Константин Рыжов 100 великих изобретений 100 великих – 0
жүктеу/скачать 8,62 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 97. ОРБИТАЛЬНАЯ КОСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
- 98. ВОЛОКОННО‑ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ
- 99. ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР
96. РОБОТ Роботом называют автоматическое устройство, имеющее манипулятор — механический аналог человеческой руки — и систему управления этим манипулятором. Обе эти составные части могут иметь различное устройство — от очень простого до чрезвычайно сложного. Манипулятор обычно состоит из шарнирно соединенных звеньев, как рука человека состоит из костей, связанных суставами, и заканчивается охватом, который является чем‑то вроде кисти человеческой руки. Звенья манипулятора подвижны друг относительно друга и могут совершать вращательные и поступательные движения. Иногда вместо схвата последним звеном манипулятора служит какой‑нибудь рабочий инструмент, например, дрель, гаечный ключ, краскораспылитель или сварочная горелка. Перемещение звеньев манипулятора обеспечивают так называемые приводы — аналоги мускулов в руке человека. Обычно в качестве таковых используются электродвигатели. Тогда привод включает в себя еще редуктор (систему зубчатых передач, которые снижают число оборотов двигателя и увеличивают вращающие моменты) и электрическую схему управления, регулирующую скорость вращения электродвигателя. Кроме электрического часто применяется гидравлический привод. Действие его очень просто. В цилиндр 1, в котором находится поршень 2, соединенный с помощью штока с манипулятором 3, поступает под давлением жидкость, которая передвигает поршень в ту или иную сторону, а вместе с ним и «руку» робота. Направление этого движения определяется тем, в какую часть цилиндра (в пространство над поршнем или под ним) попадает в данный момент жидкость. Гидропривод может сообщить манипулятору и вращательное движение. Точно так же действует пневматический привод, только вместо жидкости здесь применяется воздух. Таково в общих чертах устройство манипулятора. Что касается сложности задач, которые может разрешать тот или иной робот, то они во многом зависят от сложности и совершенства управляющего устройства. Вообще, принято говорить о трех поколениях роботов: промышленных, адаптивных и роботах с искусственным интеллектом. Самые первые образцы простых промышленных роботов были созданы в 1962 году в США. Это были «Версатран» фирмы «АМФ Версатран» и «Юнимейт» фирмы «Юнимейшн Инкорпорейтед». Эти роботы, а также те, что последовали за ними, действовали по жесткой, не меняющейся в процессе работы программе и были предназначены для автоматизации несложных операций при неизменном состоянии окружающей среды. В качестве управляющего устройства для таких роботов мог служить, например, «программируемый барабан». Действовал он так: на цилиндре, вращаемом электродвигателем, размещались контакты приводов манипулятора, а вокруг барабана — токопроводящие металлические пластины, замыкавшие эти контакты, когда те их касались. Расположение контактов было таким, чтобы при вращении барабана приводы манипулятора включались в нужное время, и робот начинал выполнять запрограммированные операции в нужной последовательности. Точно так же управление могло осуществляться с помощью перфокарты или магнитной ленты. Очевидно, что даже малейшее изменение окружающей обстановки, малейший сбой в технологическом процессе, ведет к нарушению действий такого робота. Однако они обладают и немалыми преимуществами — они дешевы, просты, легко перепрограммируются и вполне могут заменить человека при выполнении тяжелых однообразных операций. Именно на такого типа работах и были впервые применены роботы. Они хорошо справлялись с простыми технологическими повторяющимися операциями: выполняли точечную и дуговую сварку, осуществляли загрузку и разгрузку, обслуживали прессы и штампы. Робот «Юнимейт», например, был создан для автоматизации контактной точечной сварки кузовов легковых автомобилей, а робот типа «SMART» устанавливал колеса на легковые автомобили. Однако принципиальная невозможность автономного (без вмешательства человека) функционирования роботов первого поколения очень затрудняла их широкое внедрение в производство. Ученые и инженеры настойчиво старались устранить этот недостаток. Результатом их трудов стало создание гораздо более сложных адаптивных роботов второго поколения. Отличительная черта этих роботов состоит в том, что они могут изменять свои действия в зависимости от окружающей обстановки. Так, при изменении параметров объекта манипулирования (его угловой ориентации или местоположения), а также окружающей среды (скажем, при появлении каких‑то препятствий на пути движения манипулятора) эти роботы могут соответственно спроектировать свои действия. Понятно, что, работая в изменяющейся среде, робот должен постоянно получать о ней информацию, иначе он не сможет ориентироваться в окружающем пространстве. В связи с этим адаптивные роботы имеют значительно более сложную, чем роботы первого поколения, систему управления. Эта система распадается на две подсистемы: 1) сенсорную (или очувствления) — в нее входят те устройства, которые собирают информацию о внешней окружающей среде и о местоположении в пространстве различных частей робота; 2) ЭВМ, которая анализирует эту информацию и в соответствии с ней и заданной программой управляет перемещением робота и его манипулятора. К сенсорным устройствам относятся тактильные датчики осязания, фотометрические датчики, ультразвуковые, локационные, а также различные системы технического зрения. Последние имеют особенно важное значение. Главная задача технического зрения (собственно «глаза» робота) состоит в том, чтобы преобразовать изображения объектов окружающей среды в электрический сигнал, понятный для ЭВМ. Общий принцип систем технического зрения состоит в том, что с помощью телевизионной камеры в ЭВМ передается информация о рабочем пространстве. ЭВМ сравнивает ее с имеющимися в памяти «моделями» и выбирает соответствующую обстоятельствам программу. На этом пути одна из центральных проблем при создании адаптивных роботов заключалась в том, чтобы научить машину распознавать образы. Из многих объектов робот должен выделить те, которые ему необходимы для выполнения каких‑то действий. То есть он должен уметь различать признаки объектов и классифицировать объекты по этим признакам. Это происходит благодаря тому, что робот имеет в памяти прототипы образов нужных объектов и сравнивает с ними те, что попадают в поле его зрения. Обычно задача «узнавания» нужного объекта распадается на несколько более простых задач: робот ищет в окружающей среде нужный предмет путем изменения ориентации своего взгляда, измеряет дальность до объектов наблюдения, автоматически подстраивает чувствительный видеодатчик в соответствие с освещенностью предмета, сравнивает каждый предмете «моделью», которая хранится в его памяти, по нескольким признакам, то есть выделяет контуры, текстуру, цвет и другие признаки. В результате всего этого происходит «узнавание» объекта. Следующим этапом работы адаптивного робота обычно являются какие‑то действия с этим предметом. Робот должен приблизиться к нему, захватить и переставить на другое место, притом не как попало, а определенным образом. Чтобы выполнить все эти сложные манипуляции, одних знаний об окружающей обстановке недостаточно — робот должен точно контролировать каждое свое движение и как бы «ощущать» себя в пространстве. С этой целью кроме сенсорной системы, отражающей внешнюю среду, адаптивный робот оснащается сложной системой внутренней информации: внутренние датчики постоянно передают ЭВМ сообщения о местоположении каждого звена манипулятора. Они как бы дают машине «внутреннее чувство». В качестве таких внутренних датчиков могут использоваться, например, высокоточные потенциометры. Высокоточный потенциометр представляет собой прибор типа хорошо известного реостата, но отличающийся более высокой точностью. В нем вращающийся контакт не перескакивает с витка на виток, как при смещении ручки обычного реостата, а следует вдоль самих витков провода. Потенциометр крепится внутри манипулятора, так что при повороте одного звена относительно другого подвижный контакт тоже смещается и, следовательно, сопротивление прибора изменяется. Анализируя величину его изменения, ЭВМ судит о местоположении каждого из звеньев манипулятора. Скорость перемещения манипулятора связана со скоростью вращения электродвигателя в приводе. Имея всю эту информацию, ЭВМ может измерить скорость движения манипулятора и руководить его перемещением. Каким же образом робот «планирует» свое поведение? В этой способности нет ничего сверхъестественного — «сообразительность» машины всецело зависит от сложности составленной для нее программы. В памяти ЭВМ адаптивного робота обычно заложено столько различных программ, сколько может возникнуть различных ситуаций. Пока ситуация не меняется, робот действует по базовой программе. Когда же внешние датчики сообщают ЭВМ об изменении ситуации, она анализирует ее и выбирает ту программу, которая более соответствует данной ситуации. Имея общую программу «поведения», запас программ для каждой отдельной ситуации, внешнюю информацию об окружающей среде и внутреннюю информацию о состоянии манипулятора, ЭВМ руководит всеми действиями робота. Первые модели адаптивных роботов появились фактически одновременно с промышленными роботами. Прообразом для них послужил автоматически действующий манипулятор, разработанный в 1961 году американским инженером Эрнстом и названный впоследствии «рукой Эрнста». Этот манипулятор имел захватывающее устройство, снабженное различными датчиками — фотоэлектрическими, тактильными и другими. С помощью этих датчиков, а также управляющей ЭВМ он находил и брал заданные ему произвольно расположенные предметы. В 1969 году в Стэнфордском университете (США) был создан более сложный робот «Шейки». Эта машина также обладала техническим зрением, могла распознавать окружающие предметы и оперировать ими по заданной программе. Робот приводился в движение с помощью двух шаговых электродвигателей, имеющих независимый привод к колесам на каждой стороне тележки. В верхней части робота, которая могла поворачиваться вокруг вертикальной оси, были установлены телевизионная камера и оптический дальномер. В центре располагался блок управления, который распределял команды, поступающие от ЭВМ к механизмам и устройствам, реализующим соответствующие действия. По периметру устанавливались сенсорные датчики для получения информации о столкновении робота с препятствиями. «Шейки» мог перемещаться по кратчайшему пути в заданное место помещения, вычисляя при этом траекторию таким образом, чтобы избежать столкновения (он воспринимал стены, двери, дверные проемы). ЭВМ из‑за своих больших габаритов находилась отдельно от робота. Связь между ними осуществлялась по радио. Робот мог выбирать нужные предметы и перемещать их «толканием» (манипулятора у него не было) в нужное место. Позже появились другие модели. Например, в 1977 году фирмой «Quasar Industries» был создан робот, который умел подметать полы, вытирать пыль с мебели, работать с пылесосом и удалять растекшуюся по полу воду. В 1982 году фирма «Мицубиси» объявила о создании робота, который был настолько ловок, что мог зажигать сигарету и снимать телефонную трубку. Но самым замечательным был признан созданный в том же году американский робот, который с помощью своих механических пальцев, камеры‑глаза и компьютера‑мозга менее чем за четыре минуты собирал кубик Рубика. Серийный выпуск роботов второго поколения начался в конце 70‑х годов. Особенно важно то, что их можно успешно использовать на сборочных операциях (например, при сборке пылесосов, будильников и других несложных бытовых приборов) — этот вид работ до сих с большим трудом поддавался автоматизации. Адаптивные роботы стали важной составной частью многих гибких (быстро перестраивающихся на выпуски новой продукции) автоматизированных производств. Третье поколение роботов — роботы с искусственным интеллектом — пока еще только проектируется. Их основное назначение — целенаправленное поведение в сложной, плохо организованной среде, притом в таких условиях, когда невозможно предусмотреть все варианты ее изменения. Получив какую‑то общую задачу, такой робот должен будет сам разработать программу ее выполнения для каждой конкретной ситуации (напомним, что адаптивный робот может лишь выбирать одну из предложенных программ). В случае, если операция не удалась, робот с искусственным интеллектом сможет проанализировать неудачу, составить новую программу и повторить попытку. 97. ОРБИТАЛЬНАЯ КОСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ Хотя история космонавтики насчитывает лишь несколько десятилетий, она прошла уже через ряд важных этапов. Начало освоению околоземного пространства положили короткие (продолжавшиеся, как правило, по несколько суток) экспедиции на типовых космических кораблях. Пилотировавшие их космонавты сделали много важных наблюдений и открытий. Но на определенном этапе эти непродолжительные челночные рейсы за атмосферу перестали удовлетворять науку. Космические корабли обладали небольшими размерами и имели много специфических особенностей, которые не позволяли использовать их для долговременных серьезных научных исследований. Чтобы стать в космосе твердой ногой, космонавты должны были разместиться здесь хотя бы с минимальными удобствами и иметь под рукой много разнообразной научной аппаратуры. Таким космическим домом и одновременно космической лабораторией стали первые орбитальные станции. Их появление было важной вехой в истории пилотируемых полетов: вместе с ними на смену героической эпохе первооткрывателей пришла пора будней и трудной каждодневной работы. Что же такое орбитальная станция? В некотором смысле ее можно считать большим космическим кораблем. К ее надежности предъявляются те же жесткие требования. Здесь функционируют те же системы жизнеобеспечения, что описаны в главе, посвященной космическим кораблям. Но есть у станции и свои особенности. Она не предназначена для возвращения на Землю. Как правило, она не имеет даже своей двигательной установки, поскольку коррекцию ее орбиты производят с помощью двигателей транспортного корабля. Зато на ней гораздо больше научного оборудования, она просторнее и уютнее, чем корабль. Космонавты прилетают сюда надолго — на несколько недель или даже месяцев. На это время станция становится их космическим домом, и для того чтобы сохранять в течение всего полета хорошую работоспособность, они должны чувствовать себя в ней комфортно и спокойно. Первой в истории орбитальной космической станцией стал советский «Салют», выведенный на орбиту 19 апреля 1971 года. 30 июня того же года к станции пристыковался корабль «Союз‑11» с космонавтами Добровольским, Волковым и Пацаевым. Первая (и единственная) вахта продолжалась 24 дня. Затем некоторое время «Салют» находился в автоматическом беспилотном режиме, пока 11 ноября станция не закончила свое существование, сгорев в плотных слоях атмосферы. За первым «Салютом» последовал второй, затем третий и так далее. В течение десяти лет в космосе одна за другой отработало целое семейство орбитальных станций. Десятки экипажей провели на них множество научных экспериментов. Все «Салюты» представляли собой космические многоцелевые исследовательские лаборатории для продолжительных исследований со сменным экипажем. В отсутствие космонавтов все системы станции управлялись с Земли. Для этого использовались малогабаритные ЭВМ, в память которых были заложены стандартные программы управления операциями полета. Общая длина станции составляла 20 метров, а объем — 100 кубических метров. Масса «Салюта» без транспортного корабля — 18900 кг. Внутри станция делилась на три отсека, из которых два — переходный и рабочий — были герметическими, а третий — агрегатный — негерметическим. Оба герметических отсека были жилыми. Переходный отсек был выполнен в форме цилиндра диаметром 2 м и имел длину 3 м. В его состав входил стыковочный узел. Переборка с переходным люком‑лазом отделяла его от рабочего отсека, который представлял собой комфортабельную лабораторию, приспособленную для отдыха и длительной научной работы. Здесь находилась основная часть исследовательской аппаратуры, а также устройства и агрегаты управления станцией, система жизнеобеспечения, приборы энергопитания и радиосвязи. Отсек имел 15 иллюминаторов и состоял из двух цилиндрических зон, соединенных конической частью. Малый цилиндр имел диаметр 2, 9 м при длине 3, 8 м, а большой цилиндр — диаметр 4, 15 м и длину 4, 1 м. Ширина конической части составляла 1, 2 м. В рабочем отсеке космонавты проводили большую часть своего времени: работали, выполняли физические упражнения, принимали пищу и отдыхали. В зоне малого диаметра был расположен столик для приема пищи. Здесь же был закреплен бачок с питьевой водой. (Вода в емкостях консервировалась путем добавления ионов серебра; каждый космонавт для питья использовал индивидуальный мундштук, присоединенный к шлангу.) Рядом находился подогреватель пищи. В этой зоне хранились предметы, необходимые космонавтам для проведения досуга: библиотечка, альбом для рисования, магнитофон и кассеты к нему. В зоне большого диаметра по правому и левому борту были расположены спальные места. Они имели устройства, позволяющие зафиксировать тело в любом положении. Тут же находились холодильники с запасами продуктов и баки с водой. На заднем днище этой зоны помещался туалет. Он был отделен от остальной части рабочего отсека и имел принудительную вентиляцию. Для удаления жидких и твердых отходов жизнедеятельности служило специальное ассенизационное устройство. Умывальника и душа на первом «Салюте» не было. Туалет заключался в обтирании лица и тела специальными гигиеническими салфетками и полотенцами. В конической части был расположен комплекс средств для выполнения физических упражнений и медицинских исследований, в частности — бегущая дорожка. Во время выполнения физических упражнений космонавты одевали специальные костюмы, не допускавшие распространения запаха пота. Средства ручного управления и контроля основных систем и научной аппаратуры станции были расположены на семи постах. В зоне малого диаметра было четыре поста. Один из них — центральный пост управления станцией. Он был рассчитан для одновременной работы двух человек. Тут находились два кресла, перед которыми был расположен пульт управления. Отсюда можно было управлять двигателями и системой ориентации станции. На шести остальных постах можно было проводить наблюдения и исследования. В станции помещалось много разнообразной аппаратуры, в том числе крупногабаритные телескоп «Орион» и гамма‑телескоп «Анна‑III» (для исследования космического гамма‑излучения). За рабочим отсеком находился нерабочий агрегатный. В нем размещались двигательные установки, антенны систем радиосвязи, система терморегулирования, телекамера. Радиосвязь с Землей на первом «Салюте» поддерживалась в основном в телефонном режиме. Телевизионная система тоже была, но она требовала много энергии. Система электропитания включала в себя солнечные и аккумуляторные батареи. Первые были жестко закреплены на корпусе станции и для того, чтобы солнечные лучи были перпендикулярны к их плоскости, требовали специальной ориентации на солнце. Кадмий‑никелевый аккумулятор работал совместно с солнечной батареей в режиме «заряд‑разряд», поскольку около 40% времени на каждом витке станция находилась в тени Земли. Кроме того, на «Салюте» был резервный аккумулятор на случай мощных и больших по продолжительности отдач энергии. Система терморегулирования состояла из независимых жидкостных контуров охлаждения и обогрева, имевших внутреннюю и наружную магистрали. Избыточное тепло при необходимости излучалось в космос радиатором‑охладителем. Если же на станцию, наоборот, требовалось подвести тепло, то оно снималось с радиатора‑нагревателя на солнечной стороне. Таким образом в жилых отсеках поддерживалась температура в пределах 15‑25 градусов. Система жизнеобеспечения поддерживала необходимый газовый состав, поглощала запахи и пыль, обеспечивала экипаж пищей, водой, удаляла отходы жизнедеятельности. Подача кислорода и поглощение углекислого газа происходили в блоках регенератора. При этом воздух, проходя через высокоактивное химическое вещество, обогащался кислородом и освобождался от углекислого газа, а прогоняясь вентиляторами через фильтры, очищался от пыли и сора. В разных местах станции были размещены газовые анализаторы, которые постоянно контролировали газовый состав. Вслед за СССР свою орбитальную станцию запустили в космос США. 14 мая 1973 года на орбиту была выведена их станция «Скайлэб» («Небесная лаборатория»). Основой для нее послужила третья ступень ракеты «Сатурн‑5», которая использовалась в прежних лунных экспедициях для разгона корабля «Аполлон» до второй космической скорости. Большой водородный бак был переоборудован при этом в бытовые помещения и лабораторию, а меньший по размерам кислородный бак превращен в контейнер для сбора отходов. «Скайлэб» включала в себя собственно блок станции, шлюзовую камеру, причальную конструкцию с двумя стыковочными узлами, две солнечные батареи и отдельный комплект астрономических приборов (в его состав входило восемь различных аппаратов и цифровая вычислительная машина). Общая длина станции достигала 25 м, масса — 83 тонны, внутренний свободный объем 360 кубических метров. Для ее выведения на орбиту использовалась мощная ракета‑носитель «Сатурн‑5», способная поднимать на околоземную орбиту до 130 тонн полезного груза. Собственных двигателей для коррекции орбиты «Скэйлэб» не имела. Ее осуществляли с помощью двигателей космического корабля «Аполлон». Ориентация станции изменялась с помощью трех силовых гироскопов и микродвигателей, работавших на сжатом газе. За время функционирования «Скайлэб» на ней побывали три экипажа. По сравнению с «Салютом» «Скайлэб» был значительно вместительнее. Длина шлюзовой камеры составляла 5, 2 м, а ее диаметр — 3, 2 м. Здесь в баллонах высокого давления хранились бортовые запасы газов (кислорода и азота). Блок станции имел длину 14, 6 м при диаметре 6, 6 м. Он был разделен на лабораторный и бытовой отсеки. Бытовой отсек в свою очередь делился на четыре помещения для сна, для личной гигиены, для тренировок и экспериментов, для проведения досуга, для приготовления и приема пищи. Высота их составляла 2 м. Помещение для сна было разделено на три спальные кабины по числу астронавтов. В каждой из них было шесть небольших шкафчиков и спальный мешок. Вход в каждую кабину был завешен шторой. Помещение для гигиены было снабжено умывальником и приемником отходов жизнедеятельности. Умывальник представлял собой закрытую сферу, имевшую два отверстия для рук, снабженные резиновыми заслонками. Здесь же находился душ, отделенный от остального помещения занавеской. Разбрызгиваемые через распылитель капли воды всасывались затем в коллектор потоком воздуха. Каждый астронавт имел свой индивидуальный шкафчик для туалетных принадлежностей. Помещение для отдыха, приготовления и приема пищи имело стол с конфорками для разогревания еды, печку, шкафы и шкафы‑холодильники. (Астронавты имели широкий набор замороженных продуктов, включая холодные каши, картофельные салаты, блюда из говяжьей вырезки.) Стол был с трех сторон оборудован тремя индивидуальными кранами для питьевой воды. У каждого астронавта был свой поднос с ячейками для разогрева пищи. Магниты подноса поддерживали нож и вилку. В этом же помещении находились три кресла, магнитофон и книги. В помещении для тренировок и экспериментов размещался велоэргометр. Лабораторный отсек был в два раза больше бытового. Его внутренний диаметр составлял 6, 4 м. 98. ВОЛОКОННО‑ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ В XX веке человечество было свидетелем огромного скачка в развитии различных видов связи, особенно телефонии, радио и телевидения. Благодаря им, а также благодаря появлению спутниковой космической системы связи современный человек получил недоступную прежним поколениям возможность связываться с самыми дальними и глухими уголками планеты, видеть, слышать и знать обо всем, что происходит в мире. Однако при всех достоинствах традиционных видов связи каждому из них присущ и целый ряд недостатков, которые становятся все более чувствительными по мере нарастания объемов передаваемой информации. Несмотря на новейшие технологии, позволяющие значительно уплотнить передаваемую по кабелю информацию, магистральные телефонные линии все равно часто оказываются перегруженными. Примерно то же можно сказать о радио и телевидении, в которых информационные сигналы переносятся с помощью электромагнитных волн: все возрастающее количество телеканалов и радиостанций, вещательных и служебных, привело к возникновению взаимных помех, к ситуации, получившей название «тесноты в эфире». Это стало одним из толчков к освоению все более коротковолновых диапазонов радиоволн. Известно: чем короче используемые для вещания волны, тем больше радиостанций без взаимных помех может разместиться в данном диапазоне (это легко видеть, вращая настройку радиоприемника: если на длинных волнах мы можем поймать всего несколько радиостанций, то на коротких и ультракоротких волнах таких радиостанций уже десятки и сотни, они в буквальном смысле слова «сидят на каждом миллиметре»). Другой недостаток традиционных видов связи состоит в том, что для передачи информации вообще невыгодно пользоваться волнами, излучаемыми в свободное пространство. Ведь энергия, приходящаяся на какую‑то определенную площадь фронта такой волны, убывает по мере увеличения фронта волны. Для сферической волны (то есть такой, которая распространяется равномерно во все стороны от источника) ослабление обратно пропорционально квадрату расстояния от источника волны до приемника. В результате, в современной радиотехнике тратятся огромные средства на выделение и усиление полезного сигнала. Совсем другая картина была бы в том случае, если бы информация посылалась узким направленным пучком или лучом. Потери при этом были бы намного меньше. Перечисленные недостатки заставляют предположить, что человечество находится на пороге важной революции в системе связи, которая приведет к тому, что в XXI веке основным ее видом станет оптоэлектроника, не имеющая всех этих недостатков. Ожидается, что уже в первые десятилетия наступающего столетия все новые телефонные, телевизионные и вычислительные системы будут соединяться волоконно‑оптическими кабелями с использованием в качестве носителя информации лазерного излучения. Эра современной оптической связи началась в 1960 году после создания первого лазера. Изобретение лазеров вообще породило надежду на быстрое и легкое преодоление проблем «эфирной тесноты». В самом деле, использование микронных волн видимого света для нужд связи вместо сантиметровых и миллиметровых радиоволн создавало возможность почти беспредельно расширить объемы передаваемой информации. Например, система связи на гелий‑неоновом лазере имеет полосу пропускания, в которой можно одновременно разместить около миллиона телевизионных каналов. Однако уже первые опыты развеяли радужные иллюзии. Выяснилось, что земная атмосфера очень активно поглощает и рассеивает оптическое излучение и что лазеры (в том случае, если луч распространяется непосредственно через воздух) могут использоваться для нужд связи лишь на очень небольшом расстоянии (в среднем — не более чем в 1 км) Все попытки преодолеть это затруднение успеха не имели. Так обстояли дела, когда в 1966 году двое японских ученых Као и Хокэма предложили использовать для передачи светового сигнала длинные стеклянные волокна, подобные тем, которые уже использовались в эндоскопии и других областях. Их статья заложила основы волоконно‑оптической связи. На чем же основано действие световодов? Из оптики хорошо известно: если направить световой луч из более плотной среды в менее плотную (например, из воды или стекла в воздух), то значительная часть его отражается обратно от границы двух сред. При этом чем меньше угол падения луча, тем большая часть светового потока окажется отраженной. Путем эксперимента можно подобрать такой пологий угол, при котором отражается весь свет и лишь ничтожная его часть попадает из более плотной среды в менее плотную. Свет при этом оказывается словно заключенным в плотной среде и распространяется в ней, повторяя все ее изгибы. Этот эффект «удержания света» можно наблюдать на примере распространения света внутри струи воды, которую он не может покинуть, постоянно отражаясь от границы воды и воздуха. Точно так же происходит передача светового сигнала по оптическому стеклянному волокну. Войдя внутрь него, световой пучок распространяется в различных направлениях. Лучи, идущие под малым углом к границе двух сред, полностью отражаются от нее. Таким образом, оболочка прочно удерживает их, обеспечивая светонепроницаемый канал для передачи сигнала практически со скоростью света. В идеальных световодах, изготовленных из абсолютно прозрачного и однородного материала, световые волны должны распространяться не ослабевая, но практически все реальные световоды более или менее сильно поглощают и рассеивают электромагнитные волны из‑за своей непрозрачности и неоднородности. (Поглощение внешне проявляется как нагрев световода; рассеяние — это когда часть излучения покидает волокно.) Стекло, которое кажется таким прозрачным в окнах, витринах и биноклях, в действительности оказывается далеко не однородным. Это легко заметить, взглянув через торец листового стекла. При этом сразу становится видна его слабая голубовато‑зеленая окраска. Исследования показывают, что эта окраска вызвана небольшим количеством железа и меди, содержащимся в стекле. Даже в самых чистых стеклах, изготавливаемых для астрономических и фотографических объективов, имеется большое количество окрашенных примесей. В первых световодах, изготовленных из такого стекла, потери энергии были очень велики (на 1 м световода терялось более 50% введенного в него света). Однако и при таком качестве удалось создать приборы, позволявшие пропускать свет через изогнутые каналы, наблюдать внутренние поверхности металлических полостей, изучать состояние внутренних органов человеческого тела и т.п. Но для создания магистральных линий связи такие световоды были малопригодны. Понадобилось около десятилетия для того, чтобы создать лабораторные образцы волоконных световодов, способных передать на 1 км 1% введенной в них мощности света. Следующей задачей было изготовить из такого волокна световодный кабель, пригодный для практического применения, разработать источники и приемники излучения. Простейший волоконный световод представляет собой тонкую нить из прозрачного диэлектрика. Передаваемые световые волны идут под малыми углами к оси световода и испытывают полное внутреннее отражение от его поверхности. Но использовать такой световод можно только в лаборатории, так как незащищенная поверхность стекла в обычных условиях постепенно покрывается пылинками, на ней развивается множество дефектов: микротрещин, неровностей, которые нарушают условия полного внутреннего отражения света внутри волокна, очень сильно поглощают и рассеивают лучи. Существенные дополнительные потери возникают в местах контакта световода с опорами, поддерживающими незащищенный кабель. Радикальное изменение ситуации было связано с созданием двухслойных световодов. Такие световоды состояли из световодной жилы, заключенной в прозрачную оболочку, показатель преломления которой был меньше, чем показатель преломления жилы. Если толщина прозрачной оболочки превосходит несколько длин волн передаваемого светового сигнала, то ни пыль, ни свойства среды вне этой оболочки не оказывают существенного влияния на процесс распространения световой волны в двухслойном световоде. Эти световоды можно покрывать полимерной оболочкой и превращать их в световедущий кабель, пригодный для практического применения. Но для этого необходимо создать высокое совершенство границы между жилой и прозрачной оболочкой. Наиболее простая технология изготовления световода состоит в том, что стеклянный стержень‑сердцевина вставляется в плотно подогнанную стеклянную трубку с меньшим показателем преломления. Затем эта конструкция нагревается. В 1970 году фирма «Корнинг гласс» впервые разработала стеклянные световоды, пригодные для передачи светового сигнала на большие расстояния. А к середине 70‑х годов были созданы световоды из сверхчистого кварцевого стекла, интенсивность света в которых уменьшалась вдвое лишь на расстоянии 6 км. (Насколько прозрачно такое стекло, видно из следующего примера: если представить себе, что в окно вставлено сверхчистое оптическое стекло толщиной 10 км, то оно будет пропускать свет так же хорошо, как обычное оконное стекло сантиметровой толщины!) Кроме световода волоконно‑оптическая система связи включает в себя блок оптического передатчика (в котором электрические сигналы, поступающие на вход системы, преобразуются в оптические импульсы) и блок оптического приемника (принимающего оптические сигналы и преобразующего их в электрические импульсы). Если линия имеет большую протяженность, на ней действуют также ретрансляторы — они принимают и усиливают передаваемые сигналы. В устройствах для ввода излучения в волоконные световоды широко применяются линзы, которые имеют очень маленький диаметр и фокусное расстояние порядка сотен и десятков микрон. Источники излучения могут быть двух типов: лазеры и светоизлучающие диоды, которые работают как генераторы несущей волны. Передаваемый сигнал (это может быть телевизионная передача, телефонный разговор и пр.) модулируется и накладывается на несущую волну точно так же, как это имеет место в радиотехнике. Однако гораздо эффективнее передавать информацию в цифровом виде. При этом опять‑таки совершенно неважно, какая информация передается таким образом: телефонный разговор, печатный текст, музыка, телевизионная передача или изображение картины. Первым шагом для преобразования сигнала в цифровую форму является определение его значений через определенные интервалы времени — этот процесс называется дискретизацией сигнала по времени. Доказано (и математически, и практически), что если интервал T, по крайней мере, в 2 раза меньше наивысшей частоты, содержащейся в спектре передаваемого сигнала, то этот сигнал может быть в дальнейшем восстановлен из дискретной формы без всяких искажений. То есть вместо непрерывного сигнала без ущерба для передаваемой информации можно подавать набор очень коротких импульсов, отличающихся друг от друга только своей амплитудой. Но нет необходимости передавать эти импульсы именно в таком виде. Поскольку все они имеют одинаковый вид и сдвинуты друг относительно друга на один и тот же временный интервал T, то можно передавать не весь сигнал, а лишь значение его амплитуды. В нашем примере разбивка по амплитуде идет на восемь уровней. Это означает, что значение каждого импульса можно интерпретировать как число в двоичном коде. Значение этого числа и передается по линии связи. Поскольку для передачи каждого двоичного числа необходимы всего две цифры — 0 и 1, то она очень упрощается: 0 соответствует отсутствию сигнала, а 1 — его наличию. На передачу каждой цифры в нашем примере идет время в 1/3 T. Восстановление переданного сигнала происходит в обратном порядке. Подача сигнала в цифровом виде очень удобна, так как фактически исключает всякие искажения и помехи. Оптическая система связи пока еще относительно дорога, что сдерживает ее широкое распространение, но нет сомнения, что это лишь временное препятствие. Достоинства и преимущества ее настолько очевидны, что она непременно должна получить в будущем повсеместное применение. Прежде всего, волоконно‑оптические кабели очень устойчивы к помехам и имеют малый вес. При освоении технологии их массового производства они могут оказаться гораздо дешевле используемых сейчас электрических кабелей, поскольку сырье для них уже сейчас намного дешевле. Но самое важное их достоинство состоит в том, что они имеют огромную пропускную способность — в единицу времени через них можно пропускать такие громадные объемы информации, какие невозможно передать ни одним из известных сейчас способов связи. Все эти качества должны обеспечить волоконно‑оптическим линиям связи многогранное применение прежде всего в блоках ЭВМ (уже накоплен большой опыт создания микросхем, в которых используются микроскопические световоды; быстродействие таких микросхем примерно в 1000 раз больше, чем у обычных), в кабельном телевидении; затем произойдет замена телефонных кабелей на магистральных линиях и создание телевизионных кабелей; в перспективе ожидается объединение всех этих сетей в единую информационную сеть. Во многих развитых странах (и прежде всего в США) уже сейчас многие телефонные линии связи заменены световодами. Практикуется создание городских оптико‑волоконных сетей. Так, в 1976 году городская цифровая волоконно‑оптическая телефонная система связи была установлена в крупном американском городе Атланте. 99. ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР Компьютер в наши дни занял такое же место, как телефон, автомобиль и телевизор. Но, по‑видимому, это только первые предвестники тотальной эры компьютеризации, которая грядет в ближайшие десятилетия. Во всех отношениях компьютер представляет собой явление совершенно неординарное. Пожалуй, ни одно другое технологическое изобретение до него не проявляло себя так бурно, не развивалось так стремительно и не пронизывало так многогранно все сферы нашей жизни. Компьютеры уже стали незаменимы в делопроизводстве, в бизнесе, в военном деле, в науке, технике и в сотнях других видах профессиональной деятельности. Они стремительно прививаются в сферах искусства, политики и спорта. Огромно значение, которое компьютеры успели занять в частной жизни людей, в их отдыхе и взаимном общении. Но все это, быть может, служит только подготовкой или первым предвестником грандиозной информационной революции, которая грядет в ближайшие десятилетия. Потому что именно компьютер должен будет сыграть роль того магического ключика, того волшебного окошка, с помощью которого каждый отдельный индивид через глобальные компьютерные сети сможет получить доступ ко всем богатствам накопленной человечеством информации. Хотя в наше время вычислительные операции далеко не главная и уж во всяком случае не единственная сфера применения компьютера, исторически он обязан своим возникновением именно развитию вычислительной техники. ЭВМ первого поколения, эти жесткие и тихоходные вычислители, были пионерами компьютерной техники. Как мы помним, они довольно быстро сошли со сцены, так и не найдя широкого коммерческого применения из‑за ненадежности, высокой стоимости и трудного программирования. Им на смену пришли ЭВМ второго поколения. Элементной базой этих машин стали полупроводники. Скорости переключения уже у первых несовершенных транзисторов были в сотни раз выше, чем у вакуумных ламп, надежность и экономичность — также на несколько порядков выше. Это сразу расширило сферу применения ЭВМ. Появилась возможность устанавливать их на кораблях и самолетах. Спрос на ЭВМ быстро рос. Первые серийные ЭВМ на транзисторах появились в 1958 году одновременно в США, ФРГ и Японии. В 1962 году начался массовый выпуск интегральных микросхем, но уже в 1961 году была создана экспериментальная ЭВМ на 587 микросхемах. В 1964 году фирма IBM наладила выпуск машин IBM‑360 — первой массовой серии ЭВМ на интегральных элементах. Впервые тогда сделалось возможным связывать машины в комплексы и без всяких переделок переносить программы, написанные для одной ЭВМ, на любую другую из этой серии. Так была осуществлена стандартизация аппаратного и программного обеспечения ЭВМ. Всего в серию входило 9 машин разного уровня сложности с временем выполнения операции сложения от 206 до 0, 18 микросекунды. За несколько лет было реализовано 19 тысяч компьютеров этой серии разных классов. Из этого можно заключить, что с появлением машин третьего поколения спрос на ЭВМ вырос еще больше. Их стали приобретать многие промышленные и торговые фирмы. Созданные в 1971 году микропроцессоры фирмы «Интел» имели чрезвычайный коммерческий успех, так как при небольшой стоимости обеспечивали решение достаточно большого круга оперативных задач. В 1976 году появились первые машины четвертого поколения на больших интегральных схемах — американские «Крэй‑1» и «Крэй‑2» с быстродействием 100 миллионов операций в секунду. Они содержали около 300 тысяч чипов (микросхем). Так в двух словах выглядела предыстория персонального компьютера. Возникновения этого типа машин никто не планировал. Он свалился, образно говоря, как снег на голову. Все началось в том же 1976 году, когда два предприимчивых двадцатилетних американских техника, не имевшие специального образования, Стефан Возняк и Стив Джобс, создали в примитивной мастерской, расположенной в обыкновенном гараже, первый маленький, но многообещающий персональный компьютер. Он получил название «Эппл» («Яблоко») и первоначально предназначался для видеоигр, хотя имел также возможности для программирования. Позднее Джобс основал фирму «Эппл компьютер», которая впервые наладила массовое производства персональных компьютеров. Спрос на них превысил всякие ожидания. В короткое время фирма Джобса превратилась в крупное и процветающее предприятие. Это заставило и другие фирмы обратить внимание на рынок персональных компьютеров. В продаже появилось множество моделей «персоналок» самых разных концепций. В 1981 году свой первый персональный компьютер IBM PC выпустила фирма IBM. Успех его во всем мире был огромным, чему в немалой степени способствовал очень хороший 16‑разрядный микропроцессор Intel‑8088 и великолепно разработанное программное обеспечение фирмы «Microsoft». Следующая модель PC/XT, выпущенная в 1983 году, имела оперативную память 640 Кб, жесткий диск и высокое быстродействие. В 1986 году появилась еще более совершенная модель PC/AT на базе микропроцессора Intel‑80286. К концу десятилетия компьютеры фирмы IBM стали самыми массовыми и популярными. Что же представляет собой персональный компьютер? Независимо от сложности компьютера его структурная схема может быть разделена на три больших отдела: память, процессор и периферийное оборудование. Память служит для запоминания чисел и логических команд (которые тоже хранятся в ней в числовом коде) и работает в постоянной связи с процессором, а когда надо — подключается к периферийным устройствам. Физически память делится на отдельные условные ячейки, в каждой из которых размещается ровно одно число фиксированной длины. Машинная ячейка характеризуется некой микроструктурой, определяющей, сколько двоичных единиц информации (битов) можно в нее записать. Биту соответствует один двоичный разряд ячейки. Эта часть ячейки, как уже говорилось, может находиться в одном из двух состояний — им соответствуют условные значения «нуль» и «единица». Восемь бит образуют более крупную единицу информации — байт, с помощью которой можно представить в памяти одну букву алфавита, цифру десятичной системы, а также любой знак препинания или какой‑нибудь другой символ. Каждой ячейке присваивается адрес, зная который можно добраться до нее, занести в нее число или считать его из ячейки. В ячейках памяти также хранится программа, состоящая из совокупности команд — элементарных предписаний того, что должна делать машина во время каждого рабочего такта. Наконец, память используется для хранения промежуточных результатов решения задачи. Работу памяти характеризуют два показателя: емкость (то есть сколько в ней можно разместить закодированных в двоичной форме чисел) и быстродействие (то есть как быстро можно эти числа записать в память и вновь извлечь оттуда). Быстродействие памяти зависит от скорости переключения каждой ячейки из одного состояния в другое. Объем памяти и ее быстродействие, вообще говоря, находятся в противоречии друг к другу. При прочих равных условиях — чем больше память, тем меньше ее быстродействие, а чем больше быстродействие — тем меньше память. Поэтому в современных компьютерах память организуется в виде многоярусной структуры. Обычно различают память основную и внешнюю. Основная память в свою очередь состоит из двух частей: оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Первый, самый высший уровень, образуется оперативной памятью, непосредственно связанной с процессором. В оперативном запоминающем устройстве достигается минимальное время доступа к хранящимся в памяти данным. Второй эшелон памяти — постоянное запоминающее устройство — подключается к ОЗУ в случае его перегрузки. Оно служит как бы «быстрым справочником», к которому микропроцессор время от времени обращается за нужной информацией, или прикладными программами. Скорость его на несколько порядков ниже, чем в ОЗУ, но зато оно обладает гораздо большим объемом. Кроме того, при выключении компьютера информация из него не стирается. К внешней памяти относят различные устройства, способные хранить большие объемы информации. Это накопители на магнитных дисках, магнитные ленты и т.п. Их быстродействие может быть еще на несколько порядков ниже, чем в устройствах основной памяти, но зато они могут обладать огромной емкостью — в несколько миллионов или миллиардов байт. Первоначально устройством внешней памяти компьютера служил обычный кассетный магнитофон. Сейчас чаще употребляются дискеты (мягкие магнитные диски, напоминающие небольшую пластинку, заключенную в специальный конверт; их емкость около 1‑1, 4 Мбайт). Информация из памяти компьютера на дискету и с дискеты в память компьютера списывается с помощью дисковода — специального устройства ввода‑вывода данных. На одной магнитофонной кассете можно записать примерно столько же информации, сколько на дискете, однако время обращения к какой‑нибудь программе или элементу данных для накопителей на магнитных лентах значительно дольше, чем для накопителя на магнитных дисках. Это и понятно, поскольку информация на ленте записывается в виде одной длинной последовательности битов и для считывания нужной информации нужно перематывать всю ленту. Сейчас в качестве устройства внешней памяти широкое распространение получили винчестеры (или жесткие диски). Их емкость очень велика (один диск может сохранять миллионы страниц печатного текста), но при этом они обладают большим быстродействием. Большая скорость достигается за счет того, что винчестер заключен в вакуум и вращается на маленьких подшипниках. В основе его — жесткая алюминиевая пластина с магнитным покрытием. Важнейшим блоком любой ЭВМ является процессор. Его роль играет в компьютере микропроцессор — интегральная схема на кристалле кремния. В микропроцессоре реализована сложнейшая логическая схема, которую можно считать «сердцем и мозгом» машины. Само название блока говорит о его активных функциях. И действительно, процессор занимается переработкой в соответствии с программой той информации, которая содержится в памяти. В каждый рабочий такт процессор выполняет одну логическую или вычислительную операцию. Основу процессора составляют логические схемы: устройство управления, арифметическо‑логическое устройство и регистры. Устройство управления руководит работой всех компонентов компьютера; на вход этой схемы поступают из памяти коды команд, которые преобразуются в набор управляющих импульсов, рассылаемых в нужные точки схемы компьютера. Работу управляющего устройства можно уподобить действиям дирижера в оркестре, который, руководствуясь нотами музыкального произведения, с помощью дирижерской палочки указывает группам музыкантов и отдельным музыкантам моменты начала и окончания частей исполняемого музыкального произведения. Арифметико‑логическое устройство предназначено для исполнения арифметических и логических операций. Регистры — это электронные цифровые устройства для временного запоминания информации в форме двоичного числа. Если регистр может одновременно хранить 8 битов (восемь двоичных знаков) его называют восьмиразрядным. Если их 16 шестнадцатиразрядным и т.д. Регистры специализированы по своим функциям. Одни предназначены только для хранения информации, другие выступают как счетчики выполняемых команд, третьи служат для запоминания адресов выполняемых команд и т.д. Периферийное оборудование компьютера — это большое семейство простых и сложных устройств, основное значение которых сводится к обеспечению связи компьютера с внешним миром. Прежде всего, компьютер должен быть наделен возможностями восприятия информации. Этим занимаются устройства ввода данных. Главным устройством ввода информации является клавиатура. Она содержит алфавитно‑цифровые клавиши для ввода чисел и текстов, а также клавиши для управления курсором, переключения режимов и регистров и для других целей. Клавиши на клавиатуре расположены почти так же, как на пишущей машинке. Основным устройством для отображения информации служит дисплей, или монитор. Большинство современных дисплеев имеет в основе своей конструкции электронно‑лучевую трубку и по устройству похожи на телевизор. В современных компьютерах очень большое значение в диалоге пользователя с компьютером отводиться мыши. Мышь представляет собой небольшое устройство, скользящее по плоской поверхности. Относительные координаты ее перемещения передаются в компьютер и обрабатываются таким образом, чтобы управлять движениями на экране дисплея специально выделенного маркера, который называется курсором. Этот способ выбора позиции и указания объектов на экране очень удобен. При такой организации диалога на экране отображается несколько заранее составленных версий команд. Указывая курсором на одну из них, пользователь дает команду. Таким образом, на компьютере может успешно работать человек, не имеющий даже отдаленного понятия о программировании. Наиболее широко встречающимся устройством вывода данных является печатающее устройство, или принтер. Но им может быть также и графопостроитель (плоттер) для вывода графиков и чертежей. Наиболее широко до недавнего времени были распространены матричные принтеры. В них изображение отдельных знаков строится на матрице размером 9 на 9 точек и формируется ударами через красящую ленту тончайших стержней. Число стержней обычно равно 9, так что точки в пределах их матрицы соприкасаются, образуя непрерывные линии. На этих принтерах легко создавать произвольные шрифты, а также выводить любые графические изображения. Более высокое качество печати дают струйные принтеры, которые допускают несколько уровней яркости и цветную печать. Принцип действия таких принтеров основан на том, что управлением программы из перемещающегося по горизонтали сопла на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки чернил, формируя необходимое изображение. Как и для любой ЭВМ необходимой и составной частью компьютера является его программное обеспечение. Без соответствующей программы на нем практически невозможно работать. Важнейшим классом программ каждого компьютера следует считать его операционную систему, которая осуществляет поддержку работы всех остальных программ, обеспечивает их взаимодействие с аппаратурой и предоставляет пользователю возможность общего управления компьютером. Эта система преобразует команды и действия, выполняемые человеком за компьютером, в длинные наборы коротких и простых команд, понятных компьютеру. Операционных систем не так много. В 1974 году была разработана система CP/M, положившая начало созданию операционных систем для персональных 8‑разрядных компьютеров. Успех этой системы объяснялся ее предельной простотой и компактностью, а также тем, что она требовала очень мало памяти. В 1981 году одновременно с компьютерами IBM PC появилась операционная система MS‑DOS — дисковая операционная система фирмы «Microsoft», которая стала главной операционной системой для 16‑разрядных компьютеров. В настоящее время для этой системы создано колоссальное количество прикладных программ. Машинная программа как бы определяет профессию компьютера в данный момент. А поскольку память компьютера можно в считанные секунды очистить от старой информации и программы и так же быстро заменить их новой программой и данными, то компьютер, как в сказке, превращается на наших глазах из феноменального вычислителя в шахматиста, бухгалтера или секретаря‑машинистку. Прикладные программы обычно обращены к человеку, который сам не разрабатывает программ (и часто даже не имеет понятия о том, как это делается), а только использует их для решения своих конкретных задач. Так, например, различные редакторы создают максимальные удобства для работы с текстами. При этом пользователь может вызывать на экран дисплея различные документы и работать с ними как на печатной машинке. Но при этом возможности и удобства работы несравненно возрастают. Пользователь, например, может произвольно задавать размер листа, размеры полей и отступов, выбирать самый разнообразный шрифт, выделять, переставлять и убирать части текста, править и вносить изменения, автоматически проверять орфографию и пунктуацию, обращаться к различным словарям (которые находятся в памяти компьютера), вставлять иллюстрации и т.д. и т.п. Он может вызвать сразу несколько документов и работать с ними одновременно, перенося данные из одного в другой. Наряду с редактором есть множество прикладных программ, ориентированных на узких специалистов. Они позволяют делать экономические и математические расчеты, писать музыку, рисовать, играть и т.д. жүктеу/скачать 8,62 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|