Современное состояние и проблемы развития учебных ЭВМ 1992

Данный материал защищён авторскими правами! Использование материала заявлено как добросовестное, исключительно для образовательных некоммерческих целей. Источник: Системы и средства информатики – Вып. 3 – 1992. с. 255-271

Современное состояние и проблемы развития учебных ЭВМ
М. Л. Гуткин, А. В. Иванов, С. А. Христочевский

1. Концепция КУВТ. Современные отечественные ПЭВМ учебного назначения и КУВТ

Формальное разделение ПЭВМ на бытовые, учебные, профессиональные и т.д. существует только в Советском Союзе, фактически же речь идет о различиях в составе программно-аппаратных средств, оптимальных с точки зрения применения в конкретных областях человеческой деятельности. Таким образом, логично начать с анализа, для чего и как используются ПЭВМ в учебном процессе.

Мировой опыт использования ПЭВМ в образовании можно классифицировать в виде трех областей:

а) ПЭВМ и спстемы программирования как предмет изучения;

б) ПЭВМ и спсциализированше пакеты прикладных программ как редство обучения;

в) применение средств вычислительной техники (СВТ) как средств новых информационных технологий (НИТ): коммуникации, настольные издательства и т.д.

Каждое из направлений определяет собственный набор основных минимально необходимых программно-аппаратных средств. Общими для всех направлений являются требования надежности, соответствия санитарно-гигиеническим нормам и т.п.

Практика показывает, что в тех случаях, когда ПЭВМ используется как предмет изучения, можно ограничиться минимальными характеристиками.

При использовании СВТ как средства обучения и НИТ следует говорить не об учебных ПЭВМ, а о профессиональных ПЭВМ со своей специфической областью применения. При этом в комплект должно входить значительное количество программно-аппаратных инструментальных средств, позволяющих эффективно создавать учебные курсы по самым различным предметам. К таким средствам, например, можно отнести системы ввода-вывода графической и текстовой информации (микро- видео, сканеры, электронные доски), манипуляторы, интегрированные пакеты, средства искусственного интеллекта и т.п. Следует также отметить, что нормальное развитие этого этапа использования СВТ невозможно без достижения достаточной компьютерной грамотности пользователей при работе с аппаратурой и программным обеспечением первого этапа.

В соответствии с разработанной в СССР концепцией применения ПЭВМ в учебном процессе основной используемой в школе единицей является “комплект учебной вычислительной техники” (КУВТ), включающий в себя компьютеры (от 9 до 16 рабочих мест), объединенные локальной сетью и использующие общую периферию: печатающее устройство (ПУ) и накопитель на гибких магнитных дисках (НМГД).

В настоящее время по линии Государственного комитета по народному образованию СССР закуплены и используются в учебном процессе следующие виды отечественных КУВТ: КУВТ-86, УКНЦ и “Корвет”. В ряде республик и областей для целей образования используются УПЭВМ и КУВТ других типов и архитектур (в РСФСР комплект вычислительной техники “Агат, исполнение 7”, в БССР – КУВТ “Немига”, в АзССР – КУВТ “Каспий” и т.д.).

Практически нет совместимости между различными моделями КУВТов как на аппаратном (разные разъемы, форматы на дискетах и т.д.), так и на программном уровне (разные системы команд и разные операционные системы). Теоретически возможен перенос исходных текстов программ на магнитофонной кассете.

Рассмотрим характеристики перечисленных КУВТов более подробно.

1.1. КУВТ-86

КУВТ-86 включает в в себя в качестве РМП одну ПЭВМ типа “Электроника НЦ-80-20/2M” (ДВК-2М) и до 12 ПЭВМ БК-0010Ш (РМУ), комплектуемых монохромными мониторами “Электроника МС-6105” и объединенных локальной сетью через порты последовательного интерфейса типа стык-С2. По ряду параметров КУВТ-86 не удовлетворяет не только внутрисоюзному уровню развития средств учебной вычислительной техники (не говоря о международном), но и ГОСТ 27201-87, регламентирующему основные требования к ПЭВМ.

ДВК-2М включает в себя системный блок, спаренный дисковод НГМД-6022 и профессиональный алфавитно-цифровой дисплей “Электроника-15И300013”, использующийся как удаленный терминал, связанный с ПЭВМ последовательным интерфейсом, и принтер. В системном блоке установлены: 16-разрядная одноплатная ЭВМ “Электроника НЦ-80-20”, включающая в себя микропроцессор КМ1801ВМ1, 56 Кбайт доступного пользователю ОЗУ, последовательный и параллельный порты, плата контроллера дисковода и две платы КТЛК-6, включающие в себя по шесть последовательных портов каждая. ПЭВМ не допускает графических режимов, видеоОЗУ отсутствует.

В БК-0010Ш используется одноплатная ЭВМ на основе микропроцессора КМ1801ВМ1 с производительностью 0,3 млн оп/с, 32 Кбайт ОЗУ, из которых видеоОЗУ занимает 16 Кбайт, а 16 Кбайт предоставляется программе пользователя, около 32 Кбайт ПЗУ ВК заняты системным монитором языка Бейсик, часть которого может быть отключена через системный слот и заменена ПЗУ тестов. Объем памяти, предоставляемой пользователю, может быть увеличен за счет части видеоОЗУ (12 Кбайт), однако при этом графика, по сути дела, исключается.

В качестве ОЗУ предусматривается бытовой кассетный магнитофон. Контроллер НМЛ допускает запись/чтение со скоростью 1,2 Кбод. Контроллер монитора позволяет подключать как черно-белый (“Видео”), так и цветной монитор, но пользователю доступен только выход “Видео” (выход аналогового RGB не выведен на внешний разъем). Пользователю доступны также слот системной шины и порты: параллельный асинхрон- ный на 16 линий разделенного ввода/вывода, последовательный в виде отдельного устройства подключаемого через системный слот (поставляется в составе КУВТ для организации локальной сети).

БК-0010Ш допускает графические режимы: одноцветный с 512 × 256 точек и 256 × 256 точек с четырьмя цветами.

Программно-аппаратная поддержка локальной сети типа “звезда” реализует протоколы канального и прикладного уровней. Основные недостатки КУВТ-86 следующие:

1. Надежность КУВТ-86 не выдерживает никакой критики. Наиболее часты отказы дисководов; регулярны сбои клавиатуры. Так как совершенствование конструкций не предусмотрено ни планами министерства, НИ планами завода-изготовителя, низкая надежность КУВТ-86 является основным аргументом за запрет их использования в сфере образования.

2. Использование архитектурно различных ПЭВМ в качестве РМП и РМУ, ДВК-2М и БК-0010Ш объединяет только одинаковый микропроцессор, используемый в обоих конструкциях. Несоответствие адресов внешних устройств, принципиально различные карты памяти и отсутствие у РМП графических режимов привел к высокой степени несовместимости ПЭВМ между собой. По сути дела, РМП используется лишь как файлсервер, непомерно дорогой для таких целей, не обеспечивающий обмена между рабочими местами и других функций локальной сети.

3. На рабочих местах используются компьютеры, которые в лучшем случае могут быть рассмотрены как игровые (и то с параметрами, далекими от достигнутого в этой области уровня). Слишком малое ОЗУ (недостаточное даже для нормального использования Бейсика) создает серьезные трудности при программировании.

4. Форматы записи данных на дискете несоместимы со стандартными форматами, применяемыми на других учебных ПЭВМ и на большинстве профессиональных ПЭВМ.

1.2. КУВТ УКНЦ (“Электроника МС-0202”)

КУВТ УКНЦ состоит из однотипных ПЭВМ “Электроника МС0511”, комплектуемых монохромными мониторами “Электроника МС-6105” и объединенных в локальную сеть. Базовый класс предусматривает 13 ПЭВМ (одно РМП и 12 РМУ), контроллер НГМД, реализованный в виде отдельного устройства, подключаемого через слот, спаренный НГМД типа 6022 (в последних модификациях используется НГМД-5305) и принтер (в настоящее время типа ROBOTRON-6329.01. Форматы 5,25” 400 Кбайтных дискет совместимы с форматами, принятыми на ЭВМ серии PDP-11 фирмы DEC. Контроллер НМД, имеющийся на каждой ПЭВМ, позволяет осуществлять запись/считывание информации со скоростью 1,2 Кбод.

Каждая ПЭВМ построена по двухпроцессорной двухмагистральной архитектуре. В качестве центрального процессора (ЦП) и периферийного (ПП) используются микропроцессоры КМ1801ВМ2, причем ПП используется, по сути дела, как процессор ввода/вывода. Обмен информацией между ЦП и ПП осуществляется через скоростной байтовый параллельный интерфейс и регистры. Совмещенная 16-разрядная шина адреса/данных позволяет каждому из процессоров адресовать 64 Кбайт. Имеется приоритетная система прерываний. Наличие у БИС КМ1801BM2 двух режимов работы “USER” и “HALT” позволяет включать в адресное пространство различные области памяти и организовывать арбитраж. Для решения задач арбитража используется также буфер магистрали ПП. Производительность ЦП (согласно “Техническим условиям”) составляет 0,7 млн оп/с, ПП – 0,5 млн оп/с. Объем ОЗУ составляет 192 Кбайт, из них 64 Кбайта принадлежат ЦП, 32 – ПП, 96 – видеоОЗУ. Управление каждым ОЗУ осуществляется своей БИС управления. Из-за ограниченности адресного пространства каждого из процессоров часть памяти, в том числе видеоОЗУ, адресуется через регистры. Системное ПЗУ объем 32 Кбайт принадлежит адресному пространству ПП и содержит программу начального загрузчика и тесты. Контроллер клавиатуры обслуживает матрицу 8 х 12 клавиш встроенной клавиатуры. Имеется 10 функциональных кодов. ПЭВМ включает в себя таймер и генератор звука, работающий в полосе частот 60 Гц–16 кГц.

Контроллер монитора позволяет подключать как черно-белый (“Видео”), так и цветной (аналоговый RGBI, I – яркость строки) выход. КУВТ стандартно комплектуется монохромными мониторами “Электроника-6105”.

Графические режимы позволяют адресовать экран до 640 × 288 точек 8 цветами из 16, время закрашивания экрана около 1 с. Доступен текстовый режим 26 строк по 80 символов в строке.

Имеется 3 системных слота расширения, один из которых предназначен для подключения контроллера локальной сети.

Сеть типа “Кольцо” производительностью до 57,6 Кбод представляет собой, по сути дела, стандартный последовательный порт с улучшенными характеристиками за счет применения более совершенных оптронных развязок.

Основным достоинством КУВТ являются усилия разработчиков и завода-изготовителя, направленные на повышение надежности и качества серийных изделий. С точки зрения пользователя, достоинствами КУВТ УКНЦ является также унификация составляющих его ПЭВМ (в отличие от КУВТ-86); удобная для программирования, полная и симметричная система команд процессора; ориентация на интегральные схемы большой степени интеграции (полузаказные БИС серии 1515) и связанное с этим малое количество корпусов, что даст возможность повысить в перспективе надежность изделия.

Основными недостатками УКНЦ являются:

1. Несбалансированность тепловых режимов (частые сбои и выход из из строя в результате перегрева) части серийных моделей. Причина, по-видимому, заключается в несовершенстве используемого блока питания (классического типа). В настоящее время разработан новый блок питания (импульсного типа) с существенно более высоким КПД и низким уровнем рассеиваемой мощности, однако в серийные модели он пока не устанавливается.

2. Неотработанность технологии некоторых комплектующих, в частности контроллера НМГД, резко снижает надежность КУВТ. В выпускаемых в настоящее время ПЭВМ используется новая БИС контроллера НМГД. Время покажет, повысило ли это надежность изделия.

3. Использование несовершенных дисководов (например, НГМД 6022). Частые обращения к дискам, характерные для ПЭВМ DEC - архитектуры, выдвигают особые требования к надежности внешних ЗУ. В последней модификации КУВТ УКНЦ используются дисководы типа 5305, что позволяет отчасти смягчить проблему надежности КУВТ. Кардинальное решение этой проблемы возможно только при комплектации КУВТ НМД типа “Винчестер”, что не предусматривается планами завода-изготовителя. Тревожным является и тот факт, что использование “Винчестера” не предусматривается и в следующем КУВТ-90 (фактически представляющем собой модифицикацию КУВТ УКНЦ). Следует при этом отметить, что комплектация КУВТ одним “Винчестером” обходится дешевле, чем комплектация каждой ПЭВМ НГМД (последнее, возможно, будет реализовано в КУВТ-90).

4. Хотя изначальная идея разделения функций центрального и периферийного процессоров несомненно здравая и соответствует тенденциям мирового развития, ее конкретная реализация в УКНЦ принесла больше осложнений, чем пользы. Основная причина этого состоит, на наш взгляд, во-первых, в отсутствии соответствующего программного обеспечения, во-вторых, в несоответствии целей и применяемых средств. Качественно иные функции ПП предполагают, что его структура, принципы работы и используемые им ресурсы принципиально отличаются от структуры, принципов работы и ресурсов ЦП, обеспечивая существенно более высокую производительность на операциях обмена данными и развитость функций контроллера внешних устройств за счет других, “чисто процессорных” функций (например, математических операций). Так, принцип развития ПЭВМ класса IBM-PC, как представляется, заключается в раздельном увеличении ресурсов и совершенствования функций центрального процессора и периферийных контроллеров при соблюдении программной совместимости в семействе снизу вверх по каждому из устройств. Использованная в УКНЦ архитектура предопределила “замораживание” ресурсов ЦП на уровне младших моделей ДВК и несоответствие функций ПП его задачам. На наш взгляд, это может привести к появлению программного обеспечения, не имеющего будущего. Хотя подобные архитектурные недоработки неизбежны, пока действует остаточный принцип финансирования, снабжения и контроля средств учебной информатики, считаем необходимым подчеркнуть архитектурную и, что еще важнее, экономическую неоправданность использования двух совершенно одинаковых процессоров в качестве ЦУП и ПП. Возможно, разработчики КУВТ УКНЦ стремились наработать опыт использования в учебных ПЭВМ мультипроцессорных систем. В этом случае следует предпочесть более серьезную проработку вопросов арбитража и распределения ресурсов организации промежуточного буфера и регистрового доступа к страницам ОЗУ.

5. Своеобразие архитектуры и вызванная этим уникальность ПЭВМ привели к тому, что к настоящему времени КУВТ УКНЦ не полностью укомплектован даже базовым программным обеспечением. Большую часть программного обеспечения, включая поддержку локальной сети, необходимо разрабатывать заново. Использование профессиональных производительных ЭВМ для разработки ПО УКНЦ крайне затруднено. Более того, для создания прикладных пакетов, ориентированных на возможности собственно УКНЦ, из языков программирования в настоящее время может быть использован только макроассемблер.

6. Хотя микропроцессоры, используемые в ПЭВМ, могут работать с тактовой частотой 9 МГц и достигать при этом скорости выполнения регистровых операций 1,2 млн оп./с, реальное быстродействие компьютера не превышает 0,4 млн оп./с. Для повышения скорости работы программ разработчики рекомендуют записывать программы в ПЗУ, а также распараллеливать их работу с использованием одновременно двух процессоров, однако такой режим не является штатным и на практике мало реален.

1.3. КУВТ “Корвет”

КУВТ состоит из одного РМП типа ПК8020 и 12 РМУ ПК8010, объединенных локальной сетью, в комплект входят также сдвоенный дисковод и принтер западного производства. Комплект НГМД 5.25” обслуживает дисководы с емкостью данных на неформатированной дискете до 1 Мбайт (800 Кбайт на форматированной). Контроллер НМЛ допускает запись на кассетный магнитофон со скоростью 1.2 Кбод.

В ПЭВМ использован микропроцессор КР580ВМ80А с производительностью 0,625 млн оп./с, карта памяти с регистровым переключением страниц, реализованы режимы прерываний, таймер, различные контроллеры, ПЭВМ представляет программе пользователя 64 Кбайта ОЗУ, видеоОЗУ, подразделяемое на графическое (ГЗУ) объемом 192 или 48 Кбайт в зависимости от используемых микросхем памяти и алфавитно-цифровое (АЦЗУ) объемом 1 Кбайт × 9 бит, ПЗУ объемом 24 Кбайт, из которых ВК заняты системой (драйверы), а 16 Кбайт – интерпретатором языка Бейсик.

Контроллер монитора обеспечивает подключение черно-белого монитора по выходу “Видео” и цветного по выходу цифрового RGBI (I – интенсивность). Выход аналогового RGBI реализован, но недоступен пользователю.

Реализованы (и доступны) порты параллельного (ИРПР-М) и последовательного (ИРПС и СТЫК-С2, выделены оба) интерфейсов. На плате имеются выходы для двух двухкоординатных джойстиков (не выведены на внешний разъем).

Имеется несколько графических режимов, до 512 × 256 точек восьми цветов (3 плана по 16 Кбайт), время закрашивания области экрана – 2 с, существует текстовый режим, допускающий 80 символов в строке, формат знакомест 8 × 11 точек, так как графическое ЗУ и алфавитно-цифровое ЗУ физически разнесены, совмещение графического и текстового режимов не составляет проблем.

Локальная сеть (KERMIT) типа “Общая шина” реализует байториентированный протокол. Скорость передачи по сети 19,6 Кбод.

ПЭВМ содержит 126 корпусов микросхем, из которых БИС – 62 корпуса (4 корпуса – программируемые логические матрицы).

Достоинства “Корвета” заключаются в сбалансированности его ресурсов и достижении на относительно скромной и недефицитной элементной базе достаточно высоких пользовательских характеристик, как-то: полная совместимость с пакетами, разработанными в рамках операционных систем CP/M и МикроДОС; наличие встроенного (в отличие от УКНЦ) интерпретатора Бейсика; щадящий режим работы с дисковым накопителем и др. Важными являются усилия разработчиков по дальнейшему совершенствованию модели, что в условиях быстро меняющейся ситуации гарантирует его жизнеспособность в течение некоторого времени. Несомненным достоинством является совместимость ПЭВМ по форматам данных на внешних носителях со множеством отечественных и зарубежных ПЭВМ, а также появление профессиональных и бытовых моделей архитектуры “Корвет”.

К недостаткам ПЭВМ относятся:

1) большое количество корпусов и недостаточная автоматизация производства. По мнению авторов, такая ситуация во многом является следствием дефицитности многих комплектующих изделий, в первую очередь микросхем, что оказывает влияние на разработку и выпуск;

2) низкая надежность, обусловленная некачественной сборкой в заводских условиях;

3) недоработанность базового программного обеспечения, что вызывает определенные трудности при создании программ, работающих с локальной сетью;

4) наличие импортной периферии (дисководы, принтеры), закупаемой на валюту, при том что совершенно нереальны в обозримом будущем экспортные поставки “Корвета” за валюту.

1.4. Другие КУВТ, используемые в системе среднего образования СССР

Комплект “Агат”. Поставляемые в школы РСФСР комплекты “Агат” представляют собой 13 ПЭВМ “Агат, исполнение”, каждая из которых оснащена дисководом и профессиональным монитором “Электроника-32ВТЦ101”, в комплект входит также матричное печатающее устройство (D100). Компьютеры не объединены локальной сетью. В качестве центрального процессора используется импортный микропроцессор MCS6502 с производительностью около 0,5 млн оп./с. В модели, поставляемой в школы, объем ОЗУ 64 Кбайт, из которых видеоОЗУ занимает от 2 до 8 Кбайт. Системное ПЗУ объемом 2 Кбайта состоит из программы начального загрузчика и драйверов. Существует режим эмулирования ПЗУ из части ОЗУ (в ПЭВМ, поставляемых в школы, такое “псевдоПЗУ” составляет 12 Кбайт и содержит программу “Монитор” и интерпретатор языка Бейсик). НГМД ЕС-5088 производства НРБ обеспечивает объем данных 109,4 Кбайт на 5,25” дискете. В качестве ВЗУ может быть использован бытовой кассетный магнитофон. ПЭВМ “Агат” имеет порты параллельного и последовательного интерфейсов. ПЭВМ реализует графические режимы до 256 × 2576 монохромных точек, 128 × 128 восьми цветов и другие, а также ряд текстовых режимов. Основными достоинствами ПЭВМ являются простая система команд, достаточно гибкая архитектура, наличие НГМД на каждом РМУ. Среди недостатков следует отметить следующие:

1) ненадежность работы как самой ПЭВМ (перегрев, сбои в работе контроллера ОЗУ), так и периферии, в, в особенности болгарских дисководов;

2) низкое качество НГМД привело к проблеме переносимости программного обеспечения с одного экземпляра ПЭВМ на другой, что в условиях частых сбоев и организации учебного процесса в советской школе приводит к неприемлемым условиям работы;

3) из-за отсутствия локальной сети во время урока преподаватель вынужден тратить большую часть учебного времени на устранение сбоев и перезагрузки системы на отдельных экземплярах ПЭВМ;

4) используемая реализация языка Бейсик несовместима с реализациями на других ПЭВМ;

5) цена компьютера столь велика, что обычная школа не в состоянии приобрести комплект без помощи шефов.

Напрашивается вывод, что “Агат” по сути своей не предназначен для задач образования. Его положительные стороны зачеркиваются недостатками, имеющими принципиальное значение для этой сферы деятельности.

КУВТ “Немига”. Разработанный для использования в системе среднего образования БССР КУВТ “Немига” состоит из одного РМП и 12 РМУ, представляющих собой однотипные ПЭВМ “Немига”, оснащенные монохромными мониторами и объединенные локальной сетью производительностью до 620 Кбод. РМП оснащается НГМД и принтером. ПЭВМ “Немига” построена в рамках архитектуры ЭВМ семейства PDP-11 фирмы DEC на базе микропроцессорного комплекта К588/1824, выполненного по КМОП-технологии. В состав ПЭВМ входят: построенный на БИС серии К588 микропроцессор производительностью 0,4 млн оп./с; ОЗУ пользователя объемом 64 Кбайт, видеоОЗУ 32 Кбайт и “электронный диск” 32 Кбайт; системное ПЗУ, содержащее программы начального пуска и дискового загрузчика, пультового терминала, системной консоли и графических примитивов; аппаратный умножитель; контроллеры устройств. Реализованы графические (до 512 × 256 точек четырех градаций яркости) и текстовые (до 25 строк по 64 символа) режимы. Форматы дискет совместимы с применяемыми в ЭВМ “Электроника-60”.

Достоинством КУВТ “Немига” является в первую очередь реализованная на нем локальная сеть. Это первый случай использования в отечественном КУВТ локальной сети, удовлетворяющей современным требовшпи к учебным средствам вычислительной техники. Хотя соответствующая БИС (К588ВГ6) вьшускается отечествеъшой промьпшіеъшоспю, до сих пор разработчики ограничивались использованием для этих целей БИС последовательного порта СТЫК-С2, имеющего в 10-30 раз более низкую производительность. Другим важнейшим достоинством является используемая низкоэнергетическая элементная база, что, по-видимому, позволит избежать проблем, связанных с перегревом ПЭВМ (потребляемых одноі ПЭВМ мощность составляет всего 6 Вт). Конечно, это не служит абсолютной гарантией надежности ПЭВМ. Реальная надежность определится в процессе эксплуатации КУВТ. К дестоинсгвам можно также отнестии обеспеченную, по словам разработчиков, высокую совместимостьс программным обеспечением ПЭВМ серии “Эпектроника-60” – “Электрошн-80” – ДВК.

Основным недостатком, по мнению авторов, является ориентация разработчиков на линию DEC в архитектуре КУВТ. Происходящий в стране постепенный отказ от использования этой архитектуры в ПЭЗВМ вообще и в учебных ПЭВМ в частности лишает КУВТ “Немига” перспективы. Кроме того, аналогично другим КУВТ отечественного производства, используемые в КУВТ “Немига” ВЗУ явно недостаточны по объему хранимых данных и надежности.

2. Применение ПЭВМ для обучения за рубежом

За рубежом в образовании используются практически все виды персональных ЭВМ (исключение составляют лишь мощные графические станции и компьютеры-игрушки). Следует отметить, что не во всех странах принято само понятие учебной ПЭВМ. О программах создания ПЭВМ, ориентированных на применение в обучении, объявлено в Великобритании (BBC Acorn и Archimedes), во Франции (Nanorezo и Nanorezo-II), в Австралии (Micro Bee), в странах Восточной Европы (Правец-8, Праввец-16, Роботрон-1715, PMD-85, IQ-151, PP-01, PP-01.16). К странам, широко использующим ПЭВМ в образовании, относятся также США, Япония и ФРГ. При этом понятие КУВТ, как правило, не используется, хотя многие фирмы объединяют свои учебные компьютеры в локальные сети, обеспечивая пользователем коллективный доступ к периферии. Специально для целей школьного образования созданы такие ПЭВМ как IBM-PS/2 mod 25 (фирма IBM, США), Apple-IIGS (Apple, США), “Archimedes” (фирмы BBC и Acorn, Великобритания). Стремясь использовать накопленное программное обеспечение, многие школы ориентируются на IBM-PC-подобные модели (характерным примером здесь является класс Nanorezo-II, состоящий из одной ПЭВМ типа ІВМ РС/ХТ и 10-20 ПЭВМ типа ІВМ РС, объединенных локальной сетью со скоростью передачи данных до 1 Мбод). Следует отметить, что фирма IBM, учитывая перспективы развития рынка, уделяет большое внимание разработке аппаратных и программных средств для школьных ПЭВМ. Как отмечалось на семинаре этой фирмы (Москва, сентябрь 1989 г.), в настоящее время в школах США установлено около 1 млн ПЭВМ архитектуры ІВМ-РС и 0,5 млн ІВМ-РЅ/2. Состав наиболее массового учебного класса IBM-PS/2 включает в себя рабочие места (до 30 шт. и более), представляющие собой IBM-PS/2 mod. 25/30 с ОЗУ 512- 640 Кбайт, видеоконтроллером MCGA, адресующим видеоОЗУ объемом 64 Кбайт и обеспечивающим графические режимы с числом точек 640 × 200 шестнадцати цветов, а также режимы с числом цветов до 256, и цветовые мониторы и файл-сервер IВM-PS/2 mod. 60/80 с “Винчестером” 20 Мбайт и монохромным монитором. Для полноты картины отметим, что вопросами образования только в фирме IBM занимаются 5050 сотрудников и 200 консультантов, а в 1988 г. США затратили на компьютеризацию образования около 220 млрд долл.

В университетах, а в последнее время и в школах США получают широкое распространение Macintosh-Plus и Macintosh-SE фирмы Apple. Это ПЭВМ из семейства, включающего в себя на сегодняшний день модели – Macintosh, Macintosh-Plus, Macintosh-SE и Macintosh-II, охватывающие широкий спектр применений от бытовых до профессиональных, Macintosh-Plus и Macintosh-SE представляют 32-разрядные ПЭВМ с процессором Motorolla МС-68000, работающие на тактовой частоте 7,8 МГц и разработанные в соответствии с концепцией открытой архитектуры. ПЭВМ поддерживают монохромный графический режим с 512 × 342 точками экрана и звуковой выход на четыре голоса; Macintosh-SE, кроме того, поддерживает и цветную графику. ПЭВМ имеют два разъема расширения Apple Destop Bus, два контроллера последовательного интерфейса RS-232/RS-422 (с максимальной производительностью 230,4 Кбод), контроллер дисковода и сам дисковод 3,5”, “мышь”. ПЭВМ Macintosh-Plus оснащается 128 Кбайтным ОЗУ и 64 Кбайтным ПЗУ. Macintosh-SE (System Expansion) представляет собой расширение ПЭВМ Macintosh-Plus и обычно комплектуется 1 Мбайтным ОЗУ (расширяемым до 4 Мбайт), 256 Кбайтным ПЗУ и портом SCSI.

В конце 1988 г. фирма NEXT анонсировала новую модель рассчитанную на систему высшего образования, “NEXT” использующую самую современную технологию, в частности 32-разрядный микропроцессор Motorolla-68030 и оптические диски.

Общей тенденцией использования ПЭВПМ в системах обучения западных стран является стремление наращивать предоставляемые пользователю ресурсы без кардинальной смены архитектуры, что позволяет использовать уже созданное и апробированное программное обеспечение, как общего назначения (операционные системы, трансляторы), так и прикладного. Как следствие, класс ПЭВМ IBM-PS/2 разработан таким образом, что на машинах этой серии выполняется без доработок большинство разработанных для IBM-РС пакетов, а ПЭВМ Apple-IIGS совместима с программным обеспечением Аpple-II, хотя по своим параметрам и архитектурным особенностям отличается от ПЭВМ этого класса.

Однако со временем развитие аппаратной части приходит в противоречие с условием программной совместимости, что приводит к появлению новых архитектур, отрицающих применение разработанного ПО, но более приспособленных к процессу обучения. Таким “скачком вперед” явилось в последние годы появление семейства ПЭВМ “Archimedes” (“Архимед”), использующих RISC-процессор.

Более подробно в настоящей работе рассмотрены следующие модели: “Archimedes” серии A300 – серии, которую ряд специалистов рассматривает как наиболее перспективную в области образования, и ПЭВМ “Apple-IIGS”, продолжающую семейство Apple-II, накопившее наибольшее число учебных программ.

2.1. Учебная ПЭВМ “Archimedes”

Широко известная своими учебными компьютерами фирма Acorn Computers приступила во второй половине 1987 г. К выпуску семейства 32-разрядных ПЭВМ “Archimedes”, состоящего из двух серий компьютеров – A300 для использования в обучении и в быту и A400 для профессиональной деятельности. В настоящее время вшускаются 4 модели: A305, A310, A410, A440. Фирма подчеркивает, что обучение – основная сфера применения новой ПЭВМ, и проводит соответствующую политику, включающую установление для школ льготных тарифов.

В компьютерах семейства используется микропроцессор производительностью 10 млн оп./с, построенный по RISC-технологии, и получивший название ARM (Acorn RISC Machine), с системой команд, во многом аналогичной системе команд микропроцессора 6502. Система однотактовых команд ARM состоит в основном из операций обмена между регистрами и ОЗУ. Быстрая обработка прерываний позволяет реализовать все функции ввода/вывода через микропроцессор, не используя дополнительного оборудования. Простота конструкции и высокая производительность ARM во многом достигнуты благодаря перераспределению функций между процессором и БИС управления памятью MEMC, на которую возложены функции общей синхронизации, контроллера режима прямого доступа к памяти, формирования 22-битового физического адреса, мультиплексирования микросхем ОЗУ и др. Кроме центрального микропроцессора, используется еще 3 сопроцессора: управление ОЗУ – MEMC, управления видеопамятью – VIDC и ввода/вывода – IOC. MEMC адресует до 4 Мбайт ОЗУ с тремя уровнями защиты памяти: “супервизор”, “операционная система”, “пользователь”.

Объем ОЗУ в существующих моделях составляет от 0,5 М до 4 Мбайт в зависимости от модели (в A305 – 0,5 М байт) ПЗУ – 512 Кбайт, имеется также CMON-ОЗУ объемом 256 байт для часов реального времени с питанием от литиевых батарей. Системное ПЗУ содержит монитор операционной системы MOS, дисковую файловую систему ADFS, сетевую файловую систему ANFC, BBC Basic V, Basic Editor, программу работы с “окнами” Desk Top Manager и несколько кодовых наборов символов.

Каждая из моделей комплектуется вмонтированным в системный блок 3,5” дисководом для 1 Мбайтных (неформатированных) дискет. Возможно подключение второго дисковода или диска типа “Винчестер” емкостью до 20 Мбайт (в ПЭВМ серии A300 для подключения “Винчестера” требуется дополнительный контроллер). Кроме того, имеется доступ к 20 Мбайтному “Винчестеру” через локальную сеть.

ПЭВМ имеет контроллеры последовательного (RS-423) и параллельного (Centronics) интерфейса, комплектуется трехклавишной “мышью”.

Видеопроцессор VIDC поддерживает 187 экранных режимов с максимальным числом цветов 256 из палитры 4096 для мониторов с обычной скоростью сканирования и 3 режима для высокоскоростных мониторов. Всего поддерживается 22 экранных режима, в том числе 3 с высоким разрешением (640 × 512 точек). Число цветов – до 256 из палитры 4096. Имеется система программных спрайтов. Скорость передачи на дисплей может изменяться программно переключением частоты передачи с 8 до 24 МГц. Использование в микропроцессоре 32-разрядного циклического сдвигового регистра обеспечивает необходимый для графики высокого разрешения набор битовых операций.

ПЭВМ имеет канал стереозвука на 8 голосов. Клавиатура (расширенная IBM-PC) содержит 103 клавиши, из которых 12 программируются пользователем. Монитор может подключаться как через аналоговый, так и через цифровой RGB-входы.

В машинах серии A300 пользователю предоставляется один 64-контактный системный расширитель магистрали (слот), допускающий 2 слота расширения, в A400 – 4 (6) системных слотов.

“Archimedes” поддерживает традиционную для Acorn локальную сеть ECONET с сетевым интерфейсом RS-423 (скорость передачи до 350 Кбод); предоставляющую пользователю доступ к периферии в режиме разделения времени. Стоит отметить, что RS-423 распространен в основном только в Великобритании.

Из дополнительно поставляемых устройств можно выделить плату сопроцессора с Intel-80186 для поддержки программного обеспечения фирмы IBM (совместимость с ПО IBM-PC достигается за счет потери многих преимуществ “Archimedes”), а также сопроцессор арифметики с плавающей точкой (для серии A300 использование этой платы недопустимо).

“Archimedes” рекламируется как ПЭВМ, имеющая вдвое большую производительность, чем VAX-780, и сопоставимая с последними 32-разрядными моделями, построенными на Intel-80386 и Motorola-68020.

“Archimedes” достаточно хорошо оснащена программными средствами. Уже сейчас имеются трансляторы языков Лисп, Пролог, Смолток и др. В списке обучающих программ и пакетов (занимающем почти половину каталога прикладного программного обеспечения) есть программы для всех возрастов – от обучения чтению 5-летних до сложных пакетов по физике, биологии, экономике для студентов. Практически все учебные программы созданы фирмами Longman, Scetlander и Resource. Следует отметить, что большинство обучающих программ – это ситуационные модели, ролевые игры, требующие от обучаемого принятия решений и демонтсрирующие ближайшие и отдаленные результаты этих решений, что позволяет, не отвлекаясь на несущественные частности, понять суть изучаемых проблем и их взаимосвязи.

Следует отметить, что при всех своих преимуществах ПЭВМ “Archimedes” не завоевала английского рынка, на котором имеет место сильная ориентация на IBM-PC-совместимые модели.

2.2. ПЭВМ Apple-IIGS

В настоящее время наиболее распространенными компьютерами, применяемыми в школах США (более 50% парка машин), являются ПЭВМ семейства Apple-II. Несмотря на “возраст” (первая модель Apple-II была разработана более 11 лет назад), компьютеры этого класса сохраняют лидирующее положение в основном за счет относительно низкой цены и развитости программного обеспечения. В настоящее время семейство Apple-II состоит из моделей: Apple-II, Apple-II+, Apple-IIe, Apple-IIc и Apple-IIGS. Появившуюся в конце 1986 г. Модель Apple-IIGS отличают такие высокие качества, как открытость архитектуры, использование наряду с 8-разрядной 16-разрядной арифметики, технологии монтажа на поверхности. Относительно невысокая стоимость (цена базовой модели $999), доступность богатейшего программного обеспечения Apple-II и другие достоинства позволяют компьютерам серии Apple и до сих пор занимать одно из ведущих мест среди ПЭВМ для учебных и бытовых применений.

Apple-IIGS состоит из системного блока, выносной клавиатуры, “мыши”, дисплея, утилит, операционной системы ProDOS 8/16 и документации. В качестве центрального процессора используется микросхема 65C816 производительностью более 1 млн он./с. Это 16-разрядная БИС, имеющая, кроме того, режим эмуляции системы команд 8-разрядного микропроцессора 6502, что позволяет использовать программное обеспечение Apple-II без каких-либо переделок. Аналогично “Archimedes” повышение реального быстродействия ПЭВМ во многом определяется разделением фукнций между микпропроцессором и специальной БИС Mega-II, осуществляющей ввод/вывод и ряд других операций. Адресное пространство микропроцессора составляет 16 Мбайт, системная шина Apple-IIGS обеспечивает доступ лишь к 8 Мбайт. Стандартная поставка включает в себя 320 Кбайт ОЗУ, из которых 128 Кбайт “быстрого” ОЗУ принадлежат ЦП, 128 Кбайт “медленного” ОЗУ – БИС Mega-II, а 64 Кбайт представляют собой специализированное ОЗУ звукового синтезатора. Это существенно превышает объем ОЗУ в Apple-IIe (128 Кбайт). Объем встроенного ПЗУ также больше, чем в любой другой ПЭВМ серии Apple (128 Кбайт), и включает в себя Applesoft Бейсик, инструментальные средства, фукнции обмена с монитором, клавиатурой, портами ввода/вывода, а также драйвер локальной сети AppleTalk.

Контроллер дисковода обеспечивает работу с 800 К байтными форматами 3,5” дискет, а также (для совместимости с Apple-II) с 143 Кбайтным 5,25” дискетами. Поддержки “Винчестера” в стандартной поставке не предусмотрено, однако фирма Apple продает соответствующую аппаратуру в виде отдельного продукта.

Имеются два последовательных порта ввода/вывода, “мышь”, выходы на монохромный и цветной мониторы (последний может подключаться как через RGB, так и через видеовход). В стандартную поставку входит монохромный монитор.

Клавиатура модифицирована по сравнению с Apple-II для обеспечения большего удобства пользователя и совместимости с клавиатурой Macintosh. Запрограммированные в ПЗУ фунции обслуживания клавиатуры включают в себя все системные входы из применяемого в Macintosh набора Control Planet, а также дают возможность переключать тактовую частоту 1/2, 8 МГц. Возможны варианты кодировки клавиш для неанглоязычных стран.

Принципиально новой особенностью Apple-IIGS по сравнению с другими ПЭВМ серии Apple-II является наличие слотов расширения шины Apple-IIe и слота расширения ОЗУ до 8 Мбайт.

Встроенное расширение ОЗУ делает невозможным использование ряда разработанных для ранних моделей интерфейсных плат, например платы прямого доступа к памяти. Следует отметить, что с появлением ПЭВМ типа Apple-IIGS (а также Mac-SE, Mac-II, Commodore Amiga-2000 и др.) снова проявилась тенденция к открытой, “гибкой” архитектуре, позволяющей пользователю варьировать ресурсы в широких пределах в зависимости от своих нужд и не менять компьютер, как только он перестал удовлетворять возросшим потребностям. Дешевизна моделей с минимальной комплектацией, возможность наращивания ресурсов по мере роста сложности решаемых задач, доступность богатого программного обеспечения (особенно в области учебного использования ПЭВМ), несомненно, повышают конъюнктурные преимущества этих ПЭВМ в условиях рынка.

Разъемы и кабели унифицироываны, т.е. кабель для подключения в ПЭВМ принтера может быть использован для подключения к ней модема и наоборот, а также для подключения принтера непосредственно к модему. Порт для подключения 3,5” и 5,25” дисководов (Smart Port) может быть использован для других блочных операций, например для обмена с “Винчестером” или файлсервером (т.е. устройством, организующим доступ к ресурсам внешней памяти). “Винчестер”, кроме того может быть подключен через локальную сеть AppleTalk, через SCSI-порт или специализированную интерфейсную плату.

Apple-IIGS поддерживает все текстовые и графические режимы ПЭВМ серии Apple: текстовые режимы на 40 × 80 символов в строке (24 строки, 6 × 8 точек в знакоместе), графические режимы с низким, высоким (280 × 192) и двойным (560 × 1092) разрешением, комбинации текстовых и графических режимов. Добавлены два новых режима высокого разрешения: 320 × 200 точек с 16 цветами и 640 × 200 точек с 4 цветами.

Особенностью Apple-IIGS, отличающей ее от аналогичных ПЭВМ, является наличие звукового спецпроцессора фирмы Ensoniq с 64 Кбайт памяти, что позволяет записывать в цифровом виде и воспроизводить одновременно до 32 голосов, а также высококачественную речь и пение. Возможен цифровой синтез звуков с введением данных из файла в в виде частотных гармоник, нотного текста или непосредственно с музыкального инструмента.

Технологическим успехом фирмы Apple следует считать высокую степень интеграции, достигнутую в Apple-IIGS. Большинство “обрамления”, на которое в Apple-II уходило 70 корпусов МС малой интеграции, а в Apple-IIe – 20 корпусов, Apple-IIGS сведено в одной микросхеме SMD-технологии (технология монтажа на поверхности). Это означает, что Apple-IIGS является более надежной ПЭВМ по сравнению со своими предшественницами, однако в случае поломки практически неремонтноспособной: микросхема может быть заменена только вместе с печатной платой. Технология SMD, требующая высокой роботизации производства, удешевляет конструкцию и одновременно страхует от несанкционированного копирования аппаратуры мелкими производителями.

2.3. Прогноз развития зарубежных УПЭВМ

При составлении прогнозов развития средств вычислительной техники учебного назначения, создаваемых в развитых капиталистических странах, в период до 1995 г. учитывались следующие соображения:

1) в большинстве западных стран нет концепции КУВТ или специальных УПЭВМ. Просто в систему образования поставляются более дешевые модели;

2) прогноз на 5 лет вперед целесообразно давать с учетом того, что было 5 лет назад по сравнению с данным моментом.

На основе анализа сведений из зарубежных журналов можно сделать вывод, что УПЭВМ будут комплектоваться следующими периферийными устройствами: накопитель на жестком магнитном диске диаметром 89 мм емкостью не менее 20 Мбайт (рост объема продаж за 1988 г. 110%); накопитель на гибком магнитном диске диаметром 89 мм, емкостью не менее 1,44 Мбайт (рост объема продаж за 1988 г. 30%); оптические диски однократной записи не менее 1 Гбайт (рост объема продаж 91%); цветной монитор (рост объема продаж 30%); лазерный принтер (рост объема продаж 13%).

Все УПЭВМ будут комплектоваться манипуляторами типа “мышь”. В качестве схем ЗУПВ будут использоваться как минимум динамические схемы емкостью 1 Мбит (рост объема продаж 174%, а объем продаж схем 256 Кбит уменьшился на 16%). Однако скорее всего, к 1995 г. самыми распространенными (и самыми дешевыми) схемами памяти будут схемы емкостью 4Мбит. Ведь 7 лет назад самыми дешевыми были схемы 167 Кбит, а сейчас – 256 Кбит, т.е. за 7 лет емкость схем ЗУПВ возросла в 16 раз.

В качестве микропроцессора при таких объемах оперативной памяти (не менее 1 Мбайт) будут использоваться 32-разрядные микропроцессоры типа Intel-80386 (или 80486), Motorola-68040 или, что более вероятно, РИСК-процессоры, так как при существенно более простой технологии изготовления они обладают наиболее высоким быстродействием.

Большие объемы оперативной памяти позволят существенно повысить производительность УПЭВМ путем организации электронного диска.

Можно ожидать значительного улучшения графических характеристик УПЭВМ. При разрешающей способности порядка 1024 × 1024 пиксел будет не менее 256 цветов (если будет решена проблема создания недорогих мониторов, допускающих такое разрешение).

3. Перспективы использования ПЭВМ в учебном процессе в СССР

Комплексное применение вычислительной техники в классе, обеспечивающее работу учителя и индивидуальную работу учеников, требует наличия ПЭВМ значительно большей мощности по сравнению с используемыми в настоящее время. Это относится и к объему оперативной памяти, и к быстродействию, и к графическим возможностям. Тенденция к увеличению мощности ПЭВМ прослеживается во всех проработках, касающихся перспективного компьютера для системы образования.

Вместе с тем речь о комплексном примененеии ПЭВМ может идти только при достаточном насыщении школы вычислительной техникой. Если одна ПЭВМ приходится на 100 учеников (а это примерно полмиллиона машин), то каждый ученик может общаться с компьютером не более одного часа за три недели, считая по шесть уроков в день. Естественно, что никакого комплексного применения ПЭВМ в этом случае нет и быть не может. Нет в этом случае и необходимости в разработке более мощной ПЭВМ. На первый план здесь выходит не увеличение вычислительных возможностей, а снижение стоимости при сохранении уже достигнутых характеристик. И самое важное здесь – обеспечение массового производства ПЭВМ.

Таким образом, при наличии в школе только одного кабинета вычислительной техники с 12-15 компьютерами можно всерьез говорить только об изучении основ информатики и вычислительной техники, причем для этих целей достаточно (по функциональным возможностям) имеющихся в настоящее время КУВТ “Корвет” и УКНЦ.

Только когда в системе образования на 30-10 учеников будет приходится по 1 компьютеру, можно будет всерьез ставить задачу комплексного использования вычислительной техники со всеми вытекающими последствиями.

4. Требования к перспективным учебным ПЭВМ

Все УПВМ и КУВТ, построенные на их основе, независимо от изготовителя должны быть максимально унифицированы аппаратно и иметь одинаковое базовое и прикладное программное обеспечение. Различие можно допустить на уровне операционных систем при одинаковом интерфейсе с пользователем, и обязательно должны существовать программы преобразования файловой структуры одной операционной системы в другую, и наоборот.

Программное обеспечение КУВТ должно быть в максимальной степени близко к точному подмножеству программного обеспечения профессиональных ПЭВМ. Это позволит поручить производство КУВТ различным министерствам и ведомствам, не создавая проблем для унифицированного учебного процесса, а также облегчить создание прикладного программного обеспечения.

При разработке КУВТ обязательно следует учесть и то обстоятельство, что ряд учебных пакетов будет создаваться на ПЭВМ, входящих в состав КУВТ. Поэтому каждый КУВТ должен иметь определенные ресурсы, включая инструментальные средства, для разработки пакетов прикладных программ.

Характерной особенностью класса УПЭВМ в отличие от ПЭВМ вообще является однообразие характеристик при большом объеме производтсва. Так, в текущей пятилетке около 50% всех выпущенных ПЭВМ намечено направить в систему образования.

Отечественная УПЭВМ 1995 г. с оптимистичным учетом возможностей нашей промышленности должна обладать следующими характеристиками:

наработка на отказ – не менее 20 000 ч;

количество корпусов на плате – не более 40;

микропроцессор – 1801ВМ86, 181ВМ88 или РИСК-процессор;

графический процессор, обеспечивающий разрешение не менее 640 × 400 пикселей при 16 цветах, аппаратно реализующий наиболее употребительные функции (изображение линий, окружностей, заливка области определенным цветом, масштабирование и т.д.), а также поддерживающий средства динамической графики;

объем ОЗУ, включая видеоОЗУ, – не менее 1 Мбайт для РМУ и не менее 3 Мбайт для РМП;

внешняя память РМП – жесткий диск емкостью не менее 10 Мбайт и НГМД емкостью не менее 80 Кбайт, внешняя память РМУ – НГМД емкостью 800 Кбайт;

цветной монитор с разрешающей способностью 640 × 400 пикселей;

принтер ударный, матричный, со скоростью вывода 150 символов в 1 с;

локальная сеть со скоростью передачи не менее 100 Кбод;

базовое программное обеспечение должно включать операционную систему, закрытую от преподавателя и учеников, учебную среду для преподавателя, учебную среду для учеников, языки программирования Бейсик, Паскаль, Лого, Лисп, Пролог, Си, учебные, базы данных, системы текстообработки, электронные таблицы, экспертные системы, средства поддержки локальной сети.

Литература

1. Тенденции развития учебных ПЭВМ (обзор архитектуры). Препринт ИПИАН. 1989. 56 с.

2. Отчет по теме “Школа”. М.: ИПИАН, 1988. 126 с.

3. Перспективный комплект учебной вычислительной техники. Исходные требования. Проект. М.: НИИ школьного оборудования и технических средств обучения АН СССР, 1989. 85 с.

4. Комплексная программа научно-технического прогресса стран – членов СЭВ до 2000 г., проблема 1.2.7 “Совершенствование системы образования на основе применения средств вычислительной техники на 1986–1990 гг.”. М., 1990.

5. Временные санитарно-гигиенические нормы и правила устройства, оборудования, содержания и режима работы на персональных электронно-вычислительных машинах и видеодисплейных терминалах в кабинетах вычислительной техники и дисплейных классах всех типов учебных заведений: Временные СанПин №5146-89. М.: Минздрав СССР, ГКНО СССР. 1989. 38 с.

6. Христочевский С.А. Рекомендации по применению средств вычислительной техники и информатики в сфере образования. Препринт ИПИАН. М., 1988. 45 с.