Цифровые устройства. «Цифровые устройства обработки информации: цифровой фотоаппарат» - Урок

РАЗДЕЛ 2. СХЕМОТЕХНИКА ЦИФРОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Основные понятия цифровой электроники

Назначение радиоэлектронных устройств, как известно, – получение, преобразование, передача и хранение информации, представленной в форме электрических сигналов. Сигналы, действующие в электронных устройствах, и соответственно сами устройства делят на две большие группы: аналоговые и цифровые.

Аналоговый сигнал – сигнал, непрерывный по уровню и во времени, т.е. такой сигнал существует в любой момент времени и может принимать любой уровень из заданного диапазона.

Квантованный сигнал – сигнал, который может принимать только определенные квантованные значения, соответствующие уровням квантования. Расстояние между двумя соседними уровнями – шаг квантования.

Дискретизированный сигнал сигнал, значения которого заданы только в моменты времени, называемые моментами дискретизации. Расстояние между соседними моментами дискретизации – шаг дискретизации
. При постоянном
применима теорема Котельникова:
, где- верхняя граничная частота спектра сигнала.

Цифровой сигнал - сигнал, квантованный по уровню и дискретизированный во времени. Квантованные значения цифрового сигнала обычно кодируются некоторым кодом, при этом каждый выделенный в процессе дискретизации отсчет заменяется соответствующим кодовым словом, символы которого имеют два значения – 0 и 1.

Типичными представителями устройств аналоговой электроники являются устройства связи, радиовещания, телевидения. Общие требования, предъявляемые к аналоговым устройствам,– минимальные искажения. Стремление выполнить эти требования приводит к усложнению электрических схем и конструкции устройств. Другая проблема аналоговой электроники – достижение необходимой помехоустойчивости, ибо в аналоговом канале связи шумы принципиально неустранимы.

Цифровые сигналы формируются электронными схемами, транзисторы в которых либо закрыты (ток близок к нулю), либо полностью открыты (напряжение близко к нулю), поэтому на них рассеивается незначительная мощность и надежность цифровых устройств получается более высокой, чем аналоговых.

Цифровые устройства более помехоустойчивы, чем аналоговые, так как небольшие посторонние возмущения не вызывают ошибочного срабатывания устройств. Ошибки появляются только при таких возмущениях, при которых низкий уровень сигнала воспринимается как высокий или наоборот. В цифровых устройствах можно также применить специальные коды, позволяющие исправить ошибки. В аналоговых устройствах такой возможности нет.

Цифровые устройства нечувствительны к разбросу (в допустимых пределах) параметров и характеристик транзисторов и других элементов схем. Безошибочно изготовленные цифровые устройства не нужно настраивать, а их характеристики полностью повторяемы. Все это очень важно при массовом изготовлении устройств по интегральной технологии. Экономичность производства и эксплуатации цифровых интегральных микросхем привела к тому, что в современных радиоэлектронных устройствах цифровой обработке подвергаются не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Распространены цифровые фильтры, регуляторы, перемножители и др. Перед цифровой обработкой аналоговые сигналы преобразуются в цифровые с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Обратное преобразование – восстановление аналоговых сигналов по цифровым – выполняется с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).

При всем многообразии задач, решаемых устройствами цифровой электроники, их функционирование происходит в системах счисления, оперирующих всего двумя цифрами: нуль (0) и единица (1). По виду кодирования двоичных цифр электрическими сигналами элементы цифровой техники делятся на потенциальные (статические) и импульсные (динамические).

В потенциальных элементах нулю и единице соответствуют два резко отличающихся уровня напряжения. При этом напряжения могут быть как положительными, так и отрицательными относительно корпуса, электрический потенциал которого принимается за ноль. Различают элементы, работающие в положительной и отрицательной логике. В элементах с положительной логикой переход от 0 к 1 совершается с повышением потенциала. В отрицательной логике за логическую 1 принимается более отрицательное напряжение.

В импульсных элементах логической единице соответствует наличие, а логическому нулю – отсутствие импульса.

Работа цифровых устройств обычно тактируется достаточно высокочастотным генератором тактовых импульсов. В течение одного такта реализуется простейшая микрооперация – чтение, сдвиг, логическая команда и т.п. Информация представляется в виде цифрового слова. Для передачи слов используется два способа – параллельный и последовательный. Последовательное кодирование применяется при обмене информацией между цифровыми устройствами (например, в компьютерных сетях, модемной связи). Обработка информации в цифровых устройствах, как правило, реализуется при использовании параллельного кодирования информации, обеспечивающего максимальное быстродействие.

Элементную базу для построения цифровых устройств составляют цифровые интегральные микросхемы (ИМС), каждая из которых реализуется с использованием определенного числа логических элементов (ЛЭ) – простейших цифровых устройств, выполняющих элементарные логические операции.

Все цифровые устройства можно отнести к одному из двух основных классов: комбинационные (без памяти) и последовательностные (с памятью). Комбинационными называют устройства, состояние выходов которых в любой момент времени однозначно определяется значениями входных переменных в тот же момент времени. Это логические элементы, преобразователи кодов (в том числе шифраторы и дешифраторы), распределители кодов (мультиплексоры и демультиплексоры), компараторы кодов, арифметико-логические устройства (сумматоры, вычитатели, умножители, собственно АЛУ), постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), программируемые логические матрицы (ПЛМ).

Выходное состояние последовательностного цифрового устройства (конечного автомата) в данный момент времени определяется не только логическими переменными на его входах, но еще зависит и от порядка (последовательности) их поступления в предыдущие моменты времени. Иными словами, конечные автоматы должны обязательно содержать элементы памяти, отражающие всю предысторию поступления логических сигналов, и выполняются на триггерах, в то время как комбинационные цифровые устройства могут быть целиком построены только на логических элементах. К числу цифровых устройств последовательностного типа относят триггеры, регистры, счетчики, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), микропроцессорные устройства (микропроцессоры и микроконтроллеры).

Прежде чем изучать различные цифровые устройства, познакомимся с элементами математического аппарата, используемого при их построении. Его составными частями являются представление о системах счисления и методы описания и преобразования логических функций.

9. Математические основы цифровой электроники

9.1. Позиционные системы счисления

Системой счисления называют способ изображения произвольного числа ограниченным набором символов, называемых цифрами. Номер позиции, определяющий вес, с которым данная цифра складывается в числе, называют разрядом , а системы счисления, обладающие отмеченным свойством, –позиционными.

В общем случае n - разрядное положительное числоN в произвольной системе счисления с основаниемр представляется суммой вида

(9.1)

где a k - отдельные цифры в записи числа, значения которых равны членам натурального ряда в диапазоне от 0 до (р – 1).

При выполнении вычислений цифровыми электронными устройствами используются элементы с двумя устойчивыми состояниями. По этой причине в цифровой технике широкое распространение получила позиционная двоичная система счисления (с основанием 2). В каждом двоичном разряде, получившем название бит , может стоять 1 или 0. Сама же запись числа (двоичный код) представляет собой последовательность из единиц и нулей. Чтобы отличить двоичное число от десятичного, будем дополнять его справа суффиксомВ (Binaire ), как это принято в специальных машинно-ориентированных языках программирования, называемых ассемблерами.

Веса соседних разрядов двоичного кода числа отличаются в два раза, а самый правый разряд (младший) имеет вес 1. Поэтому, например

101101В = 1 . 2 5 + 0 . 2 4 + 1 . 2 3 +1 . 2 2 + 0 . 2 1 + 1 . 2 0 = 45.

Четыре соседних бита называют тетрадой , группу из 8 бит называютбайтом , а из 16 бит –машинным словом . Совокупность из 1024 (2 10) байт называют килобайтом, из 1024 килобайт – мегабайтом, из 1024 мегабайт – гигабайтом.

1 Гбайт = 2 10 Мбайт = 2 20 Кбайт = 2 30 байт.

Современные персональные ЭВМ могут хранить в своей памяти на жестких магнитных дисках цифровую информацию объемом в десятки гигабайт.

Арифметические операции в двоичной системе счисления исключительно просты и легко реализуются аппаратно. Однако при вводе и выводе информации в цифровое устройство она должна быть представлена в более привычной для человека десятичной системе счисления. Стремление упростить процедуру пересчета двоичных чисел к десятичному эквиваленту привело к использованию двоично-десятичного кода. В этом коде для записи отдельных цифр разрядов десятичного числа используют тетрады их двоичного

Современные цифровые устройства: сенсорные экраны сканеры фотоаппараты видеокамеры мобильные телефоны веб-камеры документ-камеры видеопроекторы устройства беспроводной передачи данных системы видеонаблюдения электронные книги цифровые микроскопы

Сенсорными экранами могут быть оборудованы телевизоры, компьютерные мониторы и другие экранные приспособления. Они могут быть установлены в платёжных терминалах, в оборудовании для автоматизации торговли, в карманных компьютерах, в операторских панелях в промышленности.

Устройства сканирования Сканер — это устройство, предназначенное для ввода в компьютер различных цветных и черно-белых изображений (фотографий, рисунков, слайдов), а также текстовой информации с листа бумаги, со страницы книги или журнала. Сканер используют в случае, когда возникает потребность ввести в компьютер из имеющегося оригинала текст и/или графическое изображение для его дальнейшей обработки (редактирование и т. д.).

Сканер – устройство для ввода информации с бумаги в память компьютера и дальнейшего редактирования текста или изображения.

Сферы применения фотоаппаратов Широко используются в полиграфии, научных исследованиях, медицине, геологии, криминалистике. В этих и многих других отраслях довольно часто возникает необходимость получения снимков практически мгновенно с последующей обработкой и пересылкой их на большие расстояния через сеть Интернет.

Веб-камеры – цифровые камеры, способные в реальном времени фиксировать изображения, которые затем передаются по сети Интернет или по другому видеоприложению.

Документ-камера – специальная видеокамера. Её используют, когда необходимо показать что-то маленькое, что существует в одном экземпляре (книги, картинки, изображения с микроскопа). Подключается к телевизору, проектору, компьютеру.

Электронные книги относят к разновидности планшетных компьютеров. Их появление обусловлено развитием и специализацией планшетных компьютеров вообще. Некоторые современные устройства оборудованы сенсорным экраном и имеют расширенный набор функций, и позволяют не только читать, но и редактировать текст.

Преимущества Компактность и портативность. В одном устройстве могут храниться сотни и тысячи книг. Кроме того, устройство обычно меньше и легче бумажной книги. Настройки изображения. По желанию пользователя можно изменять начертание и размер шрифта и формат вывода (в одну колонку или в две, портрет или ландшафт). Возможность изменения размера шрифта даёт возможность читать книги людям, которым мелкий нерегулируемый шрифт бумажных книг принципиально не позволяет читать. Дополнительные возможности. В устройстве может быть реализован поиск по тексту, переходы по гиперссылкам, отображение временных выделений и примечаний, электронные закладки, словарь.

Преимущества Встроенные программы - синтезаторы речи позволяют озвучивать тексты. Электронная книга позволяет не только читать тексты, но и отображать анимированные картинки, мультимедийные клипы или проигрывать аудиокниги. Стоимость текста. Многие тексты в электронном виде бесплатны или дешевле, чем в бумажном. Доступность. При наличии подключения к Интернету тексты в любое время доступны для скачивания с соответствующих сайтов (электронных библиотек).

Преимущества Экологичность. Для чтения текстов в электронной книге не нужна бумага, для производства которой вырубаются леса. Безопасность для астматиков, аллергиков, чувствительных к домашней и бумажной пыли.

Недостатки Электронные книги с TFT — экранами имеют неблагоприятное влияние на зрение человека по аналогии с компьютером. Относительно невысокое качество изображения, не сравнимое с бумажными книгами, изданными на дорогой высококачественной бумаге[источник не указан 42 дня]. Как любые электронные приборы, устройства для чтения электронных книг гораздо чувствительнее к физическому воздействию (повреждению), чем бумажные книги Высокая цена. Часть издателей выпускают электронную версию книги с задержкой. Часть книг вовсе официально не публикуются в виде электронной версии

Недостатки В части моделей[уточнить] используется DRM накладывающая ограничения в том числе и на добросовестное использование, так применение DRM приводит к ситуации, что любую книгу на любом устройстве прочитать нельзя. Одим из ярких примеров было дистанционное удаление легально купленных книг с устройств пользователей. Однако, поскольку не составляет труда купить электронную книгу, читающую форматы, не поддерживающие DRM (например, fb 2, rtf , txt и т. п.), а коммуникационными возможностями обладают далеко не все электронные книги, это едва ли можно считать недостатком электронных книг как класса устройств. Устройства для чтения электронных книг требуют периодической подзарядки встроенных аккумуляторов (батарей).

Цифровой микроскоп Цифровой микроскоп– это микроскоп, укомплектованный цифровой системой ввода изображений, с помощью которой изображения передаются в компьютер. Цифровой микроскоп дает возможность не просто наблюдать микро объекты, но и документировать изображения с помощью установленной на микроскоп системы ввода, а при необходимости и проводить измерения на изображениях и их анализ с помощью программного обеспечения.

Цифровой микроскоп Для передачи изображений с микроскопа или стереомикроскопа в компьютер могут использоваться цифровые видеокамеры, цифровые фотокамеры или аналоговые системы ввода. С помощью этих устройств изображение с микроскопа передается в компьютер для последующего архивирования или обработки при необходимости. Выбор системы ввода зависит от задач, которые необходимо решать и требований, предъявляемых к качеству изображений.

Цифровой микроскоп Цифровые микроскопы позволяют передавать изображение с различным увеличением от увеличения в несколько раз до увеличения в сотни тысяч раз

Графический планшет, или дигитайзер, предназначен для ввода в компьютер графических изображений, и используется при работе с программами профессиональной графики и САПР, а также для создания либо копирования рисунков или фотографий. Он позволяет создавать рисунки так же, как на листе бумаги. Это устройство ввода информации состоит из планшета и указателя. Изображение преобразуется в цифровую форму, отсюда название устройства (от англ. digit - цифра).

Графический планшет Принцип действия дигитайзера основан на фиксации координат курсора на поверхности планшета при помощи встроенной сетки, состоящей из проволочных или печатных проводников. Устройство позволяет преобразовать передвижение указателя по планшету в формат векторной графики. Дигитайзер точно определяет абсолютные координаты указателя на планшете и переводит их в координаты точки на экране монитора.

Графический планшет В качестве указателей используют- ся специальные круговые курсоры и перья. Как и мыши, указатели снабжаются кнопками. Курсоры позволяют точно задавать координаты точки, их чаще используют при работе в САПР. Перья применяют при работе в графических редакторах, некоторые из них чувствительны к нажиму и позволяют менять параметры линий

Графический планшет Планшеты бывают жесткими и гибкими. Гибкие планшеты можно сворачивать в трубку, они удобны при транспортировке и хранении, обладают меньшим весом, компактностью и ценой, но в то же время – более низкой разрешающей способностью и надежностью, чем жесткие

Графический планшет Результат работы дигитайзера воспроизводится на экране монитора и в случае необходимости может быть распечатан на принтере. Дигитайзерами обычно пользуются архитекторы, дизайнеры. Высокая цена на профессиональные дигитайзеры с большим форматом планшета и качественным, сбалансиро ванным указателем, ограничивает использование этого устройства ввода информации

Цифровые устройства

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Цифровые устройства
Рубрика (тематическая категория)	Компьютеры

Аналоговые устройства

К аналоговым устройствам относятся функциональные электронные узлы, предназначенные для выполнения различных операций и преобразований над аналоговыми сигналами. В структурном отношении, аналоговые устройства можно представить в виде:

1. Двухполюсника

Uвых(t)

Uвх(t)

Uвх2(t)

Имеет 2 пары входных зажимов, к которым подключаются источники сигналов, а к выходным зажимам подключают нагрузку. Представляет собой передаточное звено с управляющими параметрами.

К цифровым устройствам относятся функциональные узлы, предназначенные для выполнения операций над объектами информации в виде цифровых сигналов. Для представления цифровых сигналов служат кодовые слова. Особенности: для построения используется простейший алфавит – две буквы, обозначаемые символами 0 и 1. Кодовое слово – число в 2 СС. Число букв в кодовом слове фиксировано.

Слово содержит n букв или разрядов. В цифровых устройствах объектом информации являются двоичные числа, а не функции времени.

Принципы функционирования цифровых устройств:

1) Для выполнения команды отводится определœенное время, для этого используется генератор тактовых импульсов, он формулирует управляющий сигнал

2) После начала операции происходит преобразование всœех входных кодовых слов в требуемые выходные

3) Выходные кодовые слова отправляются на хранение в память цифровой системы или во внешние устройства для выполнения действий

Способы обработки кодовых слов:

Для реализации операций над кодовыми словами, крайне важно их в виде электрических сигналов. Распространение получил потенциальный способ представления. Логический ноль соответствует низкому уровню сигнала(напряжение), логическая единица- высокому. Операции над кодовыми словами могут выполняться двумя способами: последовательно(по разрядно) и параллельно.

Простейшие преобразователи информации:

Компьютер состоит из миллионов элементов: транзисторов, диодов, регистров, входящих в состав интегральных схем. Но изучение работы ПК облегчается регулярностью его структуры, что означает: компьютер состоит из большого количества простейших элементов, всœего несколько типов. Элементы образуют небольшое количество типовых схем.

По степени сложности выполненных функций различают:

1) Элементы – простейшая часть, выполняющая операции над отдельными битами. Различают логически(и, или, не, и-не, или-не), запоминающие(триггеры различных типов) и вспомогательные, служащие для усиления и формирования сигналов.

2) Узлы – состоят из элементов и выполняют операции над словами. Различают комбинационные и накапливающие(последовательностные)

Комбинационные построены исключительно на логических элементах;

Накапливающие включают логические элементы и элементы памяти;

К узлам ПК относят: регистры, счетчики, сумматоры, мультиплексоры и т.д.

3) Устройства – состоят из нескольких узлов, выполняют одну или ряд однотипных операций над машинными словами К устройствам относят АЛУ, устройство памяти, устройство управления, ЗУ, устройство ввода/вывода.

Цифровые устройства - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Цифровые устройства" 2017, 2018.

- Тема 4. Комбинационные цифровые устройства.

4-1. Понятие комбинационного цифрового устройства, микросхемы комбинационного типа малой степени интеграции. Под комбинационным цифровым устройством (КЦУ) понимается цифровое устройство, обеспечивающее преобразование совокупности N входных цифровых сигналов в M... .

- Лекция 8. Цифровые устройства – дешифратор, мультиплексор.

Комбинационное устройство (КУ) - это устройство с m входами и n выходами. Если КУ выполнено на базе идеальных, т.е. безинерционных элементов, состояние выходов однозначно определяется состоянием входов в тот же момент времени. Однако, инерционность элементов и наличие... .

- Аналого-цифровые устройства

ВОПРОС №1 СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ ЛЕКЦИЯ №14 Современные системы связи, телевидение, аудио-, видеоаппаратура нового поколения переходят на цифровой стандарт качества, который предусматривает прием, передачу и обработку сигналов...

Тема урока: «Цифровые устройства обработки информации : цифровая видеокамера »

Цель урока:

создать условия для формирования у учащихся представления о видах и назначении цифровых устройств для обработки информации;

продолжить развивать навыки обработки информации с помощью различных устройств;

продолжить воспитывать бережное отношение к компьютерной технике , выполнение правил безопасного поведения в кабинете

ХОД УРОКА:

1. Организационный момент.

2. Повторение материала предыдущего урока:
1) о каком устройстве мы говорили на прошлом уроке?

2) Какие основные элементы фотоаппарата вы можете назвать?

3) Каковы достоинства цифровых фотокамер?

4) Где хранятся изображения в фотоаппарате?

5) Как осуществляется передача изображений с фотоаппарата?

3. Изучение нового материала.

К сегодняшнему уроку вы подготовили сообщения о цифровых видеокамерах – устройствах, которое намного расширяет возможности современных компьютеров. Знакомство с этим устройством мы проведем по тому же плану, что и знакомство с цифровым фотоаппаратом, т. е:

1 – основные элементы видеокамеры

2– достоинства цифровых видеокамер

3– устройства для записи информации в видеокамере

4 - передача информации с видеокамеры в компьютер

5– веб-камеры

Предоставим слово представителям групп.

(учащиеся делают сообщения, при необходимости сопровождают рассказ иллюстрациями)

Материал, который может быть предложен учащимся, находится в приложении 1.

4. Практикум по переносу видео в компьютер

Так же как и на прошлом уроке, можно снимать фрагменты выступлений учащихся, их деятельность на уроке . На практике показать, как перенести видео (на крайний случай с фотоаппарата). Форма работы – индивидуальная.

5. Монтаж видеофильма об изучении Цифровых устройств обработки информации

Работа с видеоредактором MoveMaker (фронтально):

MoveMaker .

2. Загрузить видео изображения – Запись видео - Импорт видео.

3. Загрузить фото – Запись видео - Импорт изображений

4. Расположить видеофрагменты и фотографии на панель раскадровки (перетаскиванием)

5. Добавить переходы: Монтаж фильма – Просмотр видеопереходов – Выбрать видеопереход – перетащить его на панель раскадровки в область между кадрами.

6. Добавит эффекты: Монтаж фильма – Просмотр эффектов – Выбрать эффект – перетащить его на панель раскадровки непосредственно на кадр. Для усиления эфеекта, его можно использовать несколько раз.

7. Добавление тиров и надписей: Монтаж фильма – Создание названий и титров – Выбрать эффект титров или надписи – ввести текст, установить форматирование – нажать кнопку «Готово».

8. Добавление музыки: Запись видео – импорт звука и музыки – перетащить фрагмент на панель раскадровки.

9. Сохранение фильма в формате WMV – Завершение создания фильма – Сохранение фильма на компьютере - Подтверждать запросы мастера сохранения фильма.

Данный алгоритм выдать учащимся как памятку. Работу выполняем все вместе, учитель показывает все тоже самое на экране.

6. Домашнее задание: На следующем уроке учащимися будет выполняться проект по созданию фильма. Для этого им предстоит продумать тематику проекта, какие фрагменты и фотографии они будут использовать. На уроке им предстоит отснять материал и смонтировать небольшой фильм. (Тематика разнообразна: Моя школа, Мой класс, Наш кабинет информатики, Наши учителя и т. д.) Работа предполагается в группах по 2-3 человека.

Приложение 1. Видеокамеры

Видеокамеры в первую очередь делятся на цифровые и аналоговые. Здесь я не буду рассматривать аналоговые камеры (VHS , S -VHS , VHS -C , Video -8, Hi -8) по вполне понятным причинам. Им место в комиссионке, или на верхней полке в кладовке (а вдруг когда-нибудь раритетом станет), но обработка аналогового видео рассмотрена будет обязательно, так как кассет, я думаю, у каждого найдется немало. Итак, современные бытовые видеокамеры различаются по виду носителя видеоинформации, по способу записи (кодировке) видеоинформации, по размеру и количеству матриц, ну и, само собой по оптике.

1.1.1. По виду носителя информации камеры делятся на:

HDV -камеры: новейший и судя по всему основной в будущем формат. Размер кадра до 1920*1080. Представьте себе, каждый кадр – это 2-х мегапиксельная фотография, и вы поймете какое качество видео. Строго говоря, HDV – это формат записи, так как есть камеры HDD , работающие по формату HDV . Но я специально поставил этот формат в этот ряд, так как большинство существующих HDV -камер пишут на кассеты. Если деньги для вас не проблема, эти камеры для вас.

DV -камеры: основной формат бытовых цифровых видеокамер. Размер кадра 720*576 (PAL ) и 720*480 (NTSC ). Качество записи во многом зависит от оптики и качества (и количества) матриц. DV -камеры делятся на собственно DV (mini -DV ) – камеры и камеры Digital -8. Какую именно покупать, зависит от вас, с одной стороны mini -DV – камеры более распространенны, с другой, если до этого у вас была камера Video -8, есть смысл обратить внимание на камеры Digital -8, так как эти камеры свободно записывают на любые кассеты формата 8 (Video -8, Hi -8, Digital -8(могут, конечно, ругаться, мол, слабовата Video -8 для меня, но пишут на них запросто)), кроме того, записывая на кассеты лучшего качества (Hi -8, Digital -8), вы получите более продолжительную запись по сравнению с mini -DV .

DVD -камеры. Я не отношусь к поклонникам данного вида камер. Качество записи у них ниже, чем у DV -камер, да и диска при наилучшем для них качестве хватает минут на 20. Но! Если вы не притязательны к качеству (тем более что на экране обыкновенного телевизора разница не так и заметна) и у вас нет желания заморачиваться с изготовлением фильма, последующей кодировкой в DVD -формат, вы вполне можете пользоваться DVD -камерой. Тем более что собрать полноценный DVD из полученных файлов на DVD 1,4 Гб (используемый в DVD -камерах), можно довольно быстро с помощью специализированных программ (например, CloneDVD и DVD -lab ).

Флэш-камеры. Запись производится на флэш-карточку в форматах MPEG 4 и MPEG 2. Продолжительность зависит от объема карточки, выбранного размера кадра и качества кодировки. MPEG 2 предпочтительней, так как качество выше, но места занимает больше. Но ни тот, ни другой формат при обработке камерой видеоинформации для записи на карточку не смогут обеспечить качество, хоть немного приближенное к DV . Поэтому порекомендовать подобные камеры можно для подарка детям или для съемок в экстремальных условиях, так как неоспоримым преимуществом этих камер является компактность и отсутствие механических частей (исключение – трансфокатор).

HDD -камеры. Запись производится на встроенный жесткий диск. Запись может производится во всех форматах от HDV до MPEG 4 (зависит от модели). Возможно, как и флэш-камеры – это будущее бытовых видеокамер, но в отличие от последних HDD -камеры уже сейчас могут обеспечить великолепное качество HDV , либо до 20-ти часов записи неплохого качества MPEG 2 на 30-ти Gb диск. Но посмотрим на это великолепие с другой стороны, запись 1 часа формата DV занимает на жестком диске 13-14 Gb , и, произведя нехитрые вычисления, скажите что проще переставить кассету или переписывать в компьютер видео через 2,3-3 часа записи (к хорошему качеству привыкаешь быстро).

HDV -камеры			Высокая цена
DV(miniDV) -камеры		Де-факто основной стандарт домашней видеозаписи	Проблема выбора, в этом стандарте мирно уживаются дешевые «мыльницы» и полупрофессиональные модели
DV(Digital-8) -камеры		Запись и воспроизведение на любые кассеты формата 8 Более продолжительная запись на 1 кассету по сравнению с miniDV	Небольшая распространенность формата
DVD -камеры		Записал, достал диск из камеры, поставил в плеер	Невысокое качество записи Небольшое время записи на диск
Флэш-камеры		Отсутствие механических частей (за исключением трансфокатора), как следствие более высокая надежность	Невысокое качество записи
HDD -камеры		Гораздо большее время записи по сравнению с кассетными аппаратами Высокая скорость перезаписи информации на жесткий диск компьютера	Частое «скидывание» видео в компьютер В «полевых» условиях необходим ноутбук с достаточно большим жестким диском Высокая цена

1.1.2. Любая цифровая видеокамера использует компрессию (сжатие) оцифрованного видео, потому что на данный момент просто не существует носителей способных выдержать некомпрессированное видео (одна минута несжатого видео PAL 720*576 без звука занимает примерно 1,5 Гб на жестком диске, нехитрые подсчеты позволяют увидеть, что на один час уже потребуется 90 Гб). И еще необходимо обработать этот огромный объем информации, даже простая перезапись 90 Гб потребует около пяти часов. Поэтому производителям видеокамер просто необходимо использовать компрессию оцифрованного видео. Современные видеокамеры используют следующие виды компрессии: DV , MPEG 2, MPEG 4 (DivX , XviD ).

DV – основной вид сжатия видео в современных цифровых видеокамерах, его используют HDV , miniDV , Digital 8 и некоторые HDD -камеры. Высокое качество данного вида компрессии, я думаю, еще долго ведущим среди других форматов.

MPEG 2 – формат, используемый для записи DVD . Хотя и имеет несколько худшее качество записи по сравнению с DV , но в зависимости от битрейта (грубо говоря, количество байтов, выделяемых на одну секунду видео) используя данный вид компрессии можно получить видео достаточно высокого качества (вспомните лицензионные DVD ).

MPEG 4 – честно говоря, производители цифровой аппаратуры (фото и видео) серьезно «подмочили» репутацию данного формата. Чтобы «выжать» из этого формата все возможное необходимо использовать достаточно мощный компьютер и потратить приличное количество времени. Поэтому и получается, что конечное видео в формате MPEG 4 на видеокамерах и фотоаппаратах невысокого разрешения и невысокого (мягко говоря) качества. Что используется DivX или XviD не так уж важно, разницу (небольшую), опять же, можно увидеть лишь при обработке видео на компьютере.

1.1.3. Немаловажное, а скорее основное, влияние на конечный результат оказывает качество матрицы, используемой для оцифровки оптического сигнала, проходящего через линзу видеокамеры. Чем она больше, тем лучше. При выборе видеокамеры не поленитесь заглянуть в спецификацию и посмотреть количество эффективно используемых пикселей («точек» на матрице). Например, в спецификации к видеокамере Sony ХХХХХХХ написано, что при размере кадра 720*576 (0,4 Мегапикселей) для видео используется 2 Мегапикселей матрицы. Естественно это самым положительным образом сказывается на конечном результате, так как при любой кодировке (компрессии) жестко действует закон: чем лучше исходный материал, тем лучше результат, а чем больше света попадет на матрицу, тем меньше будет цифровых шумов, тем в более темное время можно будет использовать видеокамеру и т. д. Все вышесказанное в тройном размере относится к трехматричным камерам, кроме всего прочего система трех матриц позволяет существенно уменьшить цветовые шумы за счет того, что разделение света на цветовые составляющие RGB (обязательное условие для получения видеосигнала) производится не электроникой, а оптической призмой, затем каждая матрица обрабатывает свой цвет.

Косвенно о размере и качестве матрицы можно судить по встроенному в видеокамеру цифровому фотоаппарату, чем больше у него разрешение, тем лучше.

1.1.4. С оптикой видеокамеры все просто: чем больше, тем лучше. Чем больше диаметр объектива, тем больше света попадет на матрицу. Чем больше оптическое увеличение объектива…Впрочем, на этом стоит остановиться поподробнее. Первое что хочется сказать: НИКОГДА не смотрите на гордые надписи на боку видеокамеры (Х120, Х200, Х400 и т. д.). Смотреть нужно только на оптическое увеличение объектива (либо на камере (optical zoom ), либо на самом объективе). Конечно, цифровое увеличение использовать можно, но не стоит забывать, что цифровое увеличение - это ограничение количества эффективно используемых пикселей матрицы (см. рисунок). А всего лишь 2-х кратное цифровое увеличение (например, при 10-ти кратном объективе, это будет 20-ти кратное общее увеличение) приведет к уменьшению эффективно используемых пикселей на матрице в 4 раза!

Ну и неплохо бы иметь оптический стабилизатор, так как в камерах с цифровым стабилизатором используется не вся площадь матрицы.

Веб-камеры

Веб-камеры – это недорогие сетевые стационарные устройства, передающие информацию, обычно видеозапись, по беспроводным или кросскоммутируемым каналам Internet и Ithernet. Основное назначение «комнатных» веб-камер заключается в использовании их для работы с видеопочтой и проведения телеконференций. Широкое применение такие камеры нашли в «беби-ситинге» - они отлично справляются с ролью видеонянь, передавая изображение предоставленного самому себе ребенка. «Уличные» антивандальные веб-камеры выполняют роль охранных видеонаблюдателей. Возможность захвата изображения в режиме видеокамеры или фотоаппарата - это дополнительные возможности веб-камер. Ожидать высокого качества от записываемых видеороликов или цифрового фото в данном случае не стоит. Потому что нет смысла оснащать веб-камеры качественной оптикой и дорогой электроникой - передача видеоданных в режиме реального времени требует невероятно высокой компрессии, неизбежно приводящей к потере качества изображения. Хотя получение шикарной картинки с помощью веб-камер принципиально невозможно, именно качество получаемого изображения является основной характеристикой, позволяющей субъективно сравнивать и выбирать камеры этого типа. Впрочем, на предпочтение также могут повлиять интересный дизайн, программная комплектация и различные опции вроде поддержки скинов и дополнительных коммуникационных интерфейсов. Все веб-камеры оснащены функцией детектора движения и аудиовходом, позволяющим передавать звуковую информацию, их также часто оборудуют разъёмами для подключения различных внешних датчиков и устройств вроде осветительных приборов и сигнализации. Мировая практика показывает, что основными производителя веб-камер становятся компании, изготавливающие компьютерную периферию (Genius , Logitech, SavitMicro) или сетевое оборудование (D-Link , SavitMicro ), а не видео - или фототехнику, что еще раз подчеркивает различие применяемых технологий.

Форматы сжатия видео изображения

В качестве начального шага обработки изображения форматы сжатия MPEG 1 и MPEG 2 разбивают опорные кадры на несколько равных блоков, над которыми затем производится дискетное косинусное преобразование (DCT). По сравнению с MPEG 1, формат сжатия MPEG 2 обеспечивает лучшее разрешение изображения при более высокой скорости передачи видео данных за счет использования новых алгоритмов сжатия и удаления избыточной информации, а также кодирования выходного потока данных. Также формат сжатия MPEG 2 дает возможность выбора уровня сжатия за счет точности квантования. Для видео с разрешением 352х288 пикселей формат сжатия MPEG 1 обеспечивает скорость передачи 1,2 – 3 Мбит/с, а MPEG 2 – до 4 Мбит/с.

По сравнению с MPEG 1, формат сжатия MPEG 2 обладает следующими преимуществами:

Как и JPEG2000, формат сжатия MPEG 2 обеспечивает масштабируемость различных уровней качества изображения в одном видеопотоке.

В формате сжатия MPEG 2 точность векторов движения увеличена до 1/2 пикселя.

Пользователь может выбрать произвольную точность дискретного косинусного преобразования.

В формат сжатия MPEG 2 включены дополнительные режимы прогнозирования.

Формат сжатия MPEG 2 использовал снятый сейчас с производства видеосервер AXIS 250S компании AXIS Communications, 16-канальный видеонакопитель VR-716 компании JVC Professional, видеорегистраторы компании FAST Video Security и многие другие устройства системы видеонаблюдения.

Формат сжатия MPEG 4

MPEG4 использует технологию так называемого фрактального сжатия изображений. Фрактальное (контурно-основанное) сжатие подразумевает выделение из изображения контуров и текстур объектов. Контуры представляются в виде т. н. сплайнов (полиномиальных функций) и кодируются опорными точками. Текстуры могут быть представлены в качестве коэффициентов пространственного частотного преобразования (например, дискретного косинусного или вейвлет-преобразования).

Диапазон скоростей передачи данных, который поддерживает формат сжатия видео изображений MPEG 4, гораздо шире, чем в MPEG 1 и MPEG 2. Дальнейшие разработки специалистов направлены на полную замену методов обработки, используемых форматом MPEG 2. Формат сжатия видео изображений MPEG 4 поддерживает широкий набор стандартов и значений скорости передачи данных. MPEG 4 включает в себя методы прогрессивного и чересстрочного сканирования и поддерживает произвольные значения пространственного разрешения и скорости передачи данных в диапазоне от 5 кбит/с до 10 Мбит/с. В MPEG 4 усовершенствован алгоритм сжатия, качество и эффективность которого повышены при всех поддерживаемых значениях скорости передачи данных. Разработка компании JVC Professional – веб-камера VN-V25U, входящая в линию сетевых устройств works, использует для обработки видео изображений формат сжатия MPEG 4.

Видео форматы

Видео формат определяет структуру видео файла, то как хранится файл на носителе информации(CD, DVD, жестком диске или канале связи). Обычно разные форматы имеют различные расширения файла(*.avi, *. mpg, *.mov и др)

MPG - Видеофайл, в котором содержится видео, закодированное MPEG1 или MPEG2.

Как вы замечали, обычно MPEG-4 фильмы имеют расширение AVI. Формат AVI (Audi o-Video Interleaved) был разработан корпорацией Microsoft для хранения и воспроизведения видеороликов. Представляет собой контейнер, в котором может быть что угодно, начиная от MPEG1 и заканчивая MPEG4. Он может содержать в себе потоки 4 типов - Video, Audio, MIDI, Text. Причем видеопоток может быть только один, тогда как аудио - несколько. В частности, AVI может содержать и только один поток - либо видео, либо аудио. Сам формат AVI не накладывает совершенно никаких ограничений на тип используемого кодека, ни для видео, ни для аудио - они могут быть любыми. Таким образом, в AVI файлах могут совершенно спокойно сочетаться любые видео - и аудиокодеки.

RealVideo формат, созданный компанией RealNetworks. RealVideo используется для живой телевизионной трансляции в Интернете. Например, телекомпания CNN одной из первых стала вещать в Сети. Обладает небольшим размером файла и самым низким качеством, зато вы, не особенно загружая свой канал связи, сможете посмотреть последний выпуск теленовостей на сайте выбранной вами телекомпании. Расширения RM, RA, RAM.

ASF - Потоковый формат от Microsoft.

WMV - Видеофайл, записанный в формате Windows Media.

DAT - Файл, скопированный с VCD(VideoCD)\SVCD диска. Содержит в себе MPEG1\2 видеопоток.

MOV - Формат Apple Quicktime.

Подключение к ПК или телевизору

Самый простой разъем - AV-выход RCA - попросту говоря "тюльпаны" - имеется в любой видеокамере, приспособлен для подключения к любой телевидеотехнике, и обеспечивает передачу аналогового видео с наибольшими потерями в качестве. Гораздо ценнее наличие в цифровых видеокамерах таких аналоговых входов - это позволяет оцифровывать Ваши архивы аналоговых записей, если у Вас прежде цифровой имелась аналоговая видеокамера. В "цифре" продлится срок их хранения, а также появится возможность редактирования их на компьютере. Видеокамеры форматов Hi8, Super VHS (-С), mini-DV (DV) и Digital8 оснащены S-video-разъемом, который, в отличие от RCA, передает раздельно сигналы цветности и яркости, что значительно уменьшает потери, заметно улучшает качество изображения. Наличие S-video-входа в цифровых моделях дает те же преимущества обладателям архивов записей Hi 8 или Super VHS. Встроенный инфракрасный передатчик LaserLink в видеокамерах Sony, с помощью приемного устройства IFT-R20, позволяет смотреть отснятый материал по телевизору, не подключаясь к нему проводами. Просто поставьте видеокамеру рядом с телевизором на расстоянии до 3 м и включайте "PLAY". Более усовершенствованный передатчик Super LaserLink, которым оснащаются все последние модели работает на большем расстоянии (до 7 м). Наличие в видеокамере монтажных разъемов позволяет осуществлять линейный монтаж, синхронизировав видеокамеру с видеомагнитофонами и монтажной декой. В таком случае на всех скомутированных между собой устройствах контролируются синхронно показания счетчика ленты и все основные режимы: воспроизведение, запись, стоп, пауза и перемотка. В видеокамерах Panasonic для этой цели служит разъем Control-M, в видеокамерах Sony - Control-L (LANC). Спецификации их несовместимы, поэтому рекомендуем уточнять соответствие интерфейса у видеомагнитофона и видеокамеры.

Разъем RS-232-C ("цифровой фотовыход")

Разъем для подключения видеокамеры к последовательному порту компьютера для передачи неподвижных кадров в цифровом виде и управления видеокамерой с ПК. В "навороченных" моделях вместо RS-232-C встроен еще более быстрый "фотовыход" - USB-интерфейс. Все видеокамеры mini-DV и Digital8 оснащены DV-выходом (i. LINK или IEEE 1394 или FireWire), обеспечивающим быструю передачу цифрового аудио/видеосигнала без потерь качества. Для этого Вам необходимо иметь другое устройство с поддержкой DV-формата - DV-видеомагнитофон или компьютер с DV-платой. Ценнее конечно же видеокамеры, имеющие, кроме выхода, также DV-вход. Некоторые фирмы производят одну и ту же модель в двух вариантах: т. н. "европейском" (без входов) и "азиатском" (с входами). Это объясняется высокими таможенными пошлинами в Европе на импорт цифровых видеомагнитофонов, к каковым справедливо можно отнести и видеокамеру с DV-входом. IEEE-1394, FireWire и i. LINK - это три названия одного и того же высокоскоростного цифрового последовательного интерфейса, который служит для передачи любых видов цифровой информации. IEEE-1394 (IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers) Обозначение стандарта интерфейса, разработанного корпорацией Apple (под фирменным названием FireWire). Обозначение принято американским Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). Большинство видеокамер mini-DV и Digital8 оборудованы интерфейсом IEEE-1394, с помощью которого видеоинформация, представленная в цифровой форме, пересылается непосредственно на компьютер. Аппаратная часть включает в себя недорогой адаптер и четырехжильный или шестижильный кабель. Позволяет передавать данные со скоростью до 400 Мбит/с.

i. LINK

Цифровой вход/выход на базе стандарта IEEE 1394. Позволяет передавать отснятый видеоматериал на компьютер. Модели видеокамер с i. Link повышают гибкость работы за счет интерактивного монтажа, электронного хранения и рассылки изображений.

FireWire

Зарегистрированный товарный знак фирмы Apple, принимавшей активное участие в разработке стандарта. Название FireWire ("огненный провод") принадлежит фирме Apple и может использоваться только для описания ее изделий, а по отношению к таким устройствам на PC принято употреблять термин IEEE-1394, то есть непосредственно название стандарта;

Карта памяти

На этой карте Вы можете хранить в электронном виде фотографии, видеоролики, музыку. С ее помощью можно передавать изображение на компьютер.

Memory Stick

Карта памяти Memory Stick - фирменная разработка Sony - способна хранить одновременно записи изображения, речи, музыки, графики и текстовые файлы. Весом всего 4 грамма и по размеру не превосходящая пластинки жвачки, карта памяти надежна, имеет защиту от случайного стирания, 10-штырьковое соединение для большей надежности, частоту передачи данных - 20 МГц, скорость записи - 1,5 Мб/сек., скорость чтения - 2,45 Мб/сек. Вместимость цифровых стоп-кадров на карте емкостью 4 Мб (MSA-4A): в формате JPEG 640x480 режим SuperFine - 20 кадров, Fine - 40 кадров, Standard - 60 кадров; в формате JPEG 1152x864 режим SuperFine - 6 кадров, Fine - 12 кадров, Standard - 18 кадров. Вместимость MPEG Movies на карте емкостью 4 Мб (MSA-4A): в режиме Presentation (320x2,6 по 15 секунд; в режиме Video Mail (160x1,6 по 60 секунд.

SD Memory Card

SD-карта - карта памяти нового стандарта размером с почтовую марку позволяет хранить любые виды данных, включая разнообразные фото-, видео - и аудиоформаты. На данный момент доступны SD-карты емкостью 64, 32, 16 и 8 МB. До конца 2001 года в продажу поступят SD-карты емкостью до 256 МB. Одна SD-карта емкостью 64 Mb содержит примерно такое же количество музыки, как один CD-диск. Так как скорость передачи данных на SD-карту - 2 Мб/сек., перезапись с CD-диска займет всего 30 секунд. Поскольку SD Memory Card - это полупроводниковый носитель информации, вибрация не оказывает на нее никакого влияния, то есть здесь невозможен пропуск в звучании, встречающийся у вращающихся носителей типа CD или MD. Максимальное время звуковой записи на SD-карту 64 Mb: 64 минуты высокого качества (128 кбит/сек), 86 минут стандартного (96 кбит/сек) или 129 минут в LP-режиме (64 кбит/сек).

В период развития цифровых технологий были разработаны ком­пьютеры самых разных типов. Многие из них давно забыты, но дру­гие оказали сильное влияние на развитие современных вычислительных систем. Здесь мы дадим краткий обзор некоторых этапов развития вычислительных машин, чтобы показать, как человеческая мысль пришла к современному пониманию компьютерных техно­логий.

Устройства, облегчающие счет или запоминание его результатов, известны давно, но нас будут интересовать только устройства для вы­числений, которые автоматически выполняют заложенные в них про­граммы. Поэтому мы не рассматриваем здесь такие устройства, как счеты, механические арифмометры и электронные калькуляторы.

Первая счетная машина с хранимой программой была построена французским ученым Блезом Паскалем в 1642 г. Она была механичес­кой с ручным приводом.и могла выполнять операции сложения и вычитания. Немецкий математик Готфрид Лейбниц в 1672 г. построил механическую машину, которая могла делать также операции умноже­ния и деления. Впервые машину, работающую по программе, разра­ботал в 1834 г. английский ученый Чарльз Бэббидж. Она содержала запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарт и печатающее устройство. Команды считывались с перфокарты и выполняли считывание данных из памяти в вычисли­тельное устройство и запись в память результатов вычислений. Все устройства машины Бэббиджа, включая память, были механически­ми и содержали тысячи шестеренок, при изготовлении которых тре­бовалась точность, недоступная в XIX в. Машина реализовала любые программы, записанные на перфокарте, поэтому впервые для напи­сания таких программ потребовался программист. Первым програм­мистом была англичанка Ада Ловлейс, в честь которой уже в наше время был назван язык программирования Ада.

В XX в. начала развиваться электроника и ее возможности немедленно взяли на вооружение разработчики вычислительных ма­шин. С построения вычислительных машин, базовая система элемен­тов которых была построена на электронных компонентах, начина­ется отсчет поколений цифровых вычислительных машин. Отметим, что деление периода развития цифровой техники на этапы связано, в основном, с переводом базовой системы элементов на новые тех­нологии производства электронных компонентов.

Первое поколение -

электронные лампы (1945-1955 гг.)

В основе базовой системы элементов этого поколения компью­теров лежали электронные лампы. Их использование определяло и достоинства и недостатки цифровых устройств, Электронные лампы обеспечивали высокую скорость переключения логических элемен­тов, что увеличивало скорость вычисления по сравнению с попыт­ками создать вычислительную машину, базовый элемент которой был построен на основе электромеханического реле. Электронные лам­пы были достаточно долговечны и обеспечивали надежную работу компьютера. К сожалению, недостатков у ламповых компьютеров тоже было достаточно. Электронные лампы работали с напряжени­ями в десятки вольт и расходовали много энергии, кроме того, раз­мер электронных ламп, по современным понятиям микроэлектрони­ки, был огромным - несколько десятков кубических сантиметров. Для построения вычислительной машины нужны были тысячи ло­гических элементов, поэтому размер ламповых вычислительных ма­шин по занимаемой площади составлял десятки квадратных метров, а потребляемая мощность колебалась в пределах от единиц до десят­ков и даже сотен киловатт. Такая мощность приводила к перегрева­нию ламп, которые были размешены довольно компактно, и стави­ла задачу эффективного охлаждения электронных компонентов машины. Скорость обработки информации в ламповых машинах колебалась от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду.

Второе поколение -транзисторы (1955-1965 гг.)

Полупроводниковые приборы - транзисторы были изобретены в 1948 г. Они отличались от электронных ламп малыми размерами, низким напряжением питания и малой потребляемой мощностью. Все эти достоинства полупроводниковых приборов произвели рево­люцию в радиоэлектронной промышленности. Стали появляться ми­ниатюрные приемо-передающие радио- и телеустройства, появилась возможность встраивать управляющие устройства непосредственно в объекты управления и т.д. Новая элементная база для компьютеров на основе транзисторов произвела революцию и в производстве ком­пьютеров. Значительное уменьшение габаритов, снижение потребля­емой мощности и стоимости позволило создавать архитектуры ком­пьютера с большими функциональными возможностями, резко повысить быстродействие компьютеров до сотен тысяч и даже мил­лионов операций в секунду. Увеличение производительности обеспе­чивалось как за счет более высокой скорости работы транзисторов по сравнению с электронными лампами, так и путем введения в со­став вычислительной машины нескольких обрабатывающих уст­ройств, работающих параллельно. Площадь, требуемая для размеще­ния компьютера, снизилась до_ нескольких квадратных метров, предпринимались попытки изготавливать и настольные варианты. Снижение стоимости увеличило число потенциальных пользователей компьютеров. Появились крупные фирмы по производству компью­теров широкого назначения: International Business Machines(IBM), Control Data Corporation (CDC) Digital Equipment Corporation (DEC) и др. Следует отметить компьютер РDР-8 фирмы DЕС - первого мини-компьютера с общей шиной, оказавшего большое влияние на раз­витие архитектур персональных компьютеров.

Третье поколение -интегральные схемы (1965-1980 гг.)

Полупроводниковые элементы и другие электронные компоненты выпускались электронной промышленностью в виде отдельных элементов. Так, полупроводниковый кристалл, на котором размещал­ся транзистор, заключался в специальный металлический или плас­тмассовый корпус. Требование уменьшения габаритов электронных

устройств привело к тому, что сначала полупроводниковые приборы стали производиться в бескорпусном исполнении, а затем в 1958 г. была предпринята попытка разместить в одном полупроводниковом кристалле все компоненты одного функционального узла. Так появи­лись интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупроводниковых схем и снизить потребляемую мощ­ность. На основе ИС строились мини-ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. Мощность, потреб­ляемая компьютером на ИС, уменьшилась до сотен ватт. Увеличение быстродействия узлов, построенных на ИС, позволило довести быс­тродействие компьютеров до десятков миллионов операций в секун­ду. Электронная промышленность приступила к массовому производ­ству электронных компонентов на ИС, что позволило снизить их стоимость и резко уменьшить стоимость аппаратной составляющей компьютеров. Уменьшение стоимости привело к разработке и прак­тической реализации мощных вычислительных систем, использую­щих параллельную обработку: многопроцессорные и конвейерные вычислители.

Четвертое поколение –сверхбольшие интегральные схемы (с 1980 гг.)

Микроминиатюризация электронных устройств привела к по­явлению новой отрасли промышленности - микроэлектроники, ко­торая относится к области высоких технологий. Используя последние научно-технические достижения физики, химии, кристаллографии, материаловедения и даже космонавтики (в невесомости можно по­лучить полупроводниковые кристаллы очень высокой чистоты), до­бились размещения на одном кристалле размером несколько квад­ратных миллиметров сначала сотен, затем тысяч и, наконец, миллионов транзисторов и других электронных компонентов. Теперь полупроводниковая схема содержала уже не набор нескольких логи­ческих элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы и, в первую очередь процессор, который, учитывая его размеры, получил название микро­процессор, устройства управления внешними устройствами - контрол­леры внешних устройств. Такие интегральные схемы получили назва­ние сначала больших интегральных схем (БИС), а затем и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Итогом такого бурного развития микроэлектроники стало появ­ление одноплатных ЭВМ, где на одной плате, размером несколько десятков квадратных сантиметров, размещались несколько СБИС, содержащих все функциональные блоки компьютера. Одноплатные компьютеры встраивались в различные промышленные, медицинские и бытовые приборы для оперативной обработки информации и управ­ления. Стоимость одноплатных компьютеров так упала, что появилась возможность их приобретения отдельными людьми, Такой возможно­стью воспользовались английские инженеры Стив Джобе и Стив Возняк. Используя выпускаемые промышленностью функциональные узлы: плата микро-ЭВМ с процессором и памятью, клавиатура, дис­плей, они собрали дешевую настольную вычислительную машину -микрокомпьютер. Его привлекательность для непрофессиональных пользователей заключалась в том, что это было готовое к употребле­нию устройство, содержащее все необходимое оборудование и про­граммное обеспечение для работы. Этот микрокомпьютер получил на­звание Арр!е и стал первым в мире персональным компьютером.

Персональными компьютерами, которые получили большое рас­пространение на компьютерном рынке, заинтересовалась крупная компания, занимавшаяся выпуском мощных вычислительных систем - 1ВМ, и решила наладить выпуск своей модели персонального ком­пьютера. Совместно с фирмой Intel, разработавшей микропроцессор­ный комплект, и фирмой Microsoft, которая оснастила компьютер операционной системой MS DOS , IВМ создала персональный ком­пьютер IВМ РС. Значительный потенциал фирмы IВМ позволил в ко­роткие сроки произвести огромное количество таких компьютеров. Их привлекательная для покупателей цена и некоторые новшества, например, больший, по сравнению с выпускавшимися в то время персональными компьютерами других фирм, объем оперативной па­мяти, позволили компьютеру IВМ РС стать самой популярной «пер­соналкой» в мире.

2.6. Архитектуры вычислительных систем сосредоточенной обработки информации

Современный компьютер состоит из нескольких функциональ­ных узлов: процессор, память, контроллеры устройств и т.д. Каждый узел представляет собой сложное электронное устройство, в состав которого могут входить миллионы логических элементов. Для луч­шего понимания принципа работы каждого узла и компьютера в це­лом вводится понятие уровней представления компьютера.

Цифровой логический уровень - уровень логических схем базовой системы элементов.

Микроархитектурный уровень - уровень организации обработки информации внутри функционального узла. Сюда относятся регист­ры различного назначения, устройство обработки поступающих ко­манд, устройство преобразования данных, устройство управления.

Командный уровень - набор функциональных узлов и связи между ними, система команд и данных, передаваемых между устройствами.

Набор блоков, связей между ними, типов данных и операций каждого уровня называется архитектурой уровня.

Архитектура командного уровня называется обычно компьютер­ной архитектурой или компьютерной организацией. В этом разделе мы рассмотрим различные компьютерные архитектуры. Архитекту­ры других уровней будут рассмотрены в следующих разделах.

2.6.1. Архитектуры с фиксированным набором устройств

Компьютерами с сосредоточенной обработкой называются такие вычислительные системы, у которых одно или несколько обрабаты­вающих устройств (процессоров) расположены компактно и исполь­зуют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. Компьютеры первого и второго поколения имели архитектуру зак­рытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Та­кая архитектура характерна для компьютеров, базовая система логи­ческих элементов которых построена на дискретных электронных компонентах (электронных лампах, транзисторах). Введение любого дополнительного функционального блока в такие архитектуры был сопряжен с увеличением потребляемой мощности, занимаемой пло­щади и резко увеличивал стоимость всей системы. Поэтому компь­ютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности под­ключения дополнительных устройств, не предусмотренных раз­работчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведен на рис. 2.9. Оперативная память хранит команды и данные испол­няемых программ, АЛУ обеспечивает не только числовую обработ­ку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществ­ляя ее занесение в оперативную память. Канал ввода/вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Рис. 2.9. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чи­сто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализа­ции компьютерных технологий, требующих подключения дополни­тельных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

6.2. Вычислительные системы с открытой архитектурой

В начале 70-х гг. фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен компьютер совершенно иной архитектуры. Эта архитек­тура позволяла свободно подключать любые периферийные устрой­ства, что сразу же заинтересовало разработчиков систем управления различными техническими системами, так как обеспечивало свобод­ное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполни­тельных механизмов. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине переда­чи информации. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Стандарт шины являлся свобод­но распространяемым документом, что позволяло фирмам- произ­водителям периферийного оборудования разрабатывать контроллеры для подключения своих устройств к шинам различных стандартов. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использо­вании общей шины, приведена на рис. 2.10. Общее управление всей