Apie įterptines sistemas labai paprastai (3)

mooro 2 pus

Tęsinys (3) , pradžia Nr.1

Krašto apsauga, visuomenės tvarkos apsauga

Valstybės sienų apsaugos sistemoje aliarmo signalai turi būti įvertinami laiku ir į juos adekvačiai reaguojama. Situacijos stebėjimas tik kamerų monitoriuose neužtikrina geros kontrolės. Vis didesnis poreikis (ir galimybės) atsiranda patikėti vertinti situacijos pavojingumo lygį realiuoju laiku dirbančioms sistemoms, taip apribojant žmogiškojo faktoriaus įtakojamas klaidas. Naktinio matymo prietaisai, radiolokacinės stotys, artilerijos sistemos – visa tai patikima greitai (realiuoju laiku) apdorojančioms gaunamą informaciją sistemoms. Balistinių raketų savaime nusitaikančios sistemos yra ĮS tobulos integracijos pavyzdys (pav. 15).

Trident
Pav.15. Balistinės raketos „Trident“ startas.
Iš Wikipedia.

Naujausia jūrų bazavimo Rusijos trijų pakopų kietojo kuro tarpžemyninė balistinė raketa R30 3M30 „Bulava-30“, (pav. 16) dislokuojama povandeniniuose laivuose – gali nešti nuo šešių iki dešimties manevruojančių individualaus nutaikymo kovinių galvučių.

Kad išvengtų priešinės ugnies iš numatyto taikinio, raketa, lėkdama dideliu greičiu,  priversta manevruoti dideliais pagreičiais ir, būdama visai be ryšio su komandiniu punktu, turi išlaikyti trajektoriją link pasirinkto tikslo. Tai tapo įmanoma tik panaudojant greitąsias ĮS, veikiančias akselerometro ir lazerinio giroskopo rodmenų integratoriaus pagrindu.

Bulava
Pav. 16. „Bulava“, startas. Iš: www.diena.lt
Pav. 17. Balistinės raketos „Bulava“ manevravimo galimybių demonstravimas. Iš: www.dailymail.co.uk

Galimybė panaudoti minėtas balistinių raketų technologijas naujausiuose manevruojančiuose iš savaeigių šarvuotų įrenginių paleidžiamuose raketiniuose sviediniuose atsirado miniatiurizuojant ĮS ir atpigus jų gamybos kaštams. Šiuolaikinių tankų (pav. 18) taikinio atpažinimo, sviedinio trajektorijos skaičiavimo, radiolokacijos, šiluminių šaltinių sekimo, savaiminio nusitaikymo („paleisk ir užmiršk“ sistema), važiuoklės sistemos – viskas valdoma per ĮS borto kompiuterio pagalba.

Abrahams
Pav. 18. Vienas iš labiausiai elektronika „pripakuotų“ tankų – M1 Abrams.
Iš http://weapons-system.blogspot.com

Prieš gerą dešimtmetį Litexpo Parodų rūmuose vykusioje parodoje buvo demonstruojama kompiuterinė sistema, kuri „sausakimšoje“ žmonių minioje realiu laiku atpažįsta ir seka užduotus-pažymėtus objektus. Taigi, čia ne koks nors žioplas policininkas, kuris pameta sekamąjį taikinį, vos užsuka į kavinę spurgų – iš šitokio visai „beaistrio“ seklio dėmesio išsisukti nelengva. Kita medalio pusė – totalitariniams rėžimams tokios sistemos taip pat labai reikalingos.

Policijos gerai aprūpintos (ne tik batais, kojinėmis ir dviračiais bei pensijomis po 20-ties „ištarnautų“ metų) detektyvų arsenale yra (arba nesunkiai prieinami) tokie prietaisai, kaip realiuoju laiku dirbantys balso tembro analizatoriai (net nereikia prikabinėti ant ausų, nosies ar pirštų visokių detektorių, adatėlių ir laidelių), kurie nustato asmenybės esminius bruožus ir įvertina melavimo fakto tikimybę vien tik iš balso per telefoną. Teisėsaugai tarnaujančios priemonės – kvapų analizatoriai, aukšto slėgio skysčių ir dujiniai chromatografai, DNR sekvenatoriai, masės spektrometrai – visi jie sukomponuoti iš daugiau-mažiau greitaeigių ĮS modulių.

Bankininkystė

Elektroninės lustinės mokėjimo kortelės (pav. 19) visam pasaulyje (išskyrus gal tik JAV) baigia išstumti nesaugias magnetines bankinio atsiskaitymo korteles.
Lustas (angl. chip) – mažų gabaritų įtaisas (mikroprocesorius); elektronikoje puslaidininkių kristalas, integrinė mikroschema, techninėje literatūroje – specialus mikroprocesorius.

kortelė
Pav. 19 Lustinės mokėjimo kortelės.
Iš:http://lt.wikipedia.org/wiki/Mokėjimo_kortelė

Magnetines korteles lengva nuskaityt nelegalia įranga ir padirbdinti kopiją. Lustinės yra beveik visiškai saugios, jei niekur neužsirašinėsite pin-kodo. Yra lustinių bekontaktinių kortelių tipas. Jų veikimo principas remiasi magnetinės indukcijos principu – kortelės „ritėje“ indukuojama srovė sužadina kortelės mikroprocesorių, kuris apsikeičia informacijos paketais su indukavusiu įrenginiu. Tokiu pat principu – magnetine indukcija, remiasi ir leidimų į įstaigas sistemos. Nebereikia kortelės net išimti iš piniginės, užtenka tik priartėti prie skaitytuvo pakankamu atstumu.

Japonijoje šiuo metu plinta (buvo bandymų ir Lietuvoje įdiegti) atsiskaitymai už stovėjimo aikšteles, įėjimą į metro – mobiliuoju telefonu, su įdiegta specialia ĮS. Toks bekontaktis atsiskaitymo būdas, kaip teigiama spaudoje, yra visiškai saugus. Telefonas su bankomatu ar nuskaitančia įranga apsikeičia informacijos paketais.

Su ĮS sistemų lustinėse kortelėse panaudojimu glaudžiai siejasi elektroninių pinigų idėja -vienkartiniams nedideliems mokėjimams (įėjimas į metro, stovėjimo laiko aikštelėse apmokėjimui) per mobilųjį telefoną. Jame yra užskaityta tam tikra nedidelė suma (kuri nuolat pasipildoma bankomate). E-pinigai pereina iš vieno įrenginio į kitą pagal tam tikrą algoritmą, nedalyvaujant ryšiui su banku. Patogu, nes nereikalingas pin-kodo surinkimas. Tokia sistema, kaip teigiama kai kurių ekspertų, šiuo metu smarkiai plinta Pietų Korėjoje.

O štai kaip bandoma spręsti tokios sąskaitos saugumo problemas: kadangi mobilusis telefonas yra pakankamai erdvus inkorporuoti sudėtingoms ĮS, tai kuriamos sistemos, kurios analizuoja šeimininko ėjimo stilių įvairiais greičiais, įvairiose situacijose pagal įmontuoto (jau aukščiau minėto) akselerometro rodmenis. Telefonai su akselerometrais yra jau labai seniai, tačiau jų funkcionalumas ribojosi tik žaidimais su šviesos signalinimu pagal aparato judinimo kryptį, išgaunat raidžių, figūrų erdvėje iliuzijas.

Taigi, telefonui patekus į svetimas rankas, ĮS, stebėdama elgsenos braižo pasikeitimą, lengvai nustato, kad šeimininkas pasikeitė ir sąskaitą užblokuoja, tikriausiai apie tai dar pranešdamas bankui. Beje, kas su šia sistema nutiks, jei šeimininkas susilaužo koją ir smagiai šlubuoja? Buvo paminėta, kad jei savininko neatpažįsta, prieš užsiblokuodamas, telefonas paprašo surinkti pin-kodą.

Įrengimų, pagrįstų  ĮS mikroprocesoriais, įvairovė, greitaveika

Jei prisiminsime 8-9 dešimtmečių ribą, palyginsime skaitmeninių „super“ sistemų menkas galimybes su šiuolaikiniais skaičiavimo gigantais, tai tokių pokyčių buvo sunku ir įsivaizduoti.  Jei uždavinys nesutelpa į vieną ar pusantros mašininio laiko minutės – jį mašinų operatoriai statydavo į ilgą eilę. Ilgas nuobodus laukimas. O per tą laiką superkompiuteris BESM-6 (pav. 20) ima ir sugenda, ar kitaip ilgam sutrinka jo darbas. Jei suformuotas uždavinys užimdavo daugiau kaip 5 min – paliekamas nakčiai, dar ilgesni – savaitgaliui. O ten vėl sava laukiančių eilė.

Besm-6
Pav. 20 Tarybinio superkompiuterio BESM-6, sukurto apie 1966 metus ir veikusio 20 metų, mašinų salė.
Iki tol buvusių modelių – pvz. BESM-4 Fizikos-Matematikos fakultete (VVU) dar veikė tranzistorinių grandynų pagrindu.

Kurdami savo smulkiems minutiniams uždaviniams (o tuo labiau ilgesniems) algoritmus, programuotojai užsiiminėdavo visokiomis „gudrybėmis“ – būdavo priversti programinį kodą optimizuoti. Greitindavo programas panaudodami assemblerio kodą, arba pvz. perdarydavo programoje įdėtus vienas į kitą ciklus taip, kad galėdavo mašininį laiką sutrumpintų dešimt – dvidešimt ir daugiau kartų.

moor's low
Pav 21 Mooro dėsnis. http://www.cmg.org

Su mikroprocesorių (MP) technologijų pažanga atsirado naujos miniatiūrizavimo galimybės, sumažėjo skaičiavimo įrenginių gabaritai, atsirado galimybė sukurti galingas asmeninio naudojimo priemones. Mikroprocesorių galia priklausė nuo sutalpinamų elementų tankio – jų kiekio ploto vienete ir su tankiu lygiagrečia augančių aušinimo problemų sprendimo technologijų. Galia dvigubėjo kas 18 mėnesių (pav 21. Moro dėsnis – Moore’s law).

Atsiradus, nors dar primityviems, bet greitiems „personaliniams“ Lietuvoje – vargo su programų greitinimu nebeliko. Koks programuotojui skirtumas,-  ar mašina atlieka vienkartinę užduotį per 0.1 s, ar ištisas 20 s vargsta „stumdydama“ skaičius – jei vis tiek tokio skirtumo vartotojas nepastebės?

Tačiau su ĮS sudėtyje dirbančių mikroprocesorių platesniu naudojimu situacija grįžo į „senus gerus laikus“. Realiuoju laiku dirbančios sistemos priverstos taupyti laiką, tik dabar jau mikrosekundes. Programų optimizavimui, klaidų paieškai reikalingi aukštos kvalifikacijos specialistai – programinio kodo analitikai.

intel4004Cyrix486dx2
Pav. 22. Pirmasis mikroprocesorius Intel 4004. Iš: http://www.cedmagic.com
Pav. 23. Šiuolaikinis mikroprocesorius Cyrix486dx2 tarpinėje gamybos stadijoje, – padengtas apsauginiais sluoksniais ir paruoštas tolesniam cheminiam apdorojimui. Iš: http://micro.magnet.fsu.edu

Kad geriau įsivaizduotume dabartinių ĮS modulių fantastinę greitaveiką, panagrinėkim, kaip veikia paprasčiausias masių spektrometras. Lazerio impulso pagalba išsprogdinamas paduotas į spindulį piko-gramų eilės lašas tiriamosios medžiagos, molekulės fragmentuojamos, fragmentai ionizuojami. Ionai elektros lauke smarkiai pagreitinami, suteikiant visiems vienodo krūvio fragmentams po vienodą energijos kiekį.mas-spektrom

Bet molekulės skrieja link detektoriaus modulio nevienodu greičiu, tai priklauso nuo fragmento masės (tiksliau – krūvio/masės santykio). Taigi, detektoriaus modulis (pažymėtas Nr. 32, pav. 24) šitame įvairiausių įelektrintų fragmentų debesyje nepasimeta, jo specializuotas greitaeigis MP suspėja suskaičiuoti visų fragmentų kiekius ir išmatuoti užgaištą laiką fragmentams pralekiant tik vos apie 80-100 cm kelią. Pamatuoja laiką tokiu tikslumu, kad gali ypatingai tiksliai „pasverti“ molekules ir nustatyti, pvz. kuriame organinės molekulės komplekse yra izotopas 58Ni, o kuriame 58Fe. Nors šiuo atveju fragmentų masės skirtumas – tik 0.002 atominio masės vieneto.

Pirmieji masių spektrometrai veikia truputį kitais principais – lekiančių įelektrintų molekulės fragmentų separavimu kombinuotų elektrinių ir magnetinių jėgų laukuose. Jie pasirodė ir plačiai paplito žymiai seniau, – kol dar nebuvo greitaeigių MS, tačiau ir juose jau buvo naudojami ĮS valdomi moduliai. Specifiniams uždaviniams jie dar naudojami iki šiol.

Sekančiuose skyriuose pabandysiu priminti, parodyti iš neįprastos pusės, visai atrodytų fantastines ĮS mikroprocesorių galimybes. Tai ir pavienių molekulių sraute skaičiavimai, arba nustatymas ant kurio šono apversta vienintelė (organinė) molekulė guli ant specialiai paruošto padėkliuko.DHKolaid

Vienas fantastinis atvejis buvo aprašytas, kada aparatūra (aišku, su specialiomis greitaeigėmis ĮS) „suranda“ kurioje vietoje molekulės orbitoje yra elektronas (nors prisiminsim – mokykloje mums aiškino, kad jis orbitoje delokalizuotas, „išterliotas“ po tam tikrą erdvės dalį, jo vienoje vietoje fiziškai negali būti, nustatoma tik jo buvimo tikimybė). Dabar tokios pačios greičiausios ĮS „įdarbintos“ metų-metams prie Didžiojo hadronų kolaiderio (DHK).

Dar vienas netikėtas IT priemonių kūrimo posūkis – spalvotas vaizdas iš pasaulio, kuriame spalvų neturėtų būti iš viso – kalbu apie visokių rūšių skenuojančius elektroninius mikroskopus. Juk objektai yra daug kartų mažesni už šviesos bangos ilgį. Bet kai susimąstai, – kas gi yra spalvos? O tai tik fiziologinis pojūtis, ir tada tampa labai paprasta. Skirtingų elektroninių savybių paviršiaus taškams priskiriamas atskiras spalvos kodas. O kaip kiekvienas subjektas tą kodą suvokia – tai jo asmeninės fiziologijos reikalas. Tik kiek stebina šiose nuotraukoje  (pav. 26) toks puikus spalvų atsiskyrimas – kontrastingumas.

plauciu Vezys
Pav. 26. Skenuojančiu elektroniniu mikroskopu „nufotografuota“ plaučių vėžio ląstelė.Iš: http://www.technologijos.lt

Panašiu principu gaunami vaizdai atominės jėgos mikroskopu (AJM). Skenuojant objekto paviršių – vyksta elektronų tuneliavimas. Pav. 27, dešinėje  organinio junginio – penkių kondensuotų benzolo žiedų vaizdas, kairėje – skenuojančios paviršių  „adatos“ schematinis vaizdas.

Toks subtilus skenavimas įmanoma todėl, kad makropasaulio – mechaninį judesį galima „dozuot“ – valdyt daug kartų tiksliau, nei kvantinio pasaulio – atskiro elektrono ar atomo. Bet šitoks prietaisas tinkamas ne tik stebėjimui, bet gali būt panaudojamas ir „mechaniniam darbui“  – su juo dideliu tikslumu įmanoma perkėlinėti atomus iš vienos į kitą vietą, galima kurti mikroprocesoriaus detales (įmanoma, bet technologiškai neperspektyvu – užtruktų mėnesius po atomą surenkant paprasčiausią loginų elementų grandinę).

d
Pav. 27. AJM gautas molekulės vaizdas
(straipsnyje teigiama, kad gautas pirmą kartą);
AJM schematizuotas pavaizdavimas.
Iš: http://www.technologijos.lt

Taigi, visuose šiuose pavyzdžiuose greitaeigės ĮS suskaičiuoja ir pamatuoja įvairiais kampais bei greičiais išlėkusių iš objekto elektronų savybes, pagal tas charakteristikas paviršiaus elementui kompiuterio atmintyje suteikiamas kodas, kuriam gali būt priskirtas spalvinis indeksas.

Pabaiga – kitame Nr.