Аппаратные средства вычислительной системы

Любой компьютер в своем составе имеет набор аппаратных средств, принятых объединять термином аппаратной конфигурации компьютера. Как правило, компьютеры имеют блочно-модульную структуру, что облегчает понимание их работы.

Архитектуру компьютера, предельно упрощая, можно представить себе как шину, с которой связаны различные функционирующие элементы, каждый из которых имеет свое назначение (рис.4.1)

 

 

Рис.4.1. Функциональная схема компьютера

 

Основным устройством, в котором происходит обработка информации, является процессор. Существует большое число процессоров, отличающихся своей производительностью. Наиболее популярными являются процессоры Intel Pentium III, Intel Pentium 4, Celeron, AMD Athlon и некоторые другие. Существуют также двухъядерные процессоры, отличающиеся более высокой производительностью. Основными параметрами процессора, определяющими его производительность, является его разрядность, тактовая частота и размер кэш-памяти.

Разрядность процессора показывает величину информации в битах, которую он может обработать за один раз. В настоящее время наибольшее распространение получили 32-разрядные процессоры. Однако появились также 64-разрадные процессоры, производительность которых выше.

Другой параметр процессора – рабочая тактовая частота, показывающая, с какой скоростью обрабатывается информация в процессоре. Современные процессоры имеют тактовую частоту порядка 1-3 ГГц, т.е. выполняют до 1–3 млрд тактов операций в секунду. Находящаяся в микросхеме процессора кэш-память существенно ускоряет его работу, сокращая время обращения процессора к относительно медленно работающей оперативной памяти. Для большего ускорения на современных компьютерах применяется кэш-память 2-го и даже 3-го уровней. Объем кэш-памяти может достигать нескольких сот Кбайт.

Оперативная память (RAM – Random Access Memory – память со свободным доступом) – предназначена для временного хранения программ и данных и представляет собой набор микроячеек, состоящих из микроконденсаторов (DRAM-память) или транзисторов (SRAM-память). У каждой из этих видов памяти свои преимущества и недостатки. Оперативная память – энергозависимая, т. е. с выключением компьютера все данные и программы в ней стираются. Поэтому при работах с высокой ответственностью, например, при компьютерной томографии, на входе вычислительной системы обязательно устанавливается источник бесперебойного питания (ИБП), который аккумулирует электроэнергию и при аварийном прекращении электроснабжения позволяет компьютерной системе находиться некоторое время в работоспособном состоянии. Емкость оперативной памяти составляет обычно 128–512 Мбайт, иногда больше (до 1 Гбайта). В отдельных случаях, как, например, в системах с реконструкцией трехмерных изображений, оперативная память может составлять несколько Гбайт. Время доступа к данным оперативной памяти очень мало и составляет всего 2–5 нс (миллиардных долей секунды).

Долговременная внутренняя память – жесткий диск, или винчестер, представляет собою набор пластин, быстро вращающихся в герметическом корпусе. Это энергонезависимая память и, следовательно, программы и данные хранятся в ней неопределенно длительное время, даже при выключенном компьютере. Емкость современных винчестеров составляет десятки, и даже сотни Гбайт. Время доступа к данным у современных винчестеров составляет 5–10 мкс. Необходимо заметить, что в настоящее время появились жесткие съемные диски, которые можно переносить с одного компьютера на другой. Поэтому характеристика винчестеров именно как устройства внутренней памяти сейчас носит условный характер.

В качестве устройств внешней памяти каждый системный блок компьютера имеет несколько дисководов: гибких дисков, компакт-дисков (CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD, DVD-R, DVD-RW). Емкость памяти данных дисков различна – от 650 Мбайт до 17 Гбайт. В качестве накопителей информации в медицинских системах используют также стримеры – накопители на магнитной ленте. Их емкость достигает сотни Гбайт. Удобным средством хранения информации стали флэш-карты. Их емкость может достигать 3,2 Гбайт. Включаются они в разъем USB системного блока.

Устройствами ввода информации в компьютер обычно являются клавиатура и мышь. В некоторых случаях используются сканер, фотокамера, аналого-цифровой преобразователь, дигитайзер.

К устройствам вывода информации относится монитор. Как известно, существует два класса мониторов: на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ-мониторы) и жидкокристаллические (LCD) мониторы. Важным свойством монитора является его разрешение. Если пользователь работает в офисном режиме, т. е. с обычными документами, то разрешение 17-дюймового ЭЛТ-монитора или 15-дюймового LCD-монитора должно составлять не менее 1024х768 пикселей. При работе же с медицинскими изображениями применяют мониторы большего размера – 19–21 дюйм. При этом минимальное разрешение допускается 1280х1024 пикселей.

Важной характеристикой мониторов является частота регенерации кадров. У хороших ЭЛТ-мониторов она составляет 75–85 Гц, у лучших моделей – 100 Гц. Для LCD-мониторов такая частота смены кадров 75–85 Гц является пределом. Важной характеристикой монитора является «шаг маски», так как он определяет четкость изображения. Обычно шаг маски не превышает 0,24 мм.

Для специальных видов работ (в том числе и в медицине) иногда применяют мониторы с горизонтальной ориентацией дисплея – «ландшафтный монитор» или с вертикальной его ориентацией – «портретный монитор».

В практике работы с медицинскими изображениями на рабочих станциях и с медицинскими аппаратно-компьютерными комплексами используются специальные «медицинские мониторы». Их размер составляет 20–21 дюйм. У таких мониторов разрешение весьма высокое – 2560х2048 пикселей, высока также яркость изображения – до 250 fL (фут-ламберт) и цветовое разрешение. Заметим, что такую же яркость имеют негатоскопы – устройства для чтения рентгеновских снимков. У обычных мониторов яркость экрана составляет 25–30 fL. Кроме того, у медицинских мониторов менее выражена деградация светочувствительного слоя при

продолжительной его эксплуатации. Рис.4.2. Струйный принтер

Они работают, как правило, в 24-разрадном

режиме, что позволяет передать 16,5 млн оттенков цветов – «полноцветный режим» (режим True Color), частота смены кадров достигает 100 Гц, а шаг маски не превышает 0,2 мм.

В качестве устройств вывода в офисной работе обычно используют принтеры – лазерные или струйные (рис. 4.2), редко – матричные и светодиодные. Разрешающая способность лазерных и струйных принтеров колеблется в зависимости от модели изготовителя в пределах 600 dpi (dots per inch – точек на дюйм). В практической деятельности медицинского учреждения с работами офисного характера следует отдать предпочтение черно-белым лазерным принтерам.

Необходимо учесть, что некоторые медицинские изображения имеют цветной характер. В таких случаях для получения такого изображения на бумаге предпочтительнее использовать цветной струйный принтер, так как он намного дешевле цветного лазерного. В сложных медицинских аппаратно-компьютерных системах, таких как, например, рентгеновские компьютерные или магнитно-резонансные томографы, распечатку результатов исследования осуществляют на лазерных или инфракрасных камерах. Данные ультразвукового исследования обычно представляются в виде светодиодных копий.

Существенная роль в работе медицинского служащего отводится средствам ввода данных в компьютер. В офисной работе чаще всего используются сканеры, обычно планшетного типа, которые позволяют вводить в компьютер, а затем в документ как графическую, так и текстовую информацию. Планшетный сканер (рис. 4.3) обычно имеет формат А3 или А4. Он может быть транспарентным или работать в отраженном свете. С помощью транспарентногосканера можно водить Рис.4.3 Планшетный сканер

в компьютер слайды или рентгенограммы,

затем их программно обрабатывать и сохранять в электронном виде или передавать по телекоммуникационным каналам связи. Сканер, работающий в отраженномсвете, предназначен для введения в компьютер документов и графических изображений.

Преобразование бумажного документа в электронную форму выполняют с помощью программы FineReader, которая работает через драйвер TWAIN. Он открывает окно, позволяющее производить тщательную настройку сканера (рис.4.4.):

Рис. 4.4. Рабочее окно интерфейса TWAIN с отсканированной страницей

 

Рис.4.5 Рабочее окно программы FineReader с распознанным

электронным документом

На втором этапе производится распознавание текста, т. е. превращение его из электронной копии в электронный документ (рис. 4.5).

В открывшемся Рабочем окне определяется электронная версия отсканированного текста, который можно редактировать и работать с ним как с электронным документом. Для удобства пользователя в нижней части Рабочего окна отображается вспомогательное окно Крупный план.

Важной характеристикой сканера является его разрешение. Типичным вариантом планшетного сканера для офисного применения является разрешение 600–1200 dpi. Сканеры профессионального типа, а именно их рекомендуется использовать в медицине при работе с транспарентными изображениями, например, рентгенограммами, должны иметь разрешение 1200–300 dpi. Другой важной характеристикой планшетного сканера является динамический диапазон, обозначаемый D – логарифм отношения яркости наиболее светлых участков изображения к наиболее темным его участкам. Офисный сканер имеет диапазон около 1,5–2,0D, динамический диапазон профессионального сканера, предназначенного для транспарентных изображений, составляет 2,5–3,5D.

 

 

Классификация компьютеров

 

Выполнение медицинских задач с помощью компьютеров требует их особой классификации, несколько отличающейся от общепринятых группировок. Прежде всего, необходимо выделить суперкомпьютер как особый класс приборов, предназначенный для решения задач глобального характера. Применительно к медицине с помощью суперкомпьютера был разгадан геном человека, что, по понятным причинам, приведет к большому числу важных решений в сфере науки и практического здравоохранения. Суперкомпьютер – очень дорогая и сложная компьютерная машина (рис.4.6)

 

Рис.4.6. Суперкомпьютер Cray XI, состоит из 4096 процессоров, оперативная память составляет 65 536 Гбайт, пиковая производительность 52,4 Тфлопс

 

В настоящее время в списке Тор500 (500 самых высокопроизводительных суперкомпьютеров) лидирует фирма IBM. Ее суперкомпьютер Blue Gene/L состоит из 65 536 процессоров. Его пиковая производительность составляет 280,6 Тфлопс (триллионов операций в секунду!). Практическое применение таких суперкомпьютеров в медицине маловероятно.

Второй вариант увеличение производительности компьютеров – создание кластеров. Кластер – это набор вычислительных узлов (самостоятельных компьютеров), связанных высокоскоростной сетью и объединенных в

Рис.4.7.Сервер логическое целое программным обеспечением.

Кластеры значительно дешевле суперкомпьютеров и проще в обслуживании. Их задача – выполнение высокоскоростных параллельных вычислений, которые используются в сетевых технологиях, в том числе в медицине.

Меньшим по производительности является компьютер, именуемый сервером (рис.4.7). Обычно он состоит из 4–5 многоядерных процессоров, имеет большую оперативную память и несколько шлюзов для подключения клиентов. Серверы являются обычно связующим центром локальных компьютерных сетей или узлом в Интернете (хост-компьютеры).

Значительным прорывом в информационных технологиях, в том числе и в медицине явилось создание персонального компьютера (ПК). Он буквально революционизировал информационное состояние общества, позволив впервые вычислительную технику сделать доступной для широких масс населения.

Роль персонального компьютера в медицине трудно переоценить. В настоящее время он повсеместно распространен практически во всех лечебных учреждениях. Он стал основным индивидуальным инструментом для всей офисной работы, которая резко преобразилась. Она стала продуктивнее и более качественной. ПК явился основанием для создания рабочих станций, локальных компьютерных сетей. Особенно широкую популярность приобрел ПК в Рис.4.8.Настольный ПК

связи с развитием Интернета,

когда он стал основным инструментом выхода в Глобальную компьютерную сеть, средством общения людей на расстоянии и доступа к мировым достижениям культуры, науки, образования.

В принципе, независимо от конкретного предназначения, ПК имеет стандартные блоки: системный блок, клавиатура, монитор и мышь. В качестве дополнительных атрибутов к нему прилагаются динамики,

сканер, графический планшет и некоторые другие вспомогательные устройства. В зависимости от размеров и других форм-факторов различают настольные (desktop) (рис.4.8) и портативные ПК: ноутбуки (notebook) (рис.4.9) и карманные ПК (palmtop)(рис.4.10.).

По уровню специализации ПК делят на универсальные, т.е. предназначенные для широкого класса работ и специализированные. В медицинской практике широко используется оба этих типа.

Рис.4.9. Ноутбук Большую популярность приобрели портативные

ПК – ноутбуки и карманные ПК. Они позволяют работать вне зоны лечебного учреждения, а также, используя доступные средства связи, соединяться с производственным или домашним компьютером и, кроме того, выходить в Интернет.

Для удобства работы с карманным компьютером в стационарных условиях созданы мобильные комплексы (рис. 4.11), которые облегчают

Рис.4.10. Карманный компьютер Рис.4.11 Мобильный компьютерный

комплекс

 

обработку информации, особенно если она связана с графикой или большим объемом. В составе такого комплекса имеется большой жидкокристаллический монитор, жесткий съемный диск и клавиатура. Как правило, такой комплекс имеет выход в Интернет.

Общепринятой классификации ПК не существует. До последнего времени действует сертификационный стандарт РС99-РС2002, в соответствии с которым ПК делятся на следующие типы:

1. Массовый компьютер(Consumer PC).

2. Деловой ПК (Office PC).

3. Портативный ПК (Mobile PC).

4. Рабочая станция(Workstation PC).

5. Развлекательный ПК (Entertainment PC0).

Конечно, подобное деление весьма условно и давно переросло свои рамки. Массовые (домашние) компьютеры теперь по производительности не уступают офисным (деловым). Все зависит от архитектуры компьютера и его оснащенности оборудованием. За рубежом, например, существуют фирмы, где часть сотрудников вообще работает дома (это, естественно, не касается медицины), общаясь с фирмой и со своим руководством по Интернету и по нему же передавая выполненную работу.

Рабочие станции в настоящее время представляют очень мощный компьютер, оснащенный высокопроизводительной системой визуализации (видеоадаптер, монитор) и развитым программным обеспечением. Рабочими станциями комплектуются почти все современные сложные медицинские аппараты, предназначенные для визуализации внутренних органов.

Развлекательный компьютер приобрел черты мультимедийного аппарата с великолепной полифонией и визуальной системой представления данных. Следует учитывать, что многие развлекательные программы идут сейчас в режиме online (естественно, при широкополосном доступе в Интернет), и, кроме того, имеют, как правило, трехмерную графику.

Изменилась роль портативных компьютеров. Они стали не только средством работы вне дома или учреждения, но незаменимым помощником для доступа в Интернет.

Возникло новое поколение переносных аппаратов, так называемых гаджетов – портативных устройств, сочетающих в себе набор разнообразных приспособлений для работы и связи – портативный компьютер, органайзер, телефон, к которому нередко добавлена еще видеокамера.