Открытое аппаратное обеспечение

Открытое аппаратное обеспечение — компьютерное и электронное аппаратное обеспечение разработано в том же стиле, что и свободное и открытое программное обеспечение. Это часть целой культуры, которая является носителем идеи открытого доступа и в другие области применения (не только ПО). Примером может служитьSimputer ( en: Simputer ).

Часть течения разработки открытого аппаратного обеспечения взяла начало в 2002 году, после обращения Кофи Аннана к Кремниевой долины. Поскольку сущность аппаратного обеспечения отличается от программного, а концепция открытого аппаратного обеспечения — относительно новая, то не было сформулировано точного определения этого явления.

3D-принтеры
Проект RepRap : открытый же копировальный 3D-принтер. то не было сформулировано точного определения этого явления.

3D-принтеры
Проект RepRap : открытый же копировальный 3D-принтер.
Проект Clancing Replicator : открытый же копировальный 3D-принтер (вариант RepRap).
Fab @ Home — Открытая система настольного производства.
Компьютеры и их компоненты
Arduino — Открытая физическая вычислительная платформа.
OpenSPARC — проект, с помощью которого создан многоядерный процессор UltraSPARC T1 ( Sun Microsystems )
Open OEM — проект создания первого открытого компьютера.
OpenRISC — группа разработчиков, работающая над созданием высокоскоростного RISC -процессора.
OpenBook — проект планшетного компьютера ( VIA Technologies )
Simputer — КПК, нацеленный на использование в развивающихся странах.
LEON — открытый 32-разрядный процессор RISC.
Open Graphics ( en: Open Graphics Project ) — проект, нацеленный на создание открытой архитектуры и стандарта графических карт.
OGD1 prototype
ECB AT91 — Компьютер на одной печатной плате, использующий процессор Atmel AT91RM9200 ARM9 (180МГц).

Организации
Open Hardware (OH) — проект, в котором проектировщики аппаратного обеспечения делятся их работой, раскрывая схемы и ПО (драйвера ), используемые в их проектах. Дизайнеры открытого аппаратного обеспечения встречаются, обсуждают свою работу, помогают друг другу находить данные или идеи для решения проблем проектирования. Open Hardware — это также хорошая возможность демонстрировать свои проекты.
OpenCores — организация, которая пытается создать сообщество проектировщиков для поддержки открытых ядер для процессоров, периферии и других устройств.
Телефоны
Opencellphone.org — также известный как TuxPhone.
OpenMoko — проект по созданию открытого GSM смартфона.
Транспорт

Один из вариантов дизайна открытого автомобиля
OScar (англ. open source car ) — первая попытка спроектировать автомобиль целиком, используя только открытые принципы.
Проект разработки открытого Веломобили
Другие проекты
Daisy — открытый mp3-плеер.
Chumby — универсальный информационный устройство.
OpenStim: Открытый не агрессивный стимулятор мозга.
OpenEEG — создание не дорогого ЭЭГ -устройства и свободного ПО для него.
Open-rTMS — создание не дорогого en: rTMS -устройства и свободного ПО для него.

 

Буфер обмена

Буфер обмена ( англ. clipboard ) — промежуточное хранилище данных, предоставляемого ПО и предназначается для переноса или копирования между приложениями или частями одного приложения.

Приложение может использовать свой собственный буфер обмена, доступный только в нем, или общий, предоставляемый операционной системой или другой средой через определенный интерфейс.

Буфер обмена некоторых сред позволяет вставку скопированных данных в различных форматах в зависимости от приложения-получателя, элемента интерфейса и других обстоятельств. Например, текст, скопированный из текстового процессора, может быть вставлен с разметкой в приложениях, поддерживающих ее, и в виде простого текста в другие.

Вставить объект из буфера обмена можно сколько угодно раз.

Glipper — менеджер буфера обмена дляGNOME

Как правило, при копировании информации в буфер, его предыдущий содержимое пропадает. Но, например, буфер в Microsoft Officeможет хранить одновременно до 24 объектов, текстовых или графических. Некоторые рабочей среды включают программу для ведения протокола последних значений буфера и взятие уже перезаписанных.
Горячие клавиши для пользования буфером обмена

Стандартные горячие клавиши для работы с буфером обмена, применяемые в графических интерфейсах пользователя на PC-совместимых ПК (для клавиатуры PC101 с раскладкой QWERTY ):
Скопировать выделенные объекты в буфер обмена: Ctrl + C или Ctrl + Ins .
Вырезать выделенные объекты в буфер обмена (для перемещения): Ctrl + X или ? Shift + Del .
Вставить из буфера обмена: Ctrl + V или ? Shift + Ins .

Хотя эти комбинации и являются наиболее распространены, некоторые приложения могут использовать и другие комбинации клавиш.Например в X Window System для копирования в ее интегрированный буфер обмена достаточно лишь выделить нужную часть текста, а для вставки достаточно нажать среднюю кнопку мыши или же одновременно левую и правую кнопки (имитация средней кнопки).

 

Бенчмарк

Бенчмарк, или тест производительности ( англ. benchmark ) — контрольное задание, необходимое для определения сравнительных характеристик производительности компьютерной системы. Иногда бенчмарком также называются программы, которые тестируют время автономной работы ноутбуков и КПК, радиус действия беспроводной сети, пропускную способность каналов передачи данных, АЧХ звукового тракта и другие доступные для измерения характеристики, не связанные напрямую с производительностью.

Бенчмарки используются для сравнения производительности компьютеров и часто является критерием для выбора компонента того или иного производителя. Кроме того, успешное прохождение ряда бенчмарков является свидетельством стабильности системы в штатном и в форсированном режимах.

 

Беспроводная сеть

Беспроводной связь — это передача информации на расстояние без использования электрических проводников или «проводов». Это расстояние может быть как малой (несколько метров, как в телевизионном дистанционном управлении), так и очень большим (тысячи или даже миллионы километров для телекоммуникаций ). Беспроводная связь обычно рассматривается как отрасль телекоммуникаций.

Беспроводная технология в общем используется для оборудования мобильных информационных технологий. В их состав входят мобильные телефоны, наладонники (PDA) и беспроводные сети. Другие примеры беспроводных технологий включают устройства глобального позиционирования, устройства дистанционного открывания гаража, беспроводные компьютерные мыши и клавиатуры, спутниковое телевидение и мобильные и радиотелефоны.

Развитие беспроводных технологий

В последние годы направление беспроводных компьютерных сетей и удаленного доступа потерпел бурного развития. Это связано с распространением блокнотных компьютеров, систем поискового вызова (так называемых пейджеров) и появлением систем класса «персональный секретарь» (Personal Digital Assistant (PDA)), расширением функциональных возможностей сотовых телефонов. Такие системы должны обеспечить деловое планирование, расчет времени, хранение документов и поддержание связи с удаленными станциями. Девизом этих систем стало anytime, anywhere, т.е. предоставление услуг связи вне зависимости от места и времени. Кроме того, беспроводные каналы вязкую актуальные там, где невозможно или дорого прокладку кабельных линий и значительные расстояния. До недавнего времени большинство беспроводных компьютерных сетей передавала данные со скоростью от 1.2 до 14.0 Кбит / с, зачастую только короткие сообщения (передача файлов больших размеров или длинные сеансы интерактивной работы с базой данных были недоступны). Новые технологии беспроводного передачи оперируют со скоростями в несколько десятков мегабит в секунду.
Классификация беспроводных сетей

В зависимости от технологий и передающих сред, которые используют, можно определить следующие классы беспроводных сетей:
сети на радиомодема;
сети на сотовых модемах;
инфракрасные системы;
системы VSAT;
системы с использованием низкоорбитальных спутников;
системы с технологией SST;
радиорелейные системы;
системы лазерной связи.

Федеральная комиссия по электросвязи США (FCC) определила следующие категории PCS (Personal Communication Services) и соответствующие полосы частот:
узкополосные PCS (диапазон 900-901, 930-931, 940-941 МГц ) для скоростных пейджерных сетей, двунаправленного передачи сообщений, передача сообщений вещания;
широкополосные PCS (120, 1850-2200 МГц);
сотовую связь;
цифровое передачи речи и данных;
нелицензированные PCS (40 МГц, от 1890 до 1930 МГц);
беспроводные ЛМ и АТС организаций в ближайшем радиусе действия;
в пределах одного здания или группы зданий.

Нелицензированные PCS обеспечивают передачу данных со скоростью до 10 Мбит / с.
Сети на радиомодема

Для передачи данных используют полосы частот радио-и ультракоротковолнового диапазона. Каждый радиомодем имеет антенну и передатчик для направленного передачи сигналов. Самыми популярными технологиями беспроводной передачи этого класса является:
радио Ethernet ( IEEE 802.11 );
HIPERLAN ;
Bluetooth.
IEEE 802.11
Подробнее в статье IEEE 802.11

IEEE 802.11 — это семья технологий беспроводной передачи в радиодиапазоне. Сегодня самая популярная технология стандарта IEEE 802.11b; она позволяет передавать данные со скоростью 11 Мбит / с на расстояние от нескольких до десятков километров. Выходная скорость зависит от уровня помех, оборудование. На базе IEEE 802.11b строят беспроводные локальные сети Wireless LAN ( WLAN )).

Группа стандартов IEEE 802.11 фактически определяет физический и канальный уровень протоколов передачи. Стандарты отличаются реализациями физических уровней передачи, обеспечивают разные скорости.
IEEE 802.11 — это предварительная версия стандарта, известная как радио Ethernet (Wireless Ethernet); сегодня уже устарела.
IEEE 802.11b обеспечивает максимальную скорость передачи 11 Мбит / с и использует 14 каналов в диапазоне 2.4 ГГц.
IEEE 802.11a обеспечивает скорость передачи 54 Мбит / с. Работает в диапазоне 5 ГГц. Имеет 12 каналов передачи. В ней используются два поддиапазона передачи 5.15-5.25, 5.25-5.35 ГГц.
IEEE 802.11g — обеспечивает скорость передачи 22 Мбит / с. Работает в диапазоне 2.4 ГГц. Полностью совместим с IEEE 802.11b, однако предлагает три новые методыкодирования, которые позволяют увеличить скорость.

Организация Wireless Ethernet Compatibility Alliance ( WECA ) сертифицирует оборудование на соответствие IEEE 802.11b и ставит на нем отметку Wi-Fi Compatible (Wireless Fidelity).
HIPERLAN
Подробнее в статье HIPERLAN

HIPERLAN (High Performance Radio Local Area Network) разработана Европейским институтом стандартов по телекоммуникационным технологиям (European Telecommunications Standards Institute). Она является аналогом IEEE 802.11, который используется в Европе, и бывает таких разновидностей:
HiperLAN / 1 — скорость до 20 Мбит / с в диапазоне 5 ГГц;
HiperLAN / 2 — скорость до 54 Мбит / с в диапазоне 5 ГГц.
Bluetooth

Bluetooth — это интерфейсная беспроводная технология. Диаметр сети 10-30 м (в перспективе — 100 м). Работает в багатопунктовому режиме, не обязательно в зоне прямой видимости. Главное назначение — создание бытовых сетей, присоединения мультимедийной периферии, стиральных машин, холодильников и т.д.. Концепция сети Bluetooth разработала 1994 шведская фирма Ericsson. Название технологии происходит от прозвища, которое дали Викингу Геральду Блатанду, который в X в. объединил разрозненные земли, создав Датское королевство. В 1997 г. созданы первые приемники-передатчики. В 1998 г. сформирована группа SIG, в которую вошли Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba. В 1999 p. выпущено спецификации на оборудование. Подробнее о технологии Bluetooth. Новые технологии беспроводного передачи (Ultra Wideband (UWB)) предлагают скорости передачи, превышающие 100 Мбит / с, и требуют минимальных затрат энергии.
Технология SST

В технологии SST (Spread Spectrum Technology) использовано распределение сигнала по спектру частот. Это позволяет значительно повысить пропускные способности канала благодаря большей помехоустойчивости. Технологию SST уже длительный период применяли в военных целях. Есть две разновидности сетей SST:
FH-SS. Приемник и передатчик синхронно перескакивают с частоты на частоту;
DH-SS. В каждый момент времени сигнал «размазано» по широкому диапазону частот. Технология SST позволяет не только увеличить пропускные способности сети, но и лучше реализовать защиту информации от прослушивания. Внешний наблюдатель такую информацию воспринимает как «белый шум».
Спутниковые технологии
Технология VSAT

Технология VSAT (Very Small Aperture Terminal) использует для передачи данных геостационарные спутники, размещенные над экватором Земли на высоте 40 тыс. км.Наземные станции для связи со спутником применяют эллиптические антенны диаметром 3 м. Канал VSAT:
обеспечивает скорость передачи данных до 2 Мбит / с;
позволяет реализовать сочетание на большие расстояния с переходом государственных границ;
соизмеримый по цене с кабельными каналами такой же пропускной способности. Одновременно этот канал отличается значительными задержками передачи данных, обусловленными большим расстоянием до спутника (задержка составляет примерно 250 мкс, тогда как для кабельных сетей — 15 мкс). Поэтому канал VSAT нельзя использовать в системах реального времени и оперативной связи.

Поскольку стоимость спутникового канала велика, то поставщик услуг покупает у владельца спутника канал связи большой емкости и продает части пропускной способности канала. Итак, сеть с использованием звеньев VSAT имеет звездную структуру.
Системы низкоорбитальных спутников

Системы на базе низкоорбитальных спутников LEO (Low Earth Orbit), как и системы VSAT, для передачи используют спутник. Спутник находится на высоте около 100 км на обычной, а не геостационарной орбите. В этом случае уменьшается задержка в передаче данных. Кроме того, вывести такой спутник на орбиту гораздо дешевле, чем геостационарный. Вместе с тем для поддержания постоянной связи нужно использовать большое количество таких низкоорбитальных спутников. Среди имеющихся проектов LEO можно выделить систему Iridium, которая использует 66 спутников.

В первом варианте предполагали, что в системе будет 77 спутников. Именно столько электронов содержит атом иридия. Позже оказалось, что достаточно 66. Однако название решили оставить (название элемента с 66 электронами диспрозия происходит от латинского disprosius — труднодостижимой).

Корпорация Teledesic, владельцами которой являются Bill Gates и Greg MacCaw, планирует создать всемирную систему передачи мультимедийной информации на основе LEO-технологии. Планируется, что такая сеть будет использовать 840 спутников и предоставлять пользователям каналы пере ¬ пускнои способности от 62 Кбит / с до 2 Мбит / с.
Сети на сотовых модемах

Сети на сотовых модемах используют существующую инфраструктуру сотовой телефонии. Они работают в особо тяжелых условиях больших помех, периодического пропадания сигнала.

Среди методов доступа выделяют аналоговые, использующие для передачи аналоговый сигнал. Это классические методы доступа в сотовых сетях FDMA (Frequency Division Multiple Access), TACS (Total Access Communication System).

Главный ресурс сотовой сети — это предназначенный для нее диапазон частот. Аналоговые методы доступа выделяют для каждого передачи отдельный канал — полосу частот в предназначенном для сети диапазоне. В этом случае соседние сотовые ячейки не могут работать в одном и том же диапазоне частот (иначе передачи в соседних ячейках мешали бы друг другу). Частотный диапазон делят на семь частей.

Среди методов доступа, которые используют цифровое передачи, популярны различные модификации TDMA (Time Division Multiple Access). Они применяют известный принцип распределения времени передачи на отдельные временные слоты. К этой группе методов относятся AMPS (Advanced Mobile Phone Service) (частотные каналы шириной 30 кГц делятся на три временные слоты), NAMPS (Narrowband AMPS), PDC (каналы по 25 кГц, три слота), GSM (диапазон 200 кГц, восемь слотов ).
CDMA

Передовой сегодня является технология CDMA (Code Division Multiple Access), которая использует цифровое передачи.
CDPD

Технология CDPD (Cellular Digital Packet Data) реализует как пакетное передачи (протокол TCP / IP), так и модемный интерфейс (АТ-команды). В отличие от радиомодемов, сотовые модемы используют не специальные антенны и приемники-передатчики, а соответствующие устройства сотового телефона. При передаче данных применяют протоколы MNP-10 или ETC. Протокол MNP-0 динамически оптимизирует скорость передачи данных и уровень сигнала, имеет развитые средства працювання ошибок.
ETC

Протокол ETC предложила 1993 г. фирма AT & T Paradyne. Он основывается на состояние ¬ Дарти V.32bis (14.4 Кбит / с) и позволяет поддерживать связь с другими модемами стандарта ETC и другими протоколами. По сравнению с MNP-10 совершеннее технически. Развитие технологий на более высоких уровнях протокола выраженный в организации доступа к Internet. Этот доступ возможен благодаря использованию WAP-технологий.
Системы на базе инфракрасных каналов

Системы на базе инфракрасных каналов отличаются небольшой стоимостью приемников и передатчиков (от 1.5 до 4.5 дол. США), высокими скоростями передачи. Однако инфракрасные каналы работают только в условиях прямой видимости. Ассоциация Infrared Data Communications разработала стандарт передачи инфракрасным каналом со скоростью 115.2 Кбит / с.
Радиорелейная связь

Радиорелейные станции (РРС) используют для передачи аналогового сигнала в телевидении и цифрового в последовательном коде по стандарту ITU G.703 в телефонии. Канал G.703 имеет пропускной способностью 2 Мбит / с. Его можно использовать, например, для соединения сегментов Ethernet. Современные цифровые РРС имеют полосу перепуска 2-34 Мбит / с. Поэтому часто ее разделяют на несколько каналов. Максимальное расстояние для связи РРС — 60-80 км. Для наземных РРС используют частотные диапазоны 1, 5, 7, 15, 23, 34 ГГц. Взаимодействия маршрутизатора и РРС постигают при помощи конвертера V.35/G.703.

 

Электронные вычислительные машины

Различают несколько (пять основных) поколений ЭВМ, каждое из которых свидетельствует о состоянии развития этой отрасли

Первая электронная вычислительная машина на радиолампах ENIAC изобретена в 1946 г. в США под руководством Д. Маучли и Д. Эккерта.

Прошло еще несколько лет, пока не сложились основные принципы построения ЭВМ — архитектура современных ЭВМ. Эти принципы были обоснованы выдающимся математиком Дж. фон Нейманом ( один тысяча девятьсот три — один тысяча девятьсот пятьдесят-семь ) в 1946г. Первая ЭВМ, основанная на этих принципах, — EDSAC была создана в Англии в 1949 г. М. Уилксом.

Первая ЭВМ на территории бывшего СССР — МЭСМ была создана в 1950 г. в Киеве по проекту С. А. Лебедева.
Виды
Мини-ЭВМ ( minicomputer ) — малая ЭВМ, имеющая небольшие размеры и стоимость. Появившись в конце 1960-х годов, мини-ЭВМ имеют широкие возможности в решении задач различных классов.
МикроЭВМ ( microcomputer ) — ЭВМ малых размеров, созданная на базе микропроцессора. Различают микроЭВМ встроенные и персональные, настольные и портативные, профессиональные и бытовые.
Характеристики

Быстродействие ЭВМ ( computer speed ) — характеристика ЭВМ, определяющий количество элементарных операций (сложение и др.)., выполняемых за единицу времени.

 

Механические и электромеханические вычислительные машины

Попытки создать механическую вычислительную машину осуществлялись еще в средние века. Проект одной из таких машин принадлежит Леонардо да Винчи ( 1452 — 1519 ).

Первая счетная машина, о которой сохранились сведения, было построено в 1623 г. немцем В. Шикард. В 1642 г. французский ученый Блез Паскаль сконструировал механический вычислитель, что позволяет складывать и вычитать числа. В 1673 г. немецкий ученый Г. Лейбниц (1646-1716) разработал счетное устройство — арифмометр, выполнявший не только сложение и вычитание, но и умножение и деление. М. Лейбниц говорил: «… не достойно совершенства человеческого, подобно рабам, тратить часы на вычисления». Введением в практику двоичной арифметике ученый заложил основу, на которой покоятся все киты современной вычислительной техники.

«Если бы мне пришлось выбирать в анналах истории наук святого — покровителя кибернетики, то я выбрал бы Лейбница» — так оценил заслуги немецкого ученого основоположник кибернетики Норберт Винер.

Лейбниц предложил также арифметизацию логики. Однако центральной фигурой «алгебраического этапа» логики был английский ученый Дж. Буль ( 1815 — 1864 ). Он создал свою алгебру — алгебру Буля — которая оперирует только двумя понятиями: истинные и ложные.

Работы Г. Лейбница и Дж. Буля заложили теоретическую базу для практической реализации вычислительных устройств высокой производительности.

Впервые состав и назначение функциональных средств автоматической вычислительной машины определил в 1834 г. английский математик и экономист Ч. Бэббидж ( одна тысячу семьсот девяносто два — один тысяче восемьсот семьдесят-один ) в своем неосуществленному проекте аналитической машины. Большую помощь Бэббиджу предоставила его ученица Ада Августа Лавлейс — дочь известного английского поэта Байрона. Леди Лавлейс считается первой в истории программистки. Она заложила основы теоретического программирования, написав первый учебник по этому предмету. Ей принадлежит изобретение оператора условного перехода, именно она ввела понятие рабочей ячейки и цикла.

Первая релейная вычислительная машина Z1 построена Конрадом Цюзе в 1936 г. в Германии.

 

Уровни схем контроля

Уровни представления схем контроля
уровень логических схем.
функциональный уровень.
системный уровень.
пользовательский уровень.
Методы контроля на уровне узлов вычислительной техники
контроль по паритету — чёт, нечёт ( Основу ЭВМ составляют 9-ти разрядные байты : 1 бит контроля на 8 информационных разрядов);
2 обнаруживающие и корректирующие коды (коды Хемминга, Н-матрица );
3 циклические коды (последовательная передача );

4 дублирование со сравнением (n- ирование , при n=2);
Избыточность

Избыточность — это средства построения схем контроля.
Виды:
информационная избыточность — вводятся дополнительные контрольные разряды (9-ти разрядный байт);
аппаратурная избыточность — вводится дополнительное оборудование (СВК – схемы встроенного контроля, ССВК – само проверяемые СВК, дублирование и др.);
алгоритмическая избыточность — решение по разным алгоритмам со сравнением;
временная избыточность — отводится дополнительное время на контроль (потеря рабочего времени).

В современных ЭВМ в основном используется информационно-аппаратурный метод избыточности.

Дублирование

Дублирование- это самый простой способ по структуре и самый дорогой по затратам для универсальных ЭВМ.

СК – схема контроля.
СС — схема сравнения.
Основной узел такой же, как дополнительный.
СС — строится :
линейка 2-х входовых сумматоров по модулю 2 с объединением по “ИЛИ “
компаратор с выходом =.

Система кодирования ошибок.
Сигнал ошибки=0,если ошибки нет.
Сигнал ошибки=1,если она есть.

Необходимо строить схему контроля таким образом, чтобы она удовлетворяла правилам кодирования.

 

Система автоматического контроля

Функции системы автоматического контроля
уменьшение потерь от сбоев и отказов;
предотвращение распространения ошибок в вычислительном процессе;
определение ошибки максимально близко к месту её возникновения;
Алгоритм Системы Автоматического контроля:

1) при возникновении ошибки в регистре ошибок, сервисный процессор останавливает вычислительный процесс;

2) запоминается слово состояния машины;
Читать далее

Эксплуатационное обслуживание ЭВМ

Эксплуатационное обслуживание – это совокупность операций, процедур и процессов, обеспечивающих работоспособное состояние ЭВМ.

Работоспособным состоянием называется состояние, при котором ЭВМ выполняет все функции, все характеристики и все параметры ее находятся в пределах, указанных в технической документации.

Особенности ЭВМ, как объекта эксплуатационного обслуживания:

· сложная техническая система;
· неразделимая совокупность аппаратных и программных средств;
· универсальный преобразователь информации (проблема достоверности);
· человеко-машинная система;
· функционирует в условиях действия случайных факторов;
· имеет сложное описание и большую техническую документацию (десятки-сотни томов).

Виды обслуживания:

· хранение;
· установка;
· наладка;
· ввод в эксплуатацию;
· обслуживание при нормальной работе;
· планово-профилактическое обслуживание;
· ремонт;
· обслуживание программного обеспечения;
· обслуживание информационных баз.

Решение этих вопросов выполняется с помощью технических описаний объектов и инструкции по эксплуатации.

ЭВМ общего назначения является обслуживаемым (возможна профилактика) и восстанавливаемым (возможен ремонт при эксплуатации) объектом.

Основные характеристики ЭВМ по эксплуатационному обслуживанию

1. Производительность по смеси (набору) команд:

где n – количество команд в смеси (наборе); Ki – вес i-ой кманды; ti – время выполнения i-ой команды.

2. Коэффициент эффективности использования ЭВМ (отношение производительности к стоимости обслуживания).

3. Надежность. Общие закономерности нарушений работоспособности ЭВМ, процессов обслуживания изучает теория надежности.

Надежность – свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени свои характеристики (анализ и оценка надежности используют понятия и методы теории вероятности).

Надежность ЭВМ определяется:

· безотказностью;
· достоверностью функуионирования;
· характеристиками обслуживаемости (ремонтопригодность, восстанавливаемость информации после сбоев, проверкопригодностью и т. д. )

Отказ – это нарушение работоспособности требующее вмешательства обслуживающего персонала.

Сбой – это кратковременное самоустраняющееся нарушениe функционирования ЭВМ.

Отсюда, ошибки ЭВМ делят на сбои и отказы.

Отказы бывают:

· внезапные (мгновенное изменение какого-либо параметра);
· постепенные (происходящие во времени).

Интервалы между отказами являются случайными величинами.

4. Ремонтопригодность. Характеризуется средним временем восстановления работоспособности после отказа (0,5-1 час).

5. Достоверность функционирования. Характеризуется средним временем наработки машины на один сбой.

6. Профилактические испытания. Проводятся согласно технической документации. Их цель: выявление элементов и узлов, параметры которых близки к предельно допустимым и их замены или подрегулировки. Профилактические испытания должны увеличить наработку на отказ в период между профилактическими испытаниями.

Профилактические испытания – это потери рабочего времени.

Средства повышения эксплуатационных характеристик ЭВМ.

1) Система автоматического контроля.
2) Система восстановления вычислительного процесса после ошибок.
3) Система автоматической диагностики.
4) Система сбора информации и обработки.

 

Персептрон | Перцептрон | Теоремы Розенблатта

Перцептроны или персептроны (от perceptio – восприятие) были первыми искусственными нейронными сетями, появившимися в результате многолетних исследований мозга животных и человека. Автор первого перцептрона – американский ученый Френк Розенблатт, впервые опубликовавший свои исследования в этой области в 1957 году. По мнению Ф. Розенблатта, перцептроны, прежде всего, являются классом моделей мозга, объясняющих некоторые его характерные функции. В частности, перцептроны, пусть и в самой элементарной форме, объясняют некоторые проблемы организации памяти биологических систем, демонстрируют механизм приобретения знаний «познающих (cognitive) систем» об окружающем их мире и показывают, что эти знания зависят как от когнитивной системы, так и от окружающей среды. По Розенблатту, для различных видов животных простейшее представление об анатомической структуре нервной системы может быть получено с помощью схемы, представленной на

рис. 2.1.

Каждый из пяти видов информации о внешней среде воспринимается своими специализированными сенсорными нейронами и передается по своим отдельным сенсорным трактам в центральную нервную систему. Через моторные нейроны центральная нервная система связана с мышцами и железами организма. В своих первых работах Розенблатт рассматривал модель только зрительной системы. В наиболее простом виде эта модель включает в себя три последовательно соединенных множества нейронов: чувствительных (S-элементов), ассоциирующих (A-элементов) и реагирующих (R-элементов). S-элементам в нервной системе животного или человека соответствуют сенсорные или рецепторные нейроны, генерирующие сигналы на поступающие внешние раздражения (изображения) и передающие их A-нейронам. A-элементы аналогичны в нервной системе живого организма нейронам, образующим локальный специализированный зрительный центр в коре головного мозга и связывающим рецепторные нейроны с моторными. R-элементам в нервной системе соответствуют эффекторные (моторные) нейроны, упорядоченные в ограниченные топологические структуры и передающие сигналы управления центральной нервной системы к мышцам и железам организма.
Определение 2.1. S-элемент называется простым, если он выдает единичный выходной сигнал при входном сигнале, превышающем некоторый заданный порог , и нулевой сигнал – в противном случае.
Определение 2.2. Простым ассоциативным элементом называется A-элемент, который выдает единичный выходной сигнал, если алгебраическая сумма его входных сигналов превышает некоторый заданный порог > 0, иначе – выходной сигнал ассоциативного нейрона равен нулю.

Рис. 2.1 Структура нервной системы

Определение 2.3. Простым биполярным (бинарным) реагирующим элементом называется R-элемент, выдающий единичный выходной сигнал, если алгебраическая сумма его входных сигналов больше или равна пороговому значению, и отрицательный единичный (нулевой) сигнал, если сумма его входных сигналов меньше заданного порога.
Чувствительные S-элементы живого организма (рис. 2.2) возбуждаются от воздействия энергии света, если величины их входных сигналов превышают некоторый порог i. Рецепторные нейроны случайным образом связаны с A-элементами, выходные сигналы которых отличны от нуля только в том случае, когда возбуждено достаточно большое число сенсорных нейронов, воздействующих на входы одного ассоциирующего элемента. Простой A-элемент, аналогично простому S-элементу, является активным и выдает единичный выходной сигнал, если алгебраическая сумма сигналов на его входе превышает заданную пороговую величину, в противном случае нейрон находится в невозбужденном состоянии. Коэффициенты (веса) связей между S- и A-элементами постоянны.

Комбинация выходов всех A-элементов представляет собой реакцию двух первых слоев перцептрона на предъявленное входное изображение, которая с помощью выходного слоя нейронов преобразуется в необходимую комбинацию выходных сигналов системы. Часто требуют, чтобы каждому классу входных изображений соответствовал только один определенный активный R-нейрон. Необходимых комбинаций выходных сигналов на каждый класс изображений добиваются на этапе обучения или адаптации перцептрона за счет изменения переменных весов связей между A- и R-элементами.

Разделение множества G изображений на два класса G1 и G2 можно выполнить с помощью одного выходного элемента. В этом случае изображениям первого класса может соответствовать положительный выходной сигнал (+1) R-элемента, а второго класса – отрицательный (–1). На примере простейшего (элементарного) перцептрона рассмотрим различные способы обучения этих нейросетей, впервые предложенные и исследованные Розенблаттом.

Определение 2.4. Простым перцептроном называется нейронная сеть, состоящая из S-, A- и R-элементов и удовлетворяющая следующим пяти условиям:

1. В сети имеется только один R-нейрон, который соединен связями с переменными весами со всеми A-нейронами.
2. В сети имеются только последовательные связи от S- к A-элементам и от A-элементов к R-элементу.
3. Веса связей между S- и A-элементами являются фиксированными.
4. Время передачи сигналов каждой связью равно нулю (либо фиксированной постоянной величине).
5. Выходные сигналы всех нейронов сети формируются в виде:

где – алгебраическая сумма сигналов, поступающих одновременно на вход нейрона.

Определение 2.5. Простой перцептрон с простыми A- и R-элементами и передающими функциями связей вида:

где wij(t) – вес связи между i-м и j-м нейронами в момент времени t; – выходной сигнал i-го нейрона в момент времени ; – время передачи сигнала с выхода i-го нейрона на вход j-го элемента, называется элементарным перцептроном.

Элементарный перцептрон обучается или настраивается на распознавание двух классов изображений G1, G2 путем предъявления ему некоторых последовательностей изображений из этих классов. Учитель (человек или вычислительная машина), наблюдающий реакцию перцептрона на каждое входное изображение, при наличии ошибочных решений сети должен корректировать веса связей между R- и A-элементами в соответствии с некоторой системой правил.

Определение 2.6. Матрицей взаимодействия перцептрона называется матрица, элементами которой являются веса связей wij для всех пар нейронов Ui, Uj сети.
Если связь между нейронами Ui, Uj отсутствует (например, в простом перцептроне нет связей между R- и S-нейронами), то принимают wij = 0.
Матрица взаимодействия фактически отображает состояние памяти перцептрона. Множество всех возможных состояний памяти сети образует фазовое пространство сети, которое может быть представлено в виде области в n-мерном евклидовом пространстве, каждая координатная ось которого соответствует одной связи сети.

2.2. Обучение перцептронов с помощью a- и g-систем подкрепления

Определение 2.7. Системой подкрепления нейронной сети называется любой набор правил, с помощью которых можно изменять во времени состояние памяти сети (или матрицу взаимодействия).

Определение 2.8. Положительным (отрицательным) подкреплением называется такой процесс коррекции весов связей, при котором вес связи wij(t), начинающейся на выходе активного i-го элемента и оканчивающейся на входе j-го элемента, изменяется на величину wij(t), знак которой совпадает со знаком выходного сигнала j-го нейрона (знак которой противоположен знаку выходного сигнала j-го нейрона).

Существует большое число различных систем подкрепления, большая часть из которых представляет лишь исторический интерес. Поэтому остановимся только на системе подкрепления с коррекцией ошибок, которая является основной в настоящее время.
В системе подкрепления с коррекцией ошибок прежде всего необходимо определить, является ли реакция перцептрона правильной. До тех пор, пока выходной сигнал R-элемента принимает желанное значение, величина сигнала подкрепления равна нулю. При появлении неправильной реакции перцептрона используется подкрепление, величина и знак которого в общем случае определяется монотонно возрастающей функцией f:

(2.1)

где R* – желаемая реакция; R – полученная реакция; f(0) = 0.

Таким образом, при появлении ошибки для коррекции весов связей используется сигнал, знак которого противоположен знаку выходного сигнала R-элемента. В связи с этим рассмотренный метод коррекции весов получил название системы с отрицательным подкреплением.
Конкретным примером системы подкрепления с коррекцией ошибок является альфа-система подкрепления. В этой системе при наличии ошибок веса всех активных связей, которые оканчиваются на R-элементе, изменяют на одинаковую величину , а веса всех неактивных связей оставляют без изменений. Перцептроны, в которых применяется альфа-система подкрепления, называются альфа-перцептронами.

При использовании альфа-системы подкрепления сумма весов всех связей между R- и A-нейронами может возрастать (или убывать) от шага к шагу, что должно приводить к нежелательным ситуациям, когда многие связи имеют максимальные (или минимальные) веса и не могут использоваться в дальнейшем процессе обучения нейронной сети. Для устранения этого недостатка системы подкрепления была предложена гамма-система подкрепления, которая обладает свойством консервативности относительно суммы 1 весов всех связей между нейронами, т.е. сумма 1 остается постоянной в процессе обучения перцептрона. Это достигается за счет того, что при наличии ошибочной реакции перцептрона сначала веса всех активных связей изменяются на одинаковое значение , а вслед за этим из весов всех активных и пассивных связей вычитается величина, равная отношению суммы изменения весов всех активных связей к числу всех связей. Изменение весов отдельных связей при этом определяется соотношением:

(2.2)

где wij – в общем случае приращение веса связи между i-м A-нейроном и j-м R-нейроном, для элементарного перцептрона j = const = 1; ? – величина сигнала подкрепления; Nак – число активных связей; N – число связей, оканчивающихся на входе j-го элемента.
При такой системе коррекции весов связей выполняется равенство:

из которого и следует консервативность гамма-системы подкрепления относительно суммы весов всех обучаемых связей.
Замечание 2.1. Отметим, что соотношение (2.2) в неявной форме предполагает, что корректируемые веса wij связей достаточно далеки от своих граничных значений wij min= 0 и wij max =1, т.е.

(2.3)

Если неравенства (2.3) нарушаются, а требование консервативности относительно суммы 1 весов связей остается неизменным, то соотношение (2.2) необходимо уточнить. Пусть, например, среди активных связей Nа гр. связей имеют граничные значения весов или и для них выполняются условия

(2.4)

Пусть также Nа бгр. активных связей имеют веса, близкие к граничным, для которых справедливы неравенства

(2.5)

В этом случае общая сумма Sa первоначальных изменений весов активных связей будет равна:

, (2.6)
где – граничное значение веса связи между k-м и j-м нейронами, ; – приращения веса связи, определяемое по соотношению (2.2) без учета наличия множества – знаковая функция.
Если предположить, что для всех пассивных связей выполняются соотношения (2.3), тогда из весов пассивных связей и весов активных связей, для которых не выполняется соотношение (2.4) или (2.5), вычитается величина . С учетом этих замечаний соотношение (2.2) принимает вид:

 

1 45 46 47 48