету соответствует код (0, 0, 0), а белому – (255, 255, 255). RGB-палитра поддерживает все 16,5 млн. цветовых оттенков. На ее базе организуют растровую и векторную графику. Модель CMYK целесообразно использовать для обработки печатных изображений в отраженном свете. Чем больше краски кладется на поверхность, тем больше света она поглощает и меньше отражает, поэтому такую модель называют субстрактивной (вычитающей). Основными цветами ее являются голубой (Cyan), пурпурный (Magenta), желтый (Yellow) и черный (blacK). А наиболее простая модель – HSB – характеризует каждый цвет оттенком (Hue), насыщенностью (Saturation) и яркостью (Brightness). Значение цвета в ней задается вектором, выходящим из белого центра и характеризуемым углом ориентации в направлении «чистых» цветов радуги. Это направление и характеризует оттенок, тогда как длина вектора определяет насыщенность, а для яркости принята отдельная шкала. При разрешающей способности видеосистемы 640 х 480 пикселей на экран выводится 307200 точек. Чтобы воспроизвести 256 цветов с представлением пикселя 8-разрядным кодом, требуемая для хранения одного экрана емкость памяти приближается к 2,5 Мбайт. Для высококачественного воспроизведения (24 разряда на пиксель) требуется уже более 7 Мбайт. При анимации изображений экран обновляется со скоростью 24 – 30 кадров в секунду. При этом скорость передачи данных достигает 27 Мбайт/с, превышая возможности видеосистем персональных компьютеров. Поэтому для воспроизведения видео привлекаются специальные средства работы со сжатыми данными. Сжатие основано на поиске избыточной информации, ее кодировании и последующем декодировании в реальном времени. Существует много алгоритмов внутрикадрового и межкадрового сжатия и аппаратно-программных средств, реализующих эти алгоритмы – “кодеков” (CODEC

144

– COmpression-DECompression), выполненных по стандартам Cinepac, Motion, JPEG, Indeo. Например, система DVI (Digital Video Interactive) на базе процессора i750 фирмы Intel работает на двух уровнях: презентационном и реального времени. На первом предлагается полноэкранное видео с частотой 30 кадров в секунду, а на втором – менее качественное изображение. А сжатие по стандарту JPEG (.jpg) уменьшает объем файлов на порядок, хотя и не исключает потерь информации. Наряду с DVI, существуют системы, сжимающие видеоданные в 100 и более раз. Форматы .tif, .gif .png, хранящие полное 24-разрядное описание каждой точки, для компрессии используют исключающий потери данных метод LZW, согласно которому определенные типы избыточных данных заменяются короткими кодами. Программы Для работы с графикой предназначен графический интерфейс. Он представляется такими типами графических объектов, как диалоговые средства выбора, значки, символьные строки, графические примитивы, геометрические шаблоны, а также слайды, тома, фреймы. Слайд - растровая копия экрана или фоновая «картинка» - создается графическим редактором или импортируется из других систем и хранится в файле в упакованном формате. Том представляет собой библиотечный набор упакованных слайдов, примитивов, элементов меню и значков. В графическую базу данных, именуемую фреймом, объединяются упорядоченные наборы записей с информацией о типе, координатах, цвете и других атрибутах графических объектов (линий, прямоугольников, окружностей, многоугольников, сплайнов, текстовых строк, «картинок»). В заголовках фрейма хранятся сведения об используемых слайдах и томах, а для взаимосвязи внутри фрейма каждая его запись сопровождается кодом. Основные функции графических систем связаны с обработкой таких фреймов, томов, слайдов: их чтением, актуализацией и представлением на экране, просмотром, модификацией, сохранением, удалением. К наиболее известным графическим процессорам относятся Paint для растровой графики, Corel Draw и Adobe Illustrator для векторной графики, а также Adobe PhotoShop и Adobe Publishing, iGrafx Designer (Micrografx), Freelance Graphics (Lotus), Alias, Upfront и Alias Scetch (Alias Research), Corel PhotoPaint (Corel). Популярны разработки в области компьютерного дизайна фирм View Point, Autodesk, Strata, Aldus, Macromedia, InfiniD, Symantec и др. Пакет Painter For Windows корпорации Fractal Design включает имитаторы кистей для масляных красок, пастелей, карандашей, перьев, шпателей. Встроенные средства управления освещением позволяют моделировать воздействие источников света различной интенсивности. Фильтры изображений организуют спецэффекты, выравнивают интенсивность, увеличивают яркость и контрастность, создают впечатление размытости и протяженности мазка. Система редактирования изображений Picture Publisher компании MicrografX управляет слоями и цветом

145

изображения. С помощью технологии объектных слоев любая область графического экрана превращается этой системой в автономный объект. В помощь программистам, выбирающим композиции, пакет содержит виртуальные библиотеки образцов с аннотациями. Сравнительно небольшой, но мощный набор средств для рисования и копирования графических образов предлагает Color It! фирмы Micro Frontier. Интерфейс, написанный в стиле, традиционном для Apple компании, ставящей на первое место простоту и удобство, - представляет собой своеобразную «коробку с инструментами», набор которых можно изменять с помощью всплывающего меню. «Кисти», «распылители», «ластики», «карандаши», «краски» создают идеальную среду для воплощения замыслов пользователя. Квадраты, овалы, многоугольники готовы к заполнению любой части экрана. В программе реализовано гибкое управление цветоделением, удалением фона и перемещением отдельных компонентов. Графический редактор PhotoShop фирмы Adobe осуществляет вырезание фрагментов, вращение образцов, масштабирование, коррекцию яркости и контрастности изображений, регулировку оттенков и цветовой насыщенности, оптимизацию баланса цветов. Несколько цветовых палитр обслуживают набор из десятков фильтров для получения визуальных эффектов. И как всегда, в распоряжении художника компьютерные «кисти» и «краскопульты», «карандаши» и «штемпели», «пятнонаносители», «копиры», «перья», шрифтовые трафареты, средства воздействия на четкость «мазков» и на «давление кисти» на «холст». 50% мирового рынка графических программ для телевидения контролирует фирма Wavefront Technologies. Ее пакет Complete Animation Suite содержит редактор двухмерных изображений, программу моделирования динамики, модуль для конструирования иерархических систем, программу для подготовки выходной видеопродукции. Для обработки готовых рисунков привлекаются специальные редакторы: Adobe PhotoShop, Photo Styler, Picture Publisher. Для работы с изображениями формата PhotoCD или принятыми от цифровых фотокамер в Windows98 включен пакет Picture It! Особый класс программ для обработки растровых изображений составляют каталогизаторы для просмотра графических файлов, создания альбомов, перемещения, комментирования и переименования рисунков. К ним, в частности, относятся ACDSee32, Просмотр рисунков в составе Windows95, Imaging в Windows98. Области применения Область применения графики чрезвычайно широка. Интерактивная реклама на оптических и магнитных дисках успешно используется компаниями, специализирующимися на продаже компьютеров, автомобилей, услуг. От печатной и телевизионной рекламы интерактивную отличает то, что продавец получает возможность активного управления представлением рекламируемой продукции. Она позволяет потенциальному покупателю определить стоимость конкретной конфигурации продукта,

146

просмотреть рекламные ролики, ознакомиться с принципом действия изделий. Например, процесс создания такой рекламы для фирмы Jaguar состоит из этапов сканерной обработки фотографий автомобилей, преобразования графических файлов, редактирования изображений оформителями, организации системы связей и переходов между экранами и анимации программистами, проектирования сценариев проведения презентаций коммерческими агентами. Важным направлением в компьютерной графике является разработка и сопровождение систем управления цветом (CMS – Color Management System). В частности, пакет программ управления цветом Fotoflow фирмы Agfa содержит четыре модуля. Ключевой модуль Photo Tune объединяет характеристики описания сканеров, мониторов, печатающих устройств, Photo Reference поддерживает процедуры калибровки сканеров, Photo Look - их цветовой трансформации, а Photo Screen - управления работой дисплеев. Крупными областями применения программных продуктов такого типа являются промышленный дизайн и научная визуализация. На них ориентируются фирмы Boeing, McDonnell Douglas, Ford, Mercedes и др. В последние годы активно развивается виртуалистика (от лат. «virtus” доблесть, необыкновенное качество, истина) как одно из направлений мультимедиа, и в первую очередь компьютерной графики. Понятие виртуальной реальности в широком смысле связано с любыми изменениями состояния сознания – психическими, наркотическими, гипнотическими. В области информатики с виртуальной реальностью связаны процессы, возникающие под воздействием компьютера на сознание. Специальные аппаратные и программные средства превращают компьютер в «машину времени», увлекая пользователя в видеомир фантастических образов и красок, в котором он может двигаться, видеть, слышать и осязать виртуально. Сегодня библиография по виртуалистике насчитывает сотни наименований. Десятки лабораторий в США разрабатывают средства моделирования виртуальной реальности. В университете Карнеги-Мелона действует музей виртуального искусства. Создан новый жанр художественной литературы – виртуальный роман. Наиболее известного представителя этого жанра – «Полдень» Майкла Джойса – можно читать только на дисплее из-за обилия гиперссылок. Благодаря им, можно повернуть события вспять или завершить сюжет так, как хочется. Широкие возможности для создания и воспроизведения интерактивных видеофильмов предоставляет и операционная система Windows98: o “горячее переключение” (hot switching) видеорежимов с изменением количества цветов и разрешающей способности экрана; o аппаратная буферизация изображения (off-screen video buffering), позволяющая приложению строить графическое изображение в памяти перед выводом его на экран; o аппаратная независимость цветовой палитры от видеоадаптеров и дисплеев;

147

o встроенные в операционную систему средства OLE; o наличие библиотеки графических процедур WinG (Windows Games), содержащей аппаратно-независимые образы и средства быстрого отображения их на экране. Цифровое видео реализуется программой MS Video for Windows, воспроизводящей графические файлы форматов .bmp, .pcx, .waf. Все более широкое распространение и признание получают стандарты MS Direct3D (D3D) и MS DirectX5, регламентирующие правила обращения к аппаратуре, формирования изображений на экране, имитации трехмерных миров. “Архитектор мультимедийных потоков” DirectShow предоставляет расширяемый набор интерфейсов для создания приложений, основанных на стандартах сжатия видео MPEG. Создание полноэкранных интерактивных приложений обеспечивает технология Surround Video. Инструмент WinToon помогает готовить и воспроизводить мультипликации. Пакет Compel фирмы Asymetrix является примером мощного инструментария для создания демонстрационных материалов с мультимедиа. Различного рода «слайд-шоу» разрабатываются с помощью пакетов Animator компании Autodesk и Mediablitz! той же Asymetrix. Комплексное решение проблемы разработки программных средств для систем мультимедиа, связанных с обработкой изображений, распознаванием и трансформацией образов, текстов, цифрового телевидения, дают инструментальные системы фирмы Texas Instruments. В их основе лежат программные библиотеки Си++ и оптимизирующие компиляторы, компоновщики для MS-DOS, Windows, X-Window, Unix, а готовые пакеты программ и наборы примитивов охватывают широкий спектр задач в области кодирования звуковых сигналов, двух- и трехмерной графики, телекоммуникаций. 6.2.3. Компьютерная музыка

Музыка не терпит снисхождения. Не может быть посредственной игры. Н. Паганини Форматы Большинство современных CD-ROM поддерживает стандартный 8разрядный формат аудиозаписей с частотой дискретизации 22,05 кГц. Да и многие звуковые адаптеры (в том числе Sound Blaster фирмы Creative Labs) еще остаются 8разрядными, хотя сфера применения 16-разрядных аудиоадаптеров постоянно расширяется. На них рассчитаны звукозаписи, выполненные на частоте 44,1 кГц. Звуковой адаптер, размещаемый на материнской плате компьютера, управляет записью, воспроизведением и синтезом звука. Для записи адаптер оснащается аналого-цифровым преобразователем, выполняющим временное квантование сигналов, поступающих с микрофона или электромузыкального инструмента. Одновременно выполняется амплитудное квантование с использованием амплитудно-кодовой модуляции либо специальных методов кодирования.

148

Цифровые выборки звукового сигнала хранятся в компьютере в виде звуковых файлов одного из стандартных форматов. Мультимедийные дисплеи оснащаются усилителями стереозвука, динамиками и микрофонами, разъемами для подключения аудиоаппаратуры и соединения с аудиоадаптером Основными стандартами хранения звуковых файлов являются .wav фирмы Microsoft, .aif (Apple), .snd (Next), .voc (Creative Labs) и .mdi (MIDI - Musical Instrument Digital Interface). Стандарт MIDI регламентирует способ соединения различных музыкальных устройств (клавиатур, синтезаторов) и протокол обмена их сообщениями с указанием частоты и длительности нот. Иными словами, в MIDIфайлах хранятся только ноты и инструменты, поэтому они более компактны, чем другие звуковые файлы. Звук же синтезируется аудиоадаптером компьютера в процессе воспроизведения по различным алгоритмам. Если для рядовых программ, игр, энциклопедий достаточно обычного звукового адаптера на основе микросхем OPTI, ESS, Yamaha, то для музыкального творчества требуются уже звуковые карты с синтезом по таблице волн и соответствующее программное обеспечение. Программы Музыкальные программы делятся на: o конверторы и редакторы аудиофайлов (Awawe фирмы Markus Johnson, Finale от Coda Music Technology); o нотные редакторы и издательства, программы для создания музыкальных файлов (3D-Audio фирмы Climax Software Solution, Aleatoric Composer от Carl M. Christensen, Audio Compositor от Scott Mitchell, Cubase VST от Steinberg, Encore от Passport Designer); o эмуляторы синтезаторов и звуковых модулей; o MIDI-секвенсоры (CakeWalk фирмы Twelve Tone System, Cubase от Steinberg); o менеджерские программы (AudioFile фирмы SpinFree, FileMaker Pro фирмы Claris); o музыкальные базы данных; o плееры; o программные драйверы и утилиты цифровой записи и обработки звука; o обучающие и энциклопедические программы (Christmas Pianist фирмы PG Music, Creative Inspire от Creative Technology, Cubase Tutorial от Steinberg). Следует помнить, что файлы формата .wav могут иметь огромный размер: минута воспроизведения 16-битного звука при частоте дискретизации 44,1 кГц занимает на диске свыше 10 Мбайт. Для уменьшения объема аудиофайлов и снижения требований к скорости передачи данных, необходимой для их воспроизведения, цифровые записи сжимаются. Программы-компрессоры осуществляют сжатие и распаковку таких файлов, конфигурируют и редактируют аудиофайлы, синхронизируют события, видео- и звуковое сопровождение.

149

Наиболее часто сжатие выполняется по стандарту ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation). Алгоритм кодирования-декодирования ADPCM обычно реализуется либо программно, либо с помощью специальной микросхемы. Уже в Windows3.1 присутствовали редактор аудиофайлов Wave Edit, преобразователь форматов Convert, программа записи и воспроизведения цифровых аудиофайлов со сжатием по ADPCM Sound Recorder, многофункциональный проигрыватель MIDI-файлов и цифровых аудиофайлов Media Player, распределитель аудиоресурсов Midi Mapper, проигрыватель компакт-дисков WCD Play и Mixer, управляющий настройкой звучания. Раздел MCI Windows95, управляющий аудио- и видеофайлами и устройствами их воспроизведения, содержит полный комплект встроенных средств MIDI и, в первую очередь, широкий набор секвенсеров – утилит для записи и воспроизведения MIDI-сообщений. Кроме того, MCI предоставляет в распоряжение разработчиков средств мультимедиа язык высокого уровня и низкоуровневые функции языка Си++. В состав Windows95 входят, также, утилиты типа “кодек”, работающие под управлением программы Audio Compression Manager. 6.2.4. Образовательные и игровые компьютерные технологии

Учить - играя! Ж. Руссо Области применения Вся человеческая деятельность может рассматриваться как реализация определенных программ - биологических, социальных, культурных. Умение разобраться в соотношении этих программ, способность к познанию человеком себя и окружающего мира дает образование. Результаты внедрения в образование компьютерных методов (CAI - Computer Aided Instruction) зависят от заинтересованности преподавателей и учащихся, от используемых информационных ресурсов и методик. Во многих случаях преимущества, которые дает применение компьютеров, неоспоримы. Так, освобождение студентов от рутинных расчетов на коммерческих отделениях вузов помогает им скорее перейти к решению трудоемких задач линейного и нелинейного программирования. Компьютерные карты и модели на факультетах дизайна позволяют свободно экспериментировать при проектировании объектов ландшафтной архитектуры. Текстовые процессоры в гуманитарных институтах способствуют многократной переработке рукописей и шлифовке стиля изложения материала. Студенты-искусствоведы получают возможность знакомиться с прославленными музеями мира, исследовать фрагменты картин и вызывать комментарии к ним. Астрономы могут наблюдать за траекториями движения планет и, произвольно изменяя их модельные массы и скорости, наглядно оценивать влияние сил тяготения на форму орбиты. Студенты-химики на своих экранах моделируют реакции, комбинируя вещества, слишком опасные для

150

использования в лабораторных условиях. Будущим биологам предоставляется возможность имитации ускоренного размножения и вывода генетических законов. Медики могут наблюдать за функционированием системы кровообращения и за влиянием на ее работу кровотока, нервов, давления... Преимущества мультимедиа заметно проявляются в лингвистических учебных программах. Персональный компьютер в этом случае выполняет функции лингафонного кабинета, фильмотеки, словаря-справочника, учебника и, частично, преподавателя. В других предметных областях также повышается уровень представления материала, в первую очередь благодаря наглядной демонстрации на экране сложных технологических, физических и иных процессов, а также использованию сенсорных экранов при создании разного рода тренажеров реального времени. На основе мультимедиа выполняются сегодня читающие системы для слепых и прослушивающие средства для глухих. Образовательные системы Развитию компьютерного образования способствуют обучающие системы, в частности, электронные учебники, учебные курсы и тренажеры. Их можно быстро адаптировать к изменениям, происходящим в предметных областях. Они повышают наглядность описания объектов, освобождают преподавателя от лишней работы. Разработка таких программ способствует тиражированию наиболее эффективных методов проведения занятий и подачи материала, а их применение дает возможность учащимся осваивать учебный материал в доступном темпе и благоприятной психологической атмосфере. Например, система подготовки кадров компании BMW предоставляет хорошие возможности для манипулирования изображениями. Она позволяет обучаемому «достать со стеллажа» определенные детали и «оснастить» им изображенный на экране автомобиль. Высоким спросом пользуются программные продукты австрийской фирмы Festo - 4-5-часовые пакеты Основы гидравлики, Основы пневматики. Крупная организация Учеба с мультимедиа, объединяющая фирмы Telomedia, Applied Learning и IBM, создает обучающие рабочие станции. Специализирующаяся на мультимедиа немецкая фирма Pro Learner выпускает обучающие системы для промышленности; в числе ее клиентов AEG, Allians, DEC, HP, Lufthansa. Серию мультимедиа-компьютеров Macintosh LС для сферы образования выпускает фирма Apple. Постепенно осуществляется переход от процедурных языков программирования обучающих программ к все более производительным технологиям с применением специальных инструментальных систем. К подобного рода универсальным средствам создания компьютерных образовательных систем относятся HyperMethod одноименной российской фирмы, ToolBook фирмы Asymetrix, LinkWay (IBM), Ques (Alien Communication), Teach CAD (IST). В частности, ToolBook позволяет создавать и распространять интерактивные обучающие материалы, в том числе - для Интернет, CD-ROM, локальных сетей. В Растреллиевской галерее Зимнего дворца работает образовательный центр, рабочие станции которого обеспечивают доступ сотрудникам и посетителям музея к учебным курсам, разработанным Эрмитажем и

151

фирмой IBM, таким как «Евангельские сюжеты в западноевропейской живописи», «Античные сюжеты в западноевропейском искусстве». Технологии мультимедиа внедряются в образование в рамках региональных и международных проектов. С 1991 г. проводится европейская образовательная программа компьютеризации обучения и подготовки учебных материалов CALMAP (Computer Aided Learning in course Material Preparation). Функционируют международные центры ACT (Assistance for Cooperation in Trans) в Брюсселе, ORT в Лондоне, IFAP/IRI в Риме. С 1992 г. правительство России финансирует научнотехническую программу Мультимедиа-технологии. Российский проект с тем же названием получил грант фонда Сороса. В 1996 г. IBM заключила контракт с фондом Сороса на создание телекоммуникационного проекта “Университетские центры Интернет” для 32 периферийных вузов России. На Web-сервере moli.microsoft.com можно получить образование по программе MOLI (Microsoft Online Institute). Многие фирмы проводят гибкую политику по отношению к образовательным учреждениям. Так, программы гавайской компании Soft Warehouse продаются учебным заведениям с большой скидкой. Характерна в этом плане и история фирмы Borland: популярность ее продуктов многие объясняют не столько их качеством, сколько широкому льготному распространению в университетах и колледжах всего мира. Условно бесплатные обучающие программы и компьютерные учебники размещены на узлах Интернет А системы www.kiarchive.ru/pub/msdos/education/, www.machaon.ru/quiz/. автоматизированного проектирования Caddy немецкой фирмы Ziegler-Informatics предоставляются учебным заведениям практически бесплатно. Примерами успешного сотрудничества IBM с высшей школой является создание в Киевском политехническом институте учебно-тренировочного центра на базе ES/9000 и RS/6000, премирование высших учебных заведений серверами и рабочими станциями AT&T, система сертификации специалистов MS Certified Professional. В то же время, рождаются новые образовательные технологии, такие как First Search для поиска литературы на заданную тему. Они управляются через сети, объединяющие многие школы, средние и высшие учебные заведения США. Выполненные на основе библиотечной базы данных WorldCat, они поддерживают связь с электронными библиотечными каталогами и полнотекстовых базами данных типа Nexis фирмы MDC или WAIS (Thinking Machines). Сегодня WorldCat содержит сведения о документах, хранящихся в фондах более 23000 библиотек 63 стран, включая Библиотеку Конгресса США, Британскую библиотеку, Национальную библиотеку Канады и другие. В общей сложности база данных содержит ссылки на 35 млн. книг, периодики, звукозаписей, видеоматериалов, карт. Другая информационная система SwetScan содержит таблицы содержаний более 13000 журналов, ежедневно пополняясь 1500 оглавлений из новых выпусков. Патентная база данных DPCI (Derwent Patents Citation Index) не только описывает патентные

152

документы, но и содержит гиперссылки на связанную с просматриваемым патентом литературу. Быстро развиваются проекты цифровых библиотек. Наиболее значимые из них поддерживаются университетскими центрами США: NDLTD (Networked Digital Library of Theses and Dissertations) DLI (Digital Libraries Initiative). В Российской Национальной электронной библиотеке в 1998 г. было представлено около 2,5 тысяч источников информации, в том числе центральные и региональные печатные издания России и СНГ. Ее фонды включают несколько миллионов документов со средним объемом от 1 до 3 машинописных страниц. Ежедневно библиотеку пополняет 4 –5 тысяч полнотекстовых публикаций, поступающих в оригинальном или электронном виде по почте, каналам связи, телевидения и радиовещания. Платный и бесплатный доступ к документам предоставляется по Интернет из любой точки мира в сопровождении удобной поисковой системы. На входе и выходе локальной сети библиотеки установлено оборудование компании Cisco. IBM-совместимые персональные компьютеры, планшетные сканеры и плоттеры поддерживают ручной ввод и преобразование твердых копий изданий, готовя их к записи в архивы. Электронные версии документов обрабатываются на компьютерах Macintosh. Специальные поисковые средства и внешние Web-серверы размещены на рабочих станциях фирмы Sun. Программное обеспечение реализовано в операционных средах WindowsNT, Windows95, MacOS, Solaris. Доступ в сети реализуется программами FareWall, Apach, FrontPage, а ввод и распознавание текстов – средствами Microsoft Office и FineReader. Благодаря быстрому развитию видео- и аудиотехники, компьютерной связи и сетей, резко возросла роль дистанционного обучения (remote instruction). При этом повышается активность обучаемого в выборе средств общения с преподавателем, устанавливаются личные контакты через телеконференции, расширяются границы обучения – как географические, так и профессиональные и возрастные. Дистанционное обучение делает доступным для каждого и уникальные дисциплины, и курсы выдающихся ученых; оно обеспечивает доступ ко всем источникам информации. Мощная распределенная система обучения создана в последние годы на базе “Глобального университета” IBM. В нее входят цифровая мультимедийная библиотека, обучающие сети для преподавателей и учащихся, online-каталог для выбора колледжей и университетов, учебных программ, расписаний, сбора информации о ценах на образовательные услуги, консультациях, мультимедийных серверах и администрировании проекта. В Канаде около трети всех студентов, проходящих подготовку в области бизнеса, обучаются дистанционно, а в канадском «виртуальном университете» Атабаска все курсы изучаются только в дистанционном режиме. Игры Образование немыслимо без игры.

153

Еще в 60-х годах польский писатель и философ С. Лем заложил основы “фантомологии” - литературного направления, специализирующегося на отражении и исследовании искусственных миров. А с появлением в 1976 г. Atari началась эволюция компьютерных игр. В 1985 г. родился первый игровой компьютер Nintendo. С тех пор развитие компьютерных технологий отражает процесс постепенного воздействия техники на сознание человека, и по мере расширением границ электронного пространства растут технические, программные и психологические проблемы. Иногда даже компьютерное общение предпочитают естественному, так как связь через электронного посредника сохраняет анонимность, исключая многие факторы, препятствующие контактам (манеры, внешность, одежду, запахи, интонацию). Современная “фантомология” - это “виртуальная реальность” - искусственный мир на компьютере с его играми, приключениями и путешествиями. Первая особенность компьютерной игры заключается в наличии обратной связи между игроком и игровой сценой. Если ход обычной игры полностью зависит от воли человека и поведение ее персонажей заранее известно, то компьютерный мир полон неожиданностей. Эта непредсказуемость будущего делает даже самую простую компьютерную игру похожей на настоящую жизнь. Компьютерным объектом интересно управлять, потому что его не надо оживлять сознанием игрока. В него изначально заложены знания специалистов о том, например, как поведет себя самолет, если выпустить закрылки, или прибавить обороты двигателя, или потянуть на себя рычаг управления. Интерьер большинства игр отображается на экране как бы видимый глазами пользователя, с максимальным эффектом его личного присутствия. Компьютерная система позволяет осматриваться вокруг, заглядывать за угол или выглядывать из-за препятствия. Она погружает пользователя в мир реальных звуков, давая возможность насладиться музыкой, “беседовать” с героями, слушать диктора. Компьютерные игры стимулируют создание новой аппаратуры: устройств ввода и вывода, тренажеров, стереоочков и шлемов виртуальной реальности. Последние оборудуются стереонаушниками и телекамерами, проецирующими изображение в глаза игрока и изолируя его от мира реального. Специальные устройства позволяют следить за движением головы, не давая изображению покинуть поле зрения. Для новой аппаратуры разрабатываются стереоверсии популярных трехмерных компьютерных игр и пишутся новые игры. С появлением Интернета любители игр получили возможность общаться в реальном времени. К их услугам открылись узлы для файлов и бесед, турниров и соревнований. Появились новые герои, такие, как Протеиновый человечек, публикующий в Интернете списки самых популярных миров. Неведомые страны фирмы Popular Mechanics раскинулись множеством островов, висящих в космосе. На каждом из них – своя жизнь. В Лабиринте Знаний есть фильмы о погоде, спорте, играх, природных явлениях, “мыльных операх”. В кибергородах, среди живых и компьютерных обитателей можно выстроить свои апартаменты, создать интерьер, расставить мебель…

154

К популярным разработчикам компьютерных игр относятся Sony, Nintendo, Microsoft, Sega. Цена на их продукцию может достигать 25000 – 60000 долларов, и объем продаж компьютерных игр в 1997 г. превысил 5 млн. долларов. В одних только американских семьях насчитывается более 10 млн. игровых систем. Самые мощные игровые комплексы – Saturn (Sega), Play Station (Sony) – требуют уже специальных графических процессоров типа Nintendo64, ориентированных на выполнение трехмерных аудио- и графических операций. Наряду с ростом числа фирм, специализирующихся на игровых системах, постоянно повышается качественный и интеллектуальный уровень таких разработок. В Сиэтле, рядом с офисом Nintendo, и в Ванкувере (США) открыты первые в мире колледжи для разработчиков компьютерных игр. В них учат программированию, анализу алгоритмов, планированию, композиции, моделированию, операционным системам, сетям, математике, и выпускникам присваивается ученая степень в области интерактивной имитации. 6.3. Компьютеры в производстве и науке 6.3.1. Портативные и промышленные компьютеры

У машин нет проблем. Я хотел бы быть машиной. А вы нет? Э. Уолхер Портативные компьютеры Наиболее миниатюрными из портативных компьютеров являются калькуляторы, электронные переводчики и записные книжки массой до 300 г. Они оснащаются процессором, памятью, интерфейсом, дисплеем, рассчитанным на отображение нескольких строк информации. Лидерами на рынке калькуляторов выступают компании Casio, Sharp, Citizen, HP, снабжающие свои приборы защитой от несанкционированного доступа и возможностью подключения игровых приставок. Портативные компьютеры остальных типов архитектурно совместимы с персональными компьютерами, имеют аналогичное с ними программное обеспечение и поэтому широко распространены в офисе, быту, производстве, на транспорте. Их жидкокристаллические дисплеи поддерживают стандартное разрешение и стандартные цветовые схемы, а иногда поверх них устанавливаются сенсорные экраны. Клавиатуры имеют расположение и состав клавиш, близкие к настольным машинам. Портативные компьютеры не всегда оснащаются дисководами для дискет, поэтому их приходится связывать с внешним миром кабельным или последовательным инфракрасным каналом, а также через модем. Вместо встроенного жесткого диска все чаще применяется флэш-память, а вместо мыши - встроенные устройства типа трекбол, джойстик или сенсорные панели. Значительная часть периферии рассматриваемого класса машин выполняется в

155

стандарте PCMCIA, регламентирующем требования к платам расширения оперативной памяти и модемов, факс-модемов и сетевых адаптеров, винчестеров. Благодаря режиму Plug & Play, многие такие устройства можно извлекать из компьютера и устанавливать без потери его работоспособности. Специальная операционная система Windows CE поддерживает все необходимые режимы ввода, хранения, преобразования и передачи информации. Различают портативные (portable) компьютеры различных типов: наколенные (laptop) и карманные (palmtop), блокноты (notebook) и электронные записные книжки (notepad). Их яркая разновидность - персональные «цифровые ассистенты» (PDA - Personal Digital Assistent) - обеспечивают не только полнофункциональный ввод данных с миниатюрной клавиатуры, но и рукописный ввод, разбор, классификацию и «интеллектуальное» использование информации. В частности, Newton фирмы Apple оснащается перьевым вводом рукописного текста и воспринимает данные во всех популярных цифровых форматах. Оперативная память электронных записных книжек – органайзеров – часто одновременно играет роль и долговременной памяти, поэтому удобна для хранения цен, сводок, курсов валют, адресов и телефонов, для редактирования писем и таблиц. О с о б е н н о с т и п р о м ы ш л е н н о й а п п а р а т ур ы Для решения задач оперативного управления автоматизированным производством используются системы локального управления и системы числового программного управления - ЧПУ (CNC - Computer Numerical Control). Их вычислительные средства не рассчитаны на длительные вычисления, при которых накапливаются погрешности, а проводят их кратковременно, периодически оценивая расхождения и внося поправки. Это дает возможность достичь необходимой точности с помощью вычислителей небольшой разрядности. Кроме короткого машинного слова, для процессоров управляющих устройств характерно: o наличие гибких и разветвленных связей с оборудованием, обеспечивающих высокую оперативность управления; o присутствие специальных средств повышения надежности; o приспособленность к работе в реальном масштабе времени, благодаря наличию разного рода таймеров и многоуровневых систем прерываний; o наличие особых режимов обмена с внешними устройствами, связанных с прерыванием хода основных процессов центрального процессора во время обмена или с передачей своей активной роли другим устройствам. Промышленные контроллеры Более 90% оперативных систем ЧПУ построено на микросхемах программируемой и гибкой логики - ПЛК (PLC - Programmed Logical Controller, PLD - Programmed Logic Device, FLEX-logic). Такие микроконтроллеры позволяют: o более полно использовать ресурсы микросхемы по сравнению с элементами малой и средней степени интеграции;

156

o сократить количество корпусов на плате, тем самым снизив потребляемую мощность и повысив надежность; o лучше защитить авторские права на схемотехнические решения; o облегчить этап отладки систем. В частности, фирма Intel выпускает серии 5C032, 85C220, FX730-780, 8160. Среди 8-разрядных микроконтроллеров распространена серия i80С51, которая производится сегодня в объемах сотен миллионов штук. Она объединяет в одном кристалле стандартный 8-разрядный центральный процессор, ОЗУ, ПЗУ, схемы ввода-вывода и системы обработки сигналов различных устройств. Кроме того, на работу в составе ПЛК ориентирована серия i80С186, состоящая из 16 процессоров, в том числе 16- и 8-разрядных 3-вольтовых. Процессор i80С186 обслуживает адресное пространство 1 Мбайт с тактовой частотой 13 и 16 МГц и может работать с сопроцессором i80С187 в трех режимах экономии энергии. Первый предусматривает работу периферии при отключенном центральном процессоре, второй основан на снижении тактовой частоты в 4, 8, 16, 32 или 64 раза, а третий связан с отключением всей микросхемы до появления внешнего сигнала «будильника». Подобная платформа получила название Classic. В классе индустриальных ЭВМ фирмой Texas Microsystems выпускается семейство FTSA (Fault Tolerant System Architecture). Это автономные вычислительные системы c дублированием блока питания и дисковой подсистемы, со встроенным источником бесперебойного питания и специальной платой мониторинга. Среди других ПЛК получили распространение американские IPC и PLC 2, французские SMC, немецкие Varios, PC 600 и Simatic, итальянские Modicon, финские Autolog и VisiAlarm, австрийские Festo и японские Omron. Промышленные компьютеры Наряду с промышленными контроллерами, на нижнем уровне автоматизированных систем управления и сбора информации и в мобильных (транспортных) системах, средствах связи, радиорелейных станциях, установках контроля промышленных выбросов функционируют промышленные компьютеры. Их отличает удобство в установке непосредственно на объектах сбора данных и управления, в том числе и под открытым небом. Как правило, они обеспечивают наработку на отказ 8 - 11 лет, работоспособность при температурах от -40 до +85 градусов Цельсия, влажности до 95%, вибрациях в диапазоне 5 - 10 Гц силой до 5 G, ударных нагрузках до 20 G со сроком восстановления не более 30 минут. Большинство таких машин может функционировать в герметичных несущих корпусах без вентиляции. Промышленные дисплеи на базе электронно-лучевых трубок имеют «плавающие» подвески и характеризуются высокой магнитной проводимостью и хорошим экранированием. В мировой практике распространены стационарные промышленные компьютеры общего назначения: IBM, DEC, Texas Microsystems, Contec Microelectronics (Япония), а также модульные контроллеры, в основном представленные одноплатными компьютерами SBC (Single Board Computer).

157

Среди промышленных компьютеров, совместимых с персональными ЭВМ, выделяются QNX-машины со встроенными средствами технологического программирования, работающими под управлением операционной системы реального времени QNX. Концепция открытой модульной архитектуры, реализованная в таких компьютерах, обеспечивает их взаимодействие как между собой, так и между системами разных уровней. В первом случае используются промышленные протоколы ProfiBus, CAN, ModBus, BitBus, InterBus, LonWorks, II/O LightBus, во втором – сетевые средства типа Ethernet, Arcnet, Token Ring и протоколы TCP/IP, IPX/SPX, NetBios. Для передачи информации в QNXкомпьютеры применяются магистрали, выполненные по стандартам PC/104, VME, CompactPCI, STD32, ISA, PCI. Компьютеры MicroPC (Octagon Systems) предназначены для сбора данных и управления в производственных системах, где невозможно применение обычных персональных компьютеров. Набор плат размером 114 х 123 мм позволяет создавать на них различные встроенные системы, программно и аппаратно совместимые с персональными машинами. Входящие в состав семейства MicroPC управляющие платы могут иметь различную производительность. Это могут быть «электронные» диски, диски ПЗУ для операционной системы, статические ОЗУ с резервным питанием от батарей и перепрограммируемые ПЗУ для хранения данных и информации о конфигурации системы. Любая управляющая плата рассчитана на питание от одного источника напряжением 5 В с преобразователем для устройств, требующих другие напряжения. В частности, более чем 150 компаниями используется сегодня модель PC/104, совместимая с i486 и Pentium, с магистралью ISA и операционной системой QNX. До 18 дополнительных плат с шиной PC/104 можно смонтировать в «многоэтажную» конструкцию без дополнительных соединителей и объединительных панелей. Так, компьютер PCM 3345 компании Advantech класса PC/104 на процессоре ST Thomson DX-66 при частоте шины 66 МГц обслуживает ОЗУ до 32 Мбайт, интерфейсы FDD и EIDE, клавиатуру и VGAконтроллер с графическим акселератором. Для программирования таких систем целесообразно использовать как саму MicroPC, так и персональные компьютеры, работающие в среде MS-DOS с эмуляцией на них MicroPC. С целью унификации подходов к программированию промышленных компьютеров, Международным электротехническим комитетом разработан стандарт IEC 1131-3, описывающий требования к технологическим языкам программирования: непроцедурным (типа SFC, LD, FBD) и процедурным (типа ST, IL). Язык функциональных схем SFC описывает логику программы последовательностью функциональных блоков, описывающих действия, связанных условными переходами. Язык релейных диаграмм LD интерпретирует графикой логические выражения, а язык функциональных блочных диаграмм FBD позволяет строить из блоков комплексные процедуры. Язык высокого уровня ST используется для описания процедур со сложной логикой и структурированным текстом, а язык команд IL используется для подготовки модульных программ. Одной из самых распространенных реализаций IEC 1131-3 является инструментальная система

158

ISAGraf, объединяющая некоторые из указанных языков и получившая признание свыше 80 компаний, таких как ABB, BMW, General Motors, Motorola. 6.3.2. Рабочие станции и суперкомпьютеры

Грандиозные вещи делаются грандиозными средствами. А. Герцен. «Былое и думы» АС У Автоматизированные системы управления производством – АСУ (CAM Computer Aided Manufacturing) относятся к классу систем реального времени (realtime system), реализующих функционирование вычислительного комплекса синхронно с автоматизируемым процессом. Различают три уровня АСУ: o стратегический уровень планирования производства; o тактический уровень выработки управляющих воздействий; o оперативный уровень переработки информации. Объединение универсальных и специализированных компьютеров, рабочих станций и суперкомпьютеров на стратегическом уровне со среднемасштабными мини-ЭВМ и серверами тактического уровня ведет к образованию интегрированных производственных систем класса CIME (Computer Integrated Manufacturing and Engineering). В их состав входят автоматизированные системы управления производством (АСУП) и технологическими процессами (АСУ ТП) класса CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing), а также корпоративные информационно-управляющие системы (КИС). С их помощью реализуется: o оперативное получение и использование информации о производстве, материалах, финансах, энергетических потоках, запасах сырья; o определение, планирование и оптимизация комплексных показателей эффективности и качества; o объединение и поддержка баз данных предприятий и отраслей – бухгалтерских, складских, производственных, маркетинговых и т.п.; o поддержка корпоративных сетей, в том числе клиент-сервер. Рабочие станции Вычислительные комплексы, ориентированные на максимально эффективное решение конкретных прикладных задач, получили название рабочих станций. Характерным представителем их является, например, Professional/GX (Intel). Ускоренная графика высокого разрешения на локальной шине, встроенный адаптер SCSI для жестких дисков большой емкости, интегрированные звуковые средства - все это делает платформу удобной для выполнения проектов и реализации мультимедиа. Кроме продукции Intel, на рынке рабочих станций доминируют сегодня RISC-системы архитектур Sparc, PA-RISC, MIPS, Power. Основная масса SPARC-систем производится фирмой Sun. Биржи и торговые дома,

159

нефтеперерабатывающие и газоперекачивающие предприятия, университеты и научные лаборатории используют Sun SPARC Station. PA-RISC-технология продвигается в основном фирмой HP в ее гамме Apollo. Silicon Graphics в системах Iris, Indigo, наряду с японскими фирмами NEC и Sony, использует архитектуру MIPS. Единственным производителем рабочих станций на базе архитектуры Power является IBM. В ее семействе RS/6000 процессорный модуль выполнен по оригинальной суперскалярной схеме с сокращенным набором команд - POWER (Performance Optimization With Enchanced RISC). Он содержит независимые устройства арифметики с плавающей и фиксированной точкой, модуль управления памятью, ветвлением и переходами с 32-, 64- и 128-разрядными внутренними шинами. Доступ к ОЗУ, емкость которого измеряется гигабайтами, и к периферийной аппаратуре основан на расширенной архитектуре MCA. Уникальны технические характеристики многих рабочих станций. Их производительность достигает 124 MIPS и 40 MFLOPS, тактовая частота превышает 1000 МГц, для кэш-памяти не является пределом 2 Мбайт, для ОЗУ - 256 Мбайт, для внешней памяти - 300 Гбайт. Многие модели оснащаются 16-21-дюймовыми дисплеями с разрешением порядка 1280 х 1024 пикселей, а производительность графических адаптеров достигает 2 млн. VPS при 16,7 млн. цветов. В программном обеспечении таких комплексов используется концепция открытой модульной архитектуры OMAC (Open Modular Architecture), выдвинутая General Motors в 1994 г., а также OSACA (European Open System Architecture for Controls within Automation system), IROFA (Japan International RObotics and Factory Automation), OSEC (Japan Open System Environment for Controller architecture), TEAM (US Technologies Enabling Agile Manufacturing), MOS (US Manufacturing Operating System), EMC (US Enhanced Machine Controller), OAMTC (US Open Architecture Machine Tool Controller), NGIS (US Next Generation Inspection System). Рабочие станции эффективно используются и в непромышленной сфере. Например, медицинская система для передачи и архивирования графических изображений PACS Калифорнийского университета позволяет обрабатывать данные клинических исследований методами ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и компьютерной томографии. Она состоит из четырех графических станций высокого разрешения и трех станций среднего разрешения. Томограф и ЯМРспектрограф связаны с центральным файловым сервером кольцом с волоконнооптическим интерфейсом FDDI по стандарту Ultranet, поддерживающему скорости обмена до 1 Гбит/с,. с подключением рабочих станций к базе данных о пациентах через сеть Ethernet. Требования к емкости запоминающих устройств при этом очень велики, ибо одна флюорограмма или ЯМР-спектр порождает 8-мегабайтный файл, а размеры файлов с томограммами доходят до 300 Мбайт. В медицинском центре ежедневно проводится около 250 рентгенологических, 50 томологических и 50 ЯМР-исследований, потребляющих около трех гигабайт данных. Для хранения их применяются накопители корпорации Fastman Kodak емкостью 1 Тбайт. Все изображения хранятся в базе данных производства Sybase на сервере фирмы SUN.

160

С уп е р к о м п ь ю т е р ы Значительно более высокие возможности, чем у рабочих станций, открывает применение суперкомпьютеров. Термин «суперкомпьютер» родился в середине 70х годов, когда в России, США, Японии, а позднее в Великобритании, Франции, Индии начали действовать национальные программы по созданию машин сверхвысокой производительности. Первые образцы их - американские Cray 1, Cray 2 по проекту С. Крея и отечественные Эльбрус 1, Эльбрус 2 были созданы в конце 70-х - первой половине 80-х годов. Сегодня к суперкомпьютерам относят ЭВМ с быстродействием свыше 1 млрд FLOPS. Так, Sparc Station 10 Model 54 имеет 206 MIPS. Еще большую производительность развивают ES/9121 Model 320 (IBM), Cray Y-Mp. Cray Research выпускает машины производительностью более 10000 MIPS. Известный суперкомпьютер RS/6000 SP (IBM) обслуживает знаменитую шахматную программу DeepBlue. Самые быстрые суперкомпьютеры японской фирмы NEC обеспечивают 4 триллиона FLOPS на 512 процессорах, развивающих скорости передачи данных до 32 Тбайт/с. Первый персональный суперкомпьютер PowerMac G4 на базе процессора PowerPC G4 выпустила фирма Apple. Суперкомпьютерами реализуется параллельная обработка данных векторноконвейерным или массово-параллельным методом. Для векторно-конвейерных процессоров предпочтительно формирование обрабатываемых данных по упорядоченным в памяти адресам, чтобы в обработке преобладали операции над векторами и матрицами. На этом принципе построены российские системы Электроника ССБИС-1 и Эльбрус 3.1, головным разработчиком которых является объединение Квант. Они выполнены на субмикронных микросхемах, приборах, использующих квантовые и квантоворазмерные эффекты. В США векторные системы производят компании Cray Research, Cray Computer и Convex Computer. Системы массового параллелизма (MPP - Massively Parallel Processing) развиваются на базе транспьютерных технологий этими же зарубежными фирмами. В частности, компания Cray Research выполняет на суперкомпьютерах класса MPP заказы в четырех прикладных областях: моделирование окружающей среды, военное производство, создание новых материалов и управление сложными производственными комплексами. В то же время, около половины суперкомпьютеров используется в коммерческих целях. Между тем, некоторые вычислительные задачи требуют еще большей производительности. Так, в 1993 г. группа ученых IBM сообщила об окончании расчета одной из важнейших задач современной теории элементарных частиц: мощный специализированный компьютер за год непрерывной работы вычислил спектр адронов в квантовой хромодинамике. Этот пример свидетельствует об актуальности совершенствования супервычислительной техники. Оно идет в направлении замены металлических проводников волоконно-оптическими, а также посредством разработки биологических и молекулярных элементов вычислительных машин.

161

Еще в 1967 г. Дж. Деннис. предложил архитектуру вычислительной системы, обрабатывающей все команды, для которых имеются данные, независимо от их места в программе. При этом управление вычислительным процессом переходит от программы к данным. Суперкомпьютеры такой архитектуры получили название потоковых (flow computer), а их важной особенностью является возможность динамической реконфигурации, при которой в каждый момент времени может быть готово к выполнению различное число команд. Затем в 1971 1974 гг. были исследованы принципы создания машин, управляемых заданиями, где выполнение операций определяется потребностью в результате. Они получили название редукционных компьютеров (reduction computer). А организация ряда новых супермашин базируется на одноуровневой памяти. Она характеризуется не только большими (сотни гигабайт) размерами, но и тем, что в ней единообразно хранятся любые объекты: данные, программы, массивы, файлы... Данные не пропадают по окончании процесса или выключении компьютера, и программистам не приходится заботиться об их перемещении с носителя на носитель. 6.3.3. Системы автоматизированного проектирования

В созидании смысл жизни людей на Земле, смысл их появления на ней. О. Монферран Принцип действия На базе рабочих станций и суперкомпьютеров строятся системы автоматизированного проектирования - САПР (CAD - Computer Aided Design), позволяющие разработчику средств автоматизации, машиностроения, транспорта, связи создавать новые изделия и системы различного уровня сложности. Обычно задание на проектирование вводится в такую систему с использованием интерактивной среды ввода числовых и символьных данных, схем, другой информации. Оно поступает в управляющую систему, называемую иногда «монитором». Первая задача монитора заключается в обращении к информационнопоисковым средствам и банкам данных за сведениями о ранее найденных проектных решениях, типовых блоках, узлах и деталях, нормативной документации, за характеристиками свойств и областей применения различных материалов. Обнаруженные решения-аналоги и справочные данные предъявляются проектировщику. Обычно готового решения нет, и управляющая система, используя стандартные процедуры проектирования на базе пакетов прикладных программ, участвует в проведении необходимых расчетов и моделирования. Она помогает рассматривать модели в различных планах, расчленять объекты на отдельные элементы, увеличивать или уменьшать их, исследовать сечения и проверять совместимость частей конструкций. Испытатели и инженеры могут подвергать нагрузкам модели транспортных средств и бытовой техники, проводить пробные «пробеги» автомашин, «нагружать» мосты и грузоподъемные сооружения.

162

При получении положительного результата проектировщик выдает задание на подготовку документации на проектируемое изделие. Представители Широко распространены в САПР компьютерные продукты AutoCAD и Actrix Technical фирмы Autodesk, DiaCAD и TopCAD, Caddy (Ziegler Informatics) для машиностроения, строительства и архитектуры, электротехники и электроники, геодезии, Senerman, Anvil, Autocon для автоматизации судостроения, TNT-MIPS (Micro Images) для обработки картографической информации. Наряду с ними применяются системы автоматизированного программирования (TehTran, SprutCAM и др.), в т.ч. CASE-технологии, использующие средства интерактивного визуального проектирования прикладных программ. Ими поддерживаются механизмы управления событиями, создания сложных таблиц и собственных функций, обмена данными между прикладными программами и пользовательскими библиотеками, работы в сетях. В частности, Design CAD (American Small Business Computer) оперирует многочисленными кодами изображений, библиотеками символов и преобразователями форматов, а также доступными в любой момент справочниками. В крупных фирмах действуют иерархические схемы организации труда проектировщиков, реализующие концептуальные проработки на высоком уровне, десятки рабочих станций среднего уровня детальной проработки, сотни рабочих мест на нижнем уровне подготовки конструкторско-технологической документации. Такие комплексы используют инструментальные объектноориентированные среды разработки в рамках международных форматов САПР, подобных STEP и IGES. Их представляют UniGraphics, Features Creator, Solid Edge фирмы EDS IniGraphics, Catia для авиапромышленности, Euclid и Atlas Copro компании Matra DataVision. Мощная система Trace Mode (AdAstra Research Group) является примером многоплатформенного интерфейса разработки средств автоматизации производства класса SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). Она поддерживает практически все типы промышленных контроллеров и компьютеров и способна настраиваться на нестандартные протоколы, осуществляет сетевое взаимодействие по протоколам TCP/IP, NetBEUI, IPX в режиме клиент-сервер, реализует объемную графику и вытесняющую многозадачность. Ее графические редакторы используют привычную для технологов терминологию, а наиболее сложные технологические процедуры описываются встроенным языком Techno-Basic. Российская фирма Интермех разработала комплекс программ для автоматизированного конструкторско-технологического проектирования. Входящие в него пакеты CADMech, Show!, TechCard, CADElectro, LCAD обслуживаются открытой для расширения базой данных стандартных элементов и материалов на базе более 300 ГОСТов, справочно-конструкторской базой данных и

163

модулем параметрического компонентов.

проектирования

с

графической

базой

данных

Особое место занимают системы проектирования средств электротехники и электроники, вычислительной техники и систем автоматического управления. Один из наиболее простых пакетов программ конструирования печатных плат SmartWork фирмы Witek – включает графический редактор двусторонней печатной платы, программу ручной и автоматической трассировки соединений и программу выдачи чертежей на плоттер. Большими функциональными возможностями обладает пакет OrCAD фирмы OrCAD System, в котором имеется графический редактор принципиальных схем и печатных плат, а также программы моделирования цифровых устройств и проектирования их топологии. Особую привлекательность этому пакету придает система перекодирования списка соединений схемы в форматы других программ. Известная САПР P-CAD компании Personal CAD System, кроме традиционных редакторов принципиальных схем и печатных плат, включает программы моделирования цифровых устройств, автоматического размещения компонентов на плате и трассировки соединений, подготовки чертежей для принтера, плоттера, а также вспомогательные сервисные программы. К числу распространенных программ моделирования электронных схем относится P-Spice корпорации Microsim. Совместимая с P-CAD и OrCAD, она моделирует линейные и нелинейные аналоговые, аналого-цифровые и цифровые схемы. Пакет Design Center, в который входит P-Spice, содержит библиотеки математических описаний полупроводниковых приборов, кварцевых резонаторов, магнитных сердечников, источников питания, тиристоров, оптоэлектронных приборов - всего более 1000 моделей. Микропроцессоры, контроллеры и запоминающие устройства успешно проектируются в системе Personal Logican фирмы Saisy Systems. Известны также комплексы программ MicroGraph (Micrograph Systems), КАРЭ (Комплекс Автоматизации Работ по Электрочасти) для разводки кабельных трасс и подготовки электромонтажного производства, Verilog и Quick Sim компании Cadence, Rapid Sim (Valid Logic), Falcon (Mentor Graphics), Micro Cap (Spectrum Software) для моделирования аналоговых устройств, Micro Logic (Spectrum Software) и Dusie (Aldec) для моделирования цифровых устройств. Комплекс программ конечноэлементного анализа Nisa/Display фирмы EMRC оценивает работоспособность печатных плат в условиях нагрева и вибраций; он эксплуатируется на персональных компьютерах, рабочих станциях и суперкомпьютерах.

164

6.3.4. Информационно-измерительные системы

В каждом создании человека содержится комбинация из трех элементов: ремесленной работы, пассионарности создателя и культурной традиции. Л. Гумилев. «От Руси до России» Ф ун к ц и и и п р и м е р ы Особый класс средств АСУ образуют информационно-измерительные системы. Основная задача их - обработка и анализ входных сигналов - решается вычислительным модулем. Среди огромного разнообразия методов анализа информации выделяются группы методов визуализации данных, измерения параметров сигналов, предварительной обработки и фильтрации, спектрального анализа и идентификации процессов, классификации и статистического анализа. При измерении оцениваются амплитудные, временные, скоростные и интегральные характеристики. Амплитудные параметры - это прежде всего амплитуда характерного сегмента сигнала (импульса, пика), амплитуда изменения сигнала (перепад) в заданном интервале времени, минимальные, максимальные, средние значения сигнала. К временным параметрам относятся постоянные времени нарастания и спада сигнала, времена достижения сигналом стационарного и заданного уровней, времена между характерными точками сигнала (период колебаний, время существования импульса и т.п.). Скоростные параметры: максимальная, минимальная, средняя скорости изменения сигнала, максимальный перепад скоростей. Интегральные параметры характеризуют площадь под кривой, разность площадей, сумму квадратов значений сигнала, его среднеквадратическое значение. Под предварительной обработкой понимают различные процедуры, модифицирующие исходный сигнал и приводящие его к виду, более приемлемому для визуального анализа и измерений. В частности, на этом этапе выполняется подавление мешающего низкочастотного дрейфа посредством сглаживания данных методами скользящего окна, фильтрации; подавление импульсного шума посредством полиномиального приближения; низкочастотная, высокочастотная, полосовая или заграждающая фильтрация на основе дискретного преобразования Фурье, методов прямой свертки, рекурсивных фильтров. Классическим аппаратом спектрального анализа является программная реализация преобразований Фурье – быстрое преобразование Фурье. При идентификации процессов определяют передаточные функции системы, реакции на ступенчатые и дельта-функции и на нелинейные воздействия разного рода. Для решения задачи классификации иногда приходится обращаться к системам распознавания образов и экспертным системам. При статистическом анализе процесс раскладывают на коррелированные и шумовые составляющие,

165

анализируют статистические моменты, предсказывают поведение системы, оценивают плотности вероятностей, проверяют статистические гипотезы. Хорошим примером программного продукта для наблюдения и контроля процессов и событий является система Realtime Vision корпорации Laboratory Technologies. Мощный интегрированный пакет Realflex фирмы BJSS относится к системам типа SCADA (Supervisor Control And Data Acquisition), обеспечивающим сбор, обработку, хранение и графическое отображение данных в реальном времени. Среди прочих пакетов, выполняющих сбор данных в многоканальных измерительных комплексах, распространены Asyst фирмы MacMillan Software, Labtech Notebook (Laboratory Technologies), LabPac (Scientific Solutions), LTN 488(National Instruments), PC Instruments (HP). В и р т уа л ь н ы е т е х н о л о г и и В эволюции промышленных систем управления на базе персональных компьютеров можно обозначить три этапа. Сначала для связи компьютера с измерительными приборами и системами управления начали использовать специализированные адаптеры типа GPIB или IEEE 488 (в отечественном варианте – канал общего пользования, КОП). Вместе с ними разрабатывались соответствующие программные средства. Постепенно начали развиваться так называемые «виртуальные технологии», в рамках которых проводилось не только управление реальными объектами, но и их моделирование средствами персонального компьютера и встроенных в него адаптеров. На этом этапе появилась возможность задавать с помощью компьютера конфигурацию системы и отлаживать ее функционирование. Таким образом, то, что впоследствии назвали виртуальным инструментом (VI), оказалось программно-аппаратным комплексом, предназначенным для решения конкретных задач управления в реальном времени. Работа с виртуальными инструментами требует высоких скоростей передачи данных между компьютером и аппаратурой, не обеспечиваемых обычными адаптерами. Поэтому были разработаны специальные адаптеры SCXI (Signal Computer eXtension for Instrumentation) для сбора данных и согласования сигналов, а также новая шина VXI (VME eXtension for Instrumentation). В их основе лежит принцип непосредственного взаимодействия с процессорной шиной и встроенная система синхронизации обмена. Это позволило создавать комплексы, способные обрабатывать в реальном времени сигналы с частотой до 1.25 МГц или до нескольких тысяч медленно изменяющихся сигналов одновременно, например, с датчиков температуры, давления и т.п. Адаптеры обеспечивают аналоговый и цифровой ввод и вывод, содержат счетчики, таймеры и высокоскоростные цифровые сигнальные процессоры DSP. Для синхронизации работы нескольких адаптеров и обмена информацией между ними разработана дополнительная шина RTSI. Обмен данными может быть организован программно, с использованием механизма прерываний или посредством прямого доступа к памяти.

166

Достижению нового уровня производительности виртуальных инструментов способствовало появление более мощных процессоров и внедрение компьютерных интерфейсов PCI и PCMCA. Разработанные в стандарте PCMCA, платы сбора данных фирмы National Instruments превращают портативный компьютер в универсальный измерительный инструмент, а платы в стандарте PCI обеспечивают обмен данными с процессором на скоростях, на порядок превышающих возможности шины ISA. Программное обеспечение NI-VXI этой фирмы стал своеобразным стандартом в системном программном обеспечении для VXI. Входящие в него наборы драйверов NI-DAQ для встраиваемых плат и модули согласования сигналов поддерживают компиляторы стандартных языков программирования Си++, Паскаль, Бейсик, а главное – интегрированные системы разработки измерительных и управляющих комплексов LabVIEW и LabWindows. 6.4. Технологии искусственного интеллекта 6.4.1. Искусственный интеллект и экспертные системы

Когда происходит чудо, никто этого не понимает. Х. Рембрандт И с к ус с т в е н н ы й и н т е л л е к т Вводя в терминологию информатики понятие искусственного интеллекта (AI - Artifical Intelligence), А.М. Тьюринг в начале 50-х годов предложил “считать разумным всякий компьютер, заставивший нас поверить, что мы имеем дело не с машиной, а с человеком”. При этом под сознанием понимается “способность к совершению операций над информацией” (П. Симонов). Начало же развития науки об искусственном интеллекте можно датировать 1956 годом, когда создатель теории информации К. Шеннон из Bell Laboratories, М. Минский из Массачусетского технологического института и А. Ньюэлл из Дармутского колледжа продемонстрировали первую в мире экспертную систему Logic Theoretic, доказывавшую теоремы. Современное направление искусственного интеллекта в информатике охватывает комплекс прикладных наук, посвященный изучению естественной жизни с целью имитации на компьютере отдельных ее сторон. В первую очередь речь идет о создании моделей мыслительной деятельности человека. В более сложных системах, отражающих предложенную в 1990 г. К. Лэнгтоном концепцию искусственной жизни, на компьютере воссоздаются новые феномены, перед которыми ставится цель перехода от биологической жизни “как она есть” к модели жизни “как она может быть”. Технологии искусственного интеллекта направлены на решение плохо формализуемых задач и задач с неизвестными алгоритмами решения. Они используются для управления социальным поведением и космическим движением, применяются в медицине, бизнесе, робототехнике, незаменимы для создания шахматных программ. Решение их обычными методами

167

на современных компьютерах может затянуться на многие годы, тогда как рабочие прототипы искусственного интеллекта создаются достаточно быстро. Большинство задач искусственного интеллекта решается направленным перебором множества различных вариантов. Фактор “комбинаторного взрыва” ограничивает возможности полного перебора. Например, полное возможное число ходов в шахматной партии равно 10120, что превышает число атомов во вселенной. Поэтому применяются различные системы эвристического перебора, метод проб и ошибок, градиентные методы, техника линейного и нелинейного программирования, теория графов, методы поиска решений на деревьях. Знания Вычислительные системы искусственного интеллекта манипулируют не данными, а знаниями. Знаниями называют сложно организованные данные, объединяющие факты и семантическую (смысловую) информацию в виде встроенных процедур, которые активизируются в ходе обработки. Существенными отличиями знаний от данных являются: o активность, первичность по отношению к процессам, тогда как данные играют пассивную роль; o интерпретируемость, благодаря которой компьютер работает не с обезличенными числами, а с содержательными таблицами, где в явном виде указаны связи единиц информации с именами; o структурируемость, которая позволяет выделять объекты разных уровней и организовывать между ними различного типа связи: «ситуацияподситуация», «элемент-класс», «тип-подтип» и т.д; o ситуативность отношений, то есть принадлежность к конкретным областям пространства, состояниям, временным интервалам, благодаря чему в знаниях с помощью специальных процедур можно выявлять противоречивость или несовместимость, пополнять и обобщать их. Экспертные системы Разновидность систем искусственного интеллекта, способная накапливать знания из различных источников и моделировать процесс экспертизы, то есть решения специалистами не формализуемых задач на основе своего профессионального опыта, образует категорию экспертных систем. Перед такими системами ставится проблема в виде набора фактов, описывающих некоторую ситуацию, которая решается с помощью базы знаний. База знаний представляет собой семантическую модель определенной предметной области, интерпретирующую знания человека правилами вывода в условиях отсутствия данных, или эвристиками. При этом реализуется цикл: o выбор (запрос) данных, o наблюдение, o интерпретация результатов, o усвоение новой информации,

168

o выдвижение с помощью правил временных гипотез, o затем выбор следующей порции данных. В любой момент времени в экспертной системе содержатся три типа знаний: o структурированные статические знания о предметной области; o динамические знания, обновляемые по мере выявления новой информации; o рабочие знания, применяемые для выдвижения гипотез. Для наполнения базы знаний проводится опрос специалистов-экспертов в конкретной предметной области, а затем разрабатывается спецификация фактов и снабжается указателями. Особенности экспертных систем заключаются: o в ограниченности прикладной области; o в модульном принципе построения систем; o в независимости знаний от механизма вывода; o в преобладании дедуктивных методов решения задач над индуктивными; o в объяснимости хода решения задач на концептуальном (неформальном) уровне; o в качественном (часто не измеряемом) характере результатов. Различают экспертные системы, в которых знания представлены в виде правил (продукций) и в виде фреймов (классов). Первые именуются продукционными системами, или системами, основанными на правилах. Программа в них описывает последовательность действий, но имеет немного процедурных компонентов и управляется данными. Правила имеют форму “если, то”, то есть состоят из посылок и заключений. Посылка предназначена для распознавания ситуаций, а заключение переходит в результат, если факты из рабочей памяти совпадают с образцом. В рабочей памяти, или базе данных, хранится множество фактов, описывающих текущую ситуацию и их значения, которые были установлены к определенному моменту. Содержимое рабочей памяти со временем изменяется. Механизм вывода, именуемый интерпретатором правил, управляет порядком экспертизы. Осуществляя просмотр фактов в рабочей памяти и правил базы знаний, он регулирует порядок просмотра и применения правил. Подсистема приобретения знаний осуществляет добавление в базу знаний новых правил и модификацию имеющихся. Подсистема объяснений отвечает на запросы пользователей о том, как получено решение. Порядок применения правил определяется стратегией вывода. Различают системы прямого и обратного вывода. Во-первых, по известным фактам отыскивается следующее из них заключение. Во-вторых, вначале выдвигается гипотеза, а затем отыскиваются подтверждающие ее факты. Поиск может проводиться в глубину, в ширину, посредством разбиения на подзадачи или по «альфа-бета алгоритму», предполагающему удаление ветвей, не перспективных для поиска решения. Одно из наиболее замечательных свойств продукционной системы заключается в возможности создания на ее основе новых экспертных систем путем замены базы знаний. Остающаяся при этом неизменной часть системы называется экспертной

169

оболочкой. Она включает в себя механизм вывода, подсистемы объяснения и взаимодействия на естественном языке, а также рабочую память. Оболочка часто поставляется в виде автономного программного средства, позволяющего инженеру знаний самостоятельно создать специализированную базу правил и наполнить ее экспертной информацией. В 1974 г. М. Минский высказал предположение, что разум человека интерпретирует каждый объект фреймами – пакетами знаний, в слотах которых собраны его свойства и значения. Согласно разработанной им теории, фреймы представляют собой структуры для описания стереотипной ситуации, состоящие из характеристик этой ситуации (слотов) и их значений (заполнителей). Древовидная структура фреймов имеет несколько уровней, причем наиболее общая информация находится наверху, во фреймах-родителях, тогда как фреймы-потомки обладают способностью наследовать характеристики родителей. Для этого предназначены пустые слоты, обеспечивающие вывод новых знаний, их накопление и совершенствование. Представление знаний, основанное на фреймах, выступает в качестве альтернативы системам продукций. Оно дает возможность хранить родовидовую иерархию понятий в базе знаний в объектно-ориентированной форме. Базовым элементом объектно-ориентированного подхода является объект – компьютерная модель некоторого предмета или явления окружающего мира. Коллективы похожих объектов объединяются в классы. Класс представляет собой формальное описание общих свойств и методов поведения представляющих его объектов. В отличие от других способов моделирования, реализация каждого объекта скрывается от других объектов. Для этого члены описывающего его класса делятся на закрытые, то есть недоступные посторонним объектам, и открытые, служащие для связи с внешним миром. Объектно-ориентированный подход базируется на трех механизмах: o механизм инкапсуляции регламентирует порядок, в соответствии с которым свойства и методы поведения различных объектов объединяются в работоспособные классы, на базе которых могут создаваться их новые представители - объекты; o механизм полиморфизма нормирует правила именования членов класса, согласно которым схожие свойства и методы поведения получают идентичные имена, и, тем не менее, объекты различают и правильно применяют их с учетом логики функционирования модели; o механизм наследования исключает дублирование классов за счет порождения производных классов из ранее определенных (базовых) с передачей им свойств и методов поведения базовых классов.

170

6.4.2. Семантические и нейронные сети

Собирайте факты – из них рождается мысль. Ж. Бюффон Нейроны Основные положения теории деятельности головного мозга были разработаны У. Маккалоком и Ч. Питсом в 1943 г. Согласно их исследованиям, мозг представляет собой ансамбль нервных клеток – нейронов, имеющих схожие строение и принцип действия. Каждый нейрон реализует некоторую пороговую функцию над входными сигналами, возбуждается и формирует выходной сигнал, передаваемый другим нейронам. Пройдя путь от рецепторов через нейронные структуры мозга до мышц, информация преобразуется в управляющие воздействия. Отдельные нейроны, соединяясь друг с другом, приобретают новое качество, которое можно описать биологическими моделями разного рода. В конце 60-х годов М.Р. Куилдлиан предложил модель памяти, имеющую вид паутины, названной им семантической сетью. Он предположил, что такая сеть состоит из взаимосвязанных узлов, соответствующих объектам, понятиям, событиям. Это послужило основой для появления нового направления в системах искусственного интеллекта, посвященного нейронным сетям. Нейронная сеть – это параллельная связная сеть адаптивных моделей нервных клеток (нейронов), взаимодействующая с объектами внешнего мира аналогично биологической нервной системе. Она имеет топологию направленного графа и перерабатывает информацию, изменяя свое состояние в ответ на входные сигналы. Информация нейронной сети кодируется и запоминается не в отдельных ячейках памяти, а распределяется между связанными моделями нейронов. Состояние каждой такой модели определяется состоянием связанных с ней других моделей нейронов, причем потеря некоторых связей не оказывает решающего влияния на результат работы сети. Подобные системы обладают способностью «учиться на собственных ошибках». Их теоретической основой служат теория хаоса, теория генетических алгоритмов и рекурсивный анализ. Первая утверждает, что явления, кажущиеся случайными, подвержены развитию по особым закономерностям, которые могут быть выявлены с помощью специальных программ обработки информационных массивов. Вторая посвящена решению проблем, связанных с выявлением и устранением аномалий. В полном соответствии с теорией Ч. Дарвина, она нивелирует действие второстепенных факторов, усиливая при этом наиболее важные воздействия на объекты. А в основе рекурсивного анализа лежит описание функций и процессов «через самих себя». В ходе работы готовится широкий набор обучающих примеров, ассоциируемый с известными выходными данными. Входные данные поочередно предъявляются нейронной сети, а выходные значения сравниваются с эталоном. Затем производится подстройка весовых коэффициентов

171

межнейронных соединений с целью минимизации ошибок. Обучение повторяется до тех пор, пока ошибка не достигнет приемлемого уровня либо сеть не придет в стационарное состояние. Таков классический алгоритм нейроматематики, называемый “обратным распространением ошибки”. И н ф о р м а ц и о н н ы е р е с ур с ы Конечно, нейронная сеть, обучаемая на совокупности примеров, не способна функционировать как человеческий мозг, содержащий около 100 миллиардов нейронов, связанных несчетным количеством волокон. Ценность ее определяется характером исполнения и полнотой входной информации. Для реализации нейронных сетей применяются три способа: o программная реализация на компьютерах традиционной аппаратуры, в частности, в виде нейропакетов; o аппаратные дополнения к компьютерам обычной архитектуры в виде нейропроцессоров и нейроплат; o реализация в виде нейрокомпьютеров. К 1998 г. было разработано более 200 моделей нейронных сетей, десятки моделей нейронных микросхем, рабочих станций и суперкомпьютерных решений. Широко распространены более 50 типов нейронных сетей фирм Intel, Nestor, NRC, Neural Ware. Программно реализованные сети бывают строго иерархическими и свободными. Первые представляют объектно-ориентированные модели в виде множества взаимосвязанных базовых и производных классов, в которых информация базовых классов доступна производным классам, наследующим их свойства и методы поведения. В свободных моделях ряд связей используется для передачи свойств, другие передают действия и понятия, а третьи служат лишь указателями классов. Нейропакеты представляют собой программные эмуляторы нейрокомпьютеров и их компонентов. Ими могут быть нейронные модели (“парадигмы”) и мощные нейрооболочки и трансляторы с языков описания нейронных сетей конкретных моделей ЭВМ. Примерами нейропакетов служат OWR фирмы Olmsted & Watkins, Neurosym одноименной компании, Neural Net Development Library и NeuroShell (Ward Systems), Neural Works Professional и Predict (Neural Ware), N-Net и Awareness (AI-Ware), DynaMind Developer Pro (Neurodinamics), ImageLib (LNK). Специальные нейронные микросхемы, например Etann или NI 1000, различают от 40000 до 300000 образов в секунду, что примерно соответствует скорости протекания подобных процессов в нервной системе человека, хотя производительность реальных промышленных систем еще редко превышает 20-130 символов в секунду. Клеточные процессоры AAP фирмы NTT состоят из сотен нейронов и десятков тысяч параллельно работающих процессоров. Наконец, примерами нейрокомпьютеров может служить серия Computing Surface (Texas Instruments). Каждая такая ЭВМ содержит свыше пяти тысяч нейронов и пяти миллионов связей, реализуя до 18 млн. переключений связей в секунду.

172

Применение Используя накопленный опыт, нейронные сети помогают пользователям справиться с лавиной сиюминутных дел, учитывая при этом негативные последствия каждого шага. Они незаменимы в обработке приблизительных данных и легко адаптируются к быстрой смене внешних условий. На базе нейронных систем строятся “цифровые нервные системы”, способные принимать решения в условиях непредсказуемости и непредвиденных ситуаций. Ими реализуется обработка информации в самых различных сферах: от финансовых прогнозов до экспертизы научных работ. Нейронные сети применяются при анализе отпечатков пальцев, сканировании рукописных текстов, в системах контроля за морскими и наземными объектами, обработки разведывательной информации, управления производственными процессами. В финансовых комплексах, предсказав определенную прибыль, но допустив при этом ошибку, нейронная сеть запоминает ситуацию и в следующий раз делает более умеренный прогноз. Нейронная сеть фирмы Chirson Leman Brothers использует в качестве информационной базы ряды изменения стоимости ценных бумаг за последние 10 лет и, применяя особую систему работы с текстами, «читает» финансовые новости и просчитывает их возможное воздействие на прибыльность различных инвестиций. Крупнейшая шахматная система DeepBlue (язык Си, компьютер RS/6000 фирмы IBM, оснащенный 512 специализированными процессорами на 120 – 135 МГц и 4 – 9-гигабайтными дисками, операционная среда AIX) взаимодействует с базой данных дебютов и эндшпилей DB2 Parallel Edition размером в 32 Гбайт и способна анализировать до 200 млн. позиций в секунду. Созданный в Российском НИИ искусственного интеллекта решатель уравнений UniCalc строит модели поведения реальных объектов, позволяющие быстро решать сложные математические задачи методом «интеллектуального подбора». В модуле ведения боя истребителя YF-22 еще в 80-х годах подобная организация использовалась для принятия решений в считанные доли секунды на основе данных наземных станций, радарных установок и других источников и для «предугадывания» характера действий самолета противника. Интересна в этом плане и система «активной подвески», разработанная автомобилестроителями Детройта. Если управляемый ею автомобиль на скорости 90 км/час преодолевает неровность дороги, то прежде, чем деформированная шина восстановит свою форму, система измерит силу удара и приподнимет колесо, демпфируя толчок. А фирма ActivNois & Vibration Tecnologies в сотрудничестве с итальянской компанией Fiat создала электронный «глушитель на кристалле» для экскурсионных автобусов: анализируя характеристики шума двигателя и прочих раздражающих звуков, он генерирует «зеркально противоположные» звуковые волны, уменьшая шум.

173

6.4.3. Системы распознавания образов

Познай себя. Сократ Классификация Чрезвычайно актуальной является сегодня проблема распознавания образов в системах искусственного интеллекта, связанных с обработкой изображений, текстов, речи, с робототехникой и образованием. Образы описываются множеством свойств, извлекаемых из входных данных, поэтому в основе процессов распознавания лежат численные методы классификации. Распознавание образов выполняется в два этапа: o этап извлечения свойств и получения на их основе образов, o этап классификации образов, то есть отнесения их к определенным классам. Область образов представляется в виде пространства с рассеянными внутри его точками. Образы, принадлежащие к одному классу, группируются в так называемые кластеры. Математические модели плоскостей разбиения на кластеры именуют решающими функциями. Распознавание символов Наиболее распространенную категорию таких систем образуют оптические системы распознавания знаков (OCR - Optical Character Recognition). Почти все системы OCR поддерживают фрагментарный и постраничный режимы обработки текста. В первом режиме распознаются отдельные зоны страницы с применением специального оборудования и программных приложений. При этом большая часть работы, предшествующей распознаванию (масштабирование, сегментация), выполняется программно, а собственно распознавание поручается обычно аппаратному сопроцессору. Во втором режиме анализируется сразу вся страница. Независимо от режима, коммерческие системы распознавания текста делятся на четыре категории. К простейшим из них относятся системы с раздельной записью в рамках, которые упрощают поиск знаков и их распознавание по составляющим штрихам. Ко второй категории принадлежат средства раздельной записи с пробелами без рамок, например отечественные программы, CuneiForm, FineReader (ABBYY).В FineReader используется метод “фонтанного преобразования” на базе структурнопятенных эталонов. В соответствии с ним, изображение представляется связанными наборами пятен, после чего прорабатываются гипотезы о возможном значении читаемого символа с привлечением структурных классификаторов и экспертных оценок. Работа FineReader состоит из этапов анализа графического изображения, получаемого обычно со сканера, и распознавания отдельных символов одним из трех способов:

174

o шаблонными (растровыми) классификаторами, сравнивающими обрабатываемый массив с шаблонами точек, с хорошим распознаванием дефектных символов, но длительным обучением новым шрифтам и размерам; o признаковыми классификаторами, анализирующими не все изображение, а лишь набор признаков, вычисляемых по массиву точек, с неизбежной потерей части исходной информации; o структурными классификаторами, обрабатывающими и запоминающими большие массивы сведений о топологии символов, но встречающими проблемы при распознавании символов с дефектами. Следующей по сложности является категория распознавания свободных записей, в которых знаки в основном разделены, хотя и могут соприкасаться. Это, так называемое “рукопечатное” распознавание интенсивно развивается сейчас в связи с распространением структурированных документов типа страховых, пенсионных и статистических анкет, деклараций, платежных поручений. Соответствующие программно-аппаратные комплексы обрабатывают по 600 – 1800 таких форм в час. В их основе лежат различные принципы распознавания: o композитивный метод на базе нейротехнологии, o структурный метод – “скелетон”, o древовидные алгоритмы, o кластерный анализ, o событийное распознавание. Для их лингвистической поддержки используется словарная обработка, в том числе частотные словари, корректирующие ошибки на основе статистических оценок. Распространяются адаптивные методы распознавания, при которых, в случае низкой точности, системой приобретаются новые знания посредством дополнительной обработки текста с генерацией новых шрифтов. Большинство современных компьютеров с рукописным вводом относятся к данной категории. Уникальны в этом плане такие системы, как ПараСкрипт предприятия ПараГраф и Intuitia For Windows. В режиме обучения Intuitia запоминает символы, которым обучает ее пользователь. В режиме запроса на основе накопленных знаний распознаются образы при постоянных консультациях с пользователем и «доучивании». В режиме тренировки число запросов по каждому символу ограничивается, а в режиме автоматического распознавания программа действует совершенно самостоятельно. Из трех алгоритмов распознавания пользователь может выбрать наиболее подходящий для его документов. Помехозащищенность и высокое качество распознавания обеспечиваются за счет использования лингвистической информации о языке и специальных алгоритмов. Самую сложную категорию образуют оптические системы распознавания курсивного почерка (рукописей). До настоящего времени остаются неясными биологические принципы распознавания зрительных образов. Одна только ячейка человеческого глаза способна выполнить за 10 мс обработку, эквивалентную решению системы из 500 нелинейных дифференциальных уравнений со 100

175

переменными. Суперкомпьютеру Cray потребовалось бы более 100 лет, чтобы обработать информацию всех 10 млн. ячеек глаза. Поэтому для решения таких задач на компьютерах разработано несколько алгоритмов. Ряд их опирается на сравнение знаков с эталонным набором штрихов из памяти. При использовании других алгоритмов анализируется каждый вновь появившийся штрих и прогнозируется знак, получаемый из анализируемых штрихов. Эти методы распознавания называют, соответственно, сегментным анализом и сегментным синтезом. Первый метод используется в пакетах Windows For Pens (Microsoft) и Каллиграфер (ПараГраф), второй - в PaperLike Interface (IBM). В программном обеспечении GridPad первого коммерческого компьютера с рукописным вводом Grid сочетаются оба метода. Пакет TextBridge фирмы Xerox Imagin Systems выполняет автоматическое сегментирование данных (личных номеров, почтовых кодов), позволяя воспринимать составной текст независимо от расположения колонок, иллюстраций, заголовков в материале. Система Криминал (ИПИ РАН) по текстам милицейских протоколов строит фактографические базы данных происшествий. А карманный компьютер Newton (Apple) снабжен объектно-ориентированной системой рукописного ввода, способной читать заметки, сделанные от руки, и автоматически заносить информацию в дневник деловых встреч. Распознавание речи Давнюю историю имеют попытки «научить» компьютер распознавать устную речь. Еще в 1952 г. IBM продемонстрировала большую ЭВМ, распознававшую произнесенные числа от 1 до 10. Позднее появились такие системы, как HiperVoice швейцарской фирмы Ascom Tech, Sphinx из университета Карнеги-Меллона, Tangora (IBM), наконец, DragonDictate (Dragon Systems), позволяющая пользователю голосом запускать Word и печатать под диктовку, выделяя необходимые слова и выравнивая абзацы. 6-8 часов требуется такой системе, чтобы настроиться на голос конкретного человека, после чего она работает со скоростью до 60 слов в минуту в темпе опытной машинистки. К аналогичным показателям приблизились SoundSystem (Microsoft) и VoiceType (IBM), Voice Pilot. Программа Voice Mouse (Interactive Products) сохраняет надежность распознавания в зашумленных помещениях. Следует отметить, что для современных систем распознавания словарь объемом в 2000 слов, которым мы обходимся в повседневной речи, считается большим, а 60000 сверхбольшим. Так, система ViaVoice (IBM) преобразует слитную речь в документ Word со скоростью 140 слов в минуту (человек нормально произносит 120 – 300 слов в минуту). Словарь ее содержит 64000 лексических единиц, точность распознавания стремится к 95% при настройке путем предварительной диктовки 256 фраз. ViaVoice относится к классу “горизонтальных” систем распознавания, имеющих расширяемый словарь, в отличие от “вертикальных” программ, у которых высокое качество достигается за счет ограничения словарного запаса. Эффективные “голосовые интерфейсы” выпускают российские фирмы МедиаЛингва, ABBYY, Dragon Systems. Механизм

176

распознавания речи в программах Learn to Speak English, Think & Talk, Английский в три приема основан на анализе фонограммы произношения и оформляется на экране дисплея в виде осциллограммы, звуковой шкалы или звукового ряда. С распознаванием речи связано интенсивное развитие так называемых «лингвистических микрокомпьютеров». 70% рынка этих машин контролирует фирма Эктако. Для систем речевого общения создаются синтезаторы речи. Компьютер воспроизводит речь, комбинируя основные звуки (фонемы), коды которых хранятся в его памяти вместе с набором правил произношения. Качество воспроизведения во многом зависит от объема памяти и алгоритмов цифровой фильтрации. Но в любом случае, компьютер должен иметь не менее 8 Мбайт ОЗУ и 10 Мбайт свободного дискового пространства, а также быстродействие более 40 МГц. Например, программный пакет Monologue, синтезирующий речь по предварительно выделенному тексту, используется вместе с текстовыми редакторами, электронными таблицами, издательскими системами и электронной почтой. А разработанные в Московском клубе голосовых технологий при МГУ синтезаторы Агафья и Говорящая мышь имитируют голос человека. 6.4.4. Компьютерная лингвистика

Каждый успех наших знаний больше ставит проблем, чем решает. Л. де Бройль Одна из главных проблем искусственного интеллекта – компьютерное понимание естественного языка. Первая идея о возможности построения формальной модели для понимания языка принадлежит Н. Холмскому. В 60-е годы он обосновал архитектуру синтаксической системы, включающей большой словарь, базу знаний об элементах речи, а также компьютерный анализатор для разбора фраз по правилам грамматики и выделения членов предложения. После того, как в 1968 г. Т. Виноградом (Массачусетский технологический институт) была создана программа SHRDLU для синтаксического, логического и семантического (смыслового) анализа, на проблеме компьютерного понимания естественного языка сконцентрировалось новое направление искусственного интеллекта компьютерная лингвистика. В рамках ее Р. Шенк из Йельского университета разработал теорию концептуальной зависимости. Его программа разбирала предложения не по частям речи, как синтаксические системы, а по семантическим элементам-примитивам. В 1974 г. этим же автором была предложена схема представления знаний с помощью сценариев - своеобразных фреймов последовательных событий. Контекст сценария позволял машине заполнять пробелы в поступающем потоке информации. Сценарии программы SAM обобщали ответы на вопросы, исходя из краткого изложения событий.

177

Признанным центром компьютерной лингвистики в России считается РосНИИ искусственного интеллекта. В частности, в нем разработана система InterBase, формирующая запросы к реляционным базам данных на естественном языке. Современные лингвистические программы синтаксического, семантического и логического анализа текста являются разновидностью систем распознавания образов. Здесь привлекают внимание отечественные разработки Следопыт, Пропись и Орфо. Среди интеллектуальных словарей распространены Контекст, PolyGlossum, Сократ. Пакет PROMT Lingvo Office (ABBYY) обеспечивает полный цикл автоматизированного перевода печатных документов “от листа на одном языке до листа на другом”. В его состав входят система распознавания текстов FineReader, программа проверки орфографии Lingvo Corrector, большой англо-русский и русско-английский словарь на 1 млн. статей Lingvo и интегрированная среда перевода Promt Internet. Последняя реализует пакетный фоновый режим перевода с английского, немецкого, французского языков и обратно, «мгновенный» перевод текста из буфера обмена, навигацию по Webстраницам с переводом «на ходу», «встроенный» перевод в Word и Excel, формирование пользовательских словарей с учетом языковых особенностей. В мировой практике популярны Европейская информационная сеть компьютерных систем перевода EuroNet Diana и система компьютерного перевода EuroTra, а в сфере распознавания текстов – CuneiForm (Cognitive Technologies). Независимые проекты Logos немецкой компании Electronic Publishing на базе сервера Sparc и российской МедиаЛингва на базе персональных компьютеров посвящены автоматическому переводу, основанному на использовании больших массивов параллельных текстов. В таких «корпусах» система ищет переводы, наиболее близкие к фразам оригинала, и строит на них свой перевод с применением оригинальных грамматик и словарей. Лингвистические системы активно используются в правовом обеспечении. В области систем автоматизации правовых документов выделяются тематические пакеты Гарант-Сервис одноименной фирмы и Письмовник (Медиа-Лингва). Среди правовых баз данных распространены Гарант (Гарант-Сервис), КонсультантПлюс (ВМИ), Ваше Право и Юрисконсульт (Информационные системы и технологии), Референт (Референт-Сервис), Законодательство России (Элекс), Юридический Советник (Центр компьютерных разработок), Infoset (Инфосеть). Для составления налоговых деклараций используется Советник (Метатрон), а для составления бизнес-планов - Success_Успех (Top-Консалтинг). Одна только информационно-правовая система Кодекс (Центр компьютерных разработок) представляет собой мощную электронную библиотеку с полнотекстовым собранием законодательства России, региональных и иностранных законодательств, документов международного права, образцов правовых и деловых документов, многочисленных юридических комментариев, консультаций, справок, словарей, электронных изданий книг, газет, журналов.

178

Система функционирует в персональных и сетевых средах, в том числе – в Интернет.(http//www.kodeks.net) и объединяет свыше 100000 документов более чем 400 организаций. Ежегодно ее база данных пополняется сотнями новых документов и ежедневно обновляется. Правовые документы включаются в Кодекс на основе многочисленных договоров об информационном сотрудничестве с Государственной Думой и Советом Федераций, Главным государственным правовым управлением, Федеральным агентством правительственной связи и информации, Конституционным Судом России, министерствами и ведомствами, местными органами законодательной и исполнительной власти, сотнями периодических изданий. Тексты представляются в актуальном состоянии, а их устаревшие редакции хранятся в архивных разделах баз данных. Специальная поисковая подсистема обрабатывает запросы на поиск и формирует результаты в виде HTMLстраниц. Поисковый запрос может содержать любую комбинацию ключевых слов и элементов текста с логическими операторами. Ряд запросов можно готовить на естественном языке, и полученные при этом результаты сортируются в порядке их близости к содержанию запроса. С системой Консультант-Плюс работают практически все налоговые инспекции России. В ней представлены федеральное и региональное законодательства, а также уникальный банк консультаций сотрудников Министерства финансов, Центрального банка и Государственной налоговой службы. Система включает типовые договоры, контракты, учредительные документы, формы отчетности предприятий, страховых и банковских учреждений.

179

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ..................................................................... 3 1. ИНФОРМАТИКА ........................................................... 3 1.1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ............................................. 1.2. НЕМНОГО ИСТОРИИ ................................................... 1.3. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ И РЕСУРСЫ .................................... 1.4. КОМПЬЮТЕРНАЯ АРХИТЕКТУРА ............................................ 2. ТЕХНОЛОГИЯ ............................................................ 16 2.1. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА................................................... 2.2.ЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ .................................................. 2.3.СВЕРХБОЛЬШИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ....................................... 3. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ........................................ 24 3.1. АППАРАТНЫЕ ПЛАТФОРМЫ ............................................... 3.1.1. Микропроцессоры................................................... 24 3.1.2. Интерфейсы ............................................................ 33 3.1.3. Память .................................................................... 37 3.1.4. Чипсеты .................................................................. 39 3.2. НАКОПИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ .............................................. 3.2.1. Сменные накопители .............................................. 40 3.2.2. Накопители на жестких магнитных дисках ........... 42 3.2.3. Накопители на магнитных лентах .......................... 43 3.2.4. Оптические компакт диски .................................... 43 3.2.5. Магнитооптические диски...................................... 44 3.2.6. Новые технологии ................................................... 44 3.3. ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА ............................................. 3.3.1. Устройства ввода информации .............................. 46 3.3.2. Видеосистемы ......................................................... 51 3.3.3. Аудиосистемы ......................................................... 54 3.3.4. Печатающие устройства ......................................... 54 4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ..................................... 57 4.1. ОФИСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ................................................. 4.1.1. Операционные системы.......................................... 57 4.1.2. Системы работы с текстами ................................... 64 4.1.3. Средства компьютерного учета .............................. 68 4.2. БАЗЫ ДАННЫХ ....................................................... 4.2.1. Организация данных .............................................. 72 4.2.2. Реляционная модель данных................................... 78 4.2.3. Реляционное исчисление......................................... 86 4.3 СУБД ............................................................ 4.3.1. Управление данными .............................................. 89 4.3.2. Математическая лингвистика................................. 91

180

4.3.3. Языки управления данными................................... 94 5. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ ............................................... 97 5.1. ЛОКАЛЬНЫЕ И КОРПОРАТИВНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ .................... 97 5.1.1. Типы и топологии.................................................... 97 5.1.2. Аппаратура локальных сетей ................................ 100 5.1.3. Сетевое программное обеспечение ....................... 105 5.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОММУНИКАЦИИ ............................................. 5.2.1. Телекоммуникации и глобальные сети.................. 109 5.2.2. Сервисы глобальных сетей.................................... 111 5.2.3. Региональная сеть Fidonet ................................... 116 5.3. ВСЕМИРНАЯ СЕТЬ ИНТЕРНЕТ .............................................. 5.3.1. Архитектура сети .................................................. 118 5.3.2. Web-серверы ......................................................... 121 5.3.3. Поисковые системы .............................................. 123 6. ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ .... 126 6.1. ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ .......................................... 6.1.1. Нормативно-правовая база информатики ........... 126 6.1.2. Аппаратные средства защиты информации ........ 130 6.1.3. Логическая и антивирусная защита данных ........ 133 6.1.4. Конфиденциальные системы ................................ 136 6.2. ТЕХНОЛОГИИ МУЛЬТИМЕДИА ............................................... 6.2.1. Мультимедиа ......................................................... 139 6.2.2. Компьютерная графика ........................................ 142 6.2.3. Компьютерная музыка.......................................... 148 6.2.4. Образовательные и игровые компьютерные технологии ................................................................................ 150 6.3. КОМПЬЮТЕРЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ И НАУКЕ....................................... 6.3.1. Портативные и промышленные компьютеры....... 155 6.3.2. Рабочие станции и суперкомпьютеры .................. 159 6.3.3. Системы автоматизированного проектирования . 162 6.3.4. Информационно-измерительные системы............ 165 6.4. ТЕХНОЛОГИИ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА .................................. 1 6.4.1. Искусственный интеллект и экспертные системы 167 6.4.2. Семантические и нейронные сети ........................ 171 6.4.3. Системы распознавания образов.......................... 174 6.4.4. Компьютерная лингвистика.................................. 177 ОГЛАВЛЕНИЕ .............................................................. 180

181

Учебное издание Валерий Михайлович Водовозов Александр Михайлович Водовозов Введение в вычислительную технику и компьютерные технологии Учебное пособие

Редактор Сажина Н.В.

ЛР № 020717 от 2.02.1998 Подписано в печать 12.11.2000 Формат 60х84/16. Бумага офсетная Печать офсетная. Ус. печ. л. 11,3 Тираж 200 экз. Заказ Отпечатано: РИО ВоГТУ 160035, г. Вологда, ул. Ленина, 15

182