Вычислительные машины, сети и телекоммуникац. системы_ Пятибратов А.П. и др_УМК_ЕАОИ, 2009 -292с
.pdfМеждународный консорциум «Электронный университет»
Московский государственный университет экономики, статистики и информатики
Евразийский открытый институт
А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко
Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы
Учебно-методический комплекс под редакцией профессора Пятибратова А.П.
Москва, 2009
УДК 004
ББК 32.973.202 П 994
Авторы:
Пятибратов Александр Петрович, доктор технических наук, профессор Гудыно Лев Петрович, кандидат технических наук, доцент
Кириченко Александр Аполлонович, кандидат технических наук, профессор.
Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А.
П 994 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СЕТИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ: Учебно-методический комплекс. – М.: Изд. центр ЕАОИ. 2009. – 292 с.
ISBN 978-5-374-00108-2
Излагаются принципы построения, архитектура, функциональная и структурная организация, основные устройства и звенья вычислительных машин, сетей и телекомму- никационных систем. Рассматриваются их программное обеспечение, функционирова- ние и перспективы развития.
Пособие предназначено для студентов и слушателей всех форм обучения с исполь- зованием дистанционных образовательных технологий, а также для преподавателей высших и средних специальных учебных заведений.
Основная цель настоящего учебно-практического пособия – познакомить студентов и специалистов, профессиональная деятельность которых связана с применением ЭВМ и компьютерных сетей, с широким кругом вопросов, касающихся принципов построения и организации функционирования компьютеров, вычислительных сетей и телекоммуни- кационных систем, технологии передачи и обработки информации.
УДК 004
ББК 32.973.202
ISBN 978-5-374-00108-2 |
© Пятибратов Александр Петрович, 2008 |
|
© Гудыно Лев Петрович, 2008 |
|
© Кириченко Александр Аполлонович, 2008 |
|
© Оформление. Евразийский открытый институт, 2008 |
Содержание |
|
Введение............................................................................................................................................ |
4 |
Тема 1. Принципы построения компьютера ........................................................................ |
8 |
1.1. История и тенденции развития вычислительной техники..................................... |
8 |
1.2. Основные характеристики и классификация компьютеров................................... |
14 |
1.3. Принципы построения компьютера............................................................................. |
20 |
1.4. Структурные схемы и взаимодействие устройств компьютера............................. |
22 |
1.5. Кодирование информации............................................................................................. |
29 |
1.6. Вычислительные системы................................................................................................ |
36 |
1.6.1. Классификация вычислительных систем.......................................................... |
36 |
1.6.2. Архитектура вычислительных систем................................................................ |
40 |
1.6.3. Типовые структуры вычислительных систем................................................... |
42 |
1.6.4. Кластеры..................................................................................................................... |
47 |
1.7. Перспективы развития компьютеров............................................................................ |
50 |
1.7.1. Альтернативные пути развития элементной базы......................................... |
52 |
Тест ............................................................................................................................................... |
54 |
Тренировочные задания к разделу 1.................................................................................... |
55 |
Тема 2. Функциональная и структурная организация ЭВМ ........................................... |
56 |
2.1. Организационное функционирование ЭВМ смагистральной архитектурой........ |
56 |
2.2. Организационные работы ЭВМ при выполнении задания пользователя.......... |
58 |
2.3. Центральное устройство ЭВМ........................................................................................ |
60 |
2.3.1. Состав, устройство и принцип действия основной памяти.......................... |
60 |
2.3.2. Центральный процессор ЭВМ.............................................................................. |
64 |
2.3.3. Система визуального отображения информации (видеосистемы)............. |
71 |
2.4. Периферийные устройства ЭВМ................................................................................... |
78 |
2.4.1. Клавиатура................................................................................................................. |
78 |
2.4.2. Принтеры................................................................................................................... |
80 |
2.4.3. Мультимедийные устройства ввода-вывода..................................................... |
82 |
2.5. Внешние запоминающие устройства (ВЗУ)................................................................. |
89 |
2.5.1. Внешние запоминающие устройства (ЗУ) на гибких магнитных дисках....... |
89 |
2.5.2. Накопитель на жестком магнитном диске ........................................................ |
93 |
2.5.3. Стример...................................................................................................................... |
95 |
2.5.4. Оптические запоминающие устройства ............................................................ |
96 |
2.6. Система прерываний ЭВМ............................................................................................... |
99 |
2.7. Инструментальные средства контроля и диагностики ЭВМ.................................. |
102 |
Тест................................................................................................................................................ |
103 |
Тренировочные задания к разделу 2.................................................................................... |
103 |
Тема 3. Программное обеспечение .......................................................................................... |
104 |
3.1. Структура программного обеспечения компьютера................................................ |
104 |
3.2. Операционные системы ................................................................................................... |
107 |
3.3. Системы автоматизации программирования............................................................. |
113 |
3.4. Пакеты программ............................................................................................................... |
116 |
3.5. Режимы работы ЭВМ......................................................................................................... |
119 |
Тест................................................................................................................................................ |
125 |
Тренировочные задания к разделу 3.................................................................................... |
127 |
Тема 4. Характеристика компьютерных сетей ..................................................................... |
128 |
|
4.1. Основные сведения о компьютерных сетях (КС) ....................................................... |
128 |
|
4.2. Эталонная модель взаимодействия открытых систем.............................................. |
141 |
|
4.3. Управление доступом к передающей среде................................................................ |
141 |
|
4.4. Информационная безопасность в компьютерных сетях.......................................... |
150 |
|
4.5. Типы сетевой связи и тенденции их развития............................................................ |
155 |
|
4.6. Линии связи и их характеристики................................................................................. |
157 |
|
4.7. Передача дискретных данных на канальном уровне............................................... |
163 |
|
4.8. Передача дискретных данных на неканальном уровне........................................... |
170 |
|
4.9. Обеспечение достоверности передачи информации............................................... |
172 |
|
4.10. Маршрутизация пакетов в сетях................................................................................. |
176 |
|
4.11. Способы коммутации в ТКС........................................................................................ |
179 |
|
4.12. Сети и технологии Х.25 и Frame Relay....................................................................... |
184 |
|
4.13. Сети и технологии ISDN и SDH .................................................................................. |
189 |
|
4.14. Сети и технологии АТМ................................................................................................ |
192 |
|
4.15. Спутниковые сети связи................................................................................................ |
195 |
|
Тест |
................................................................................................................................................ |
197 |
Тренировочные задания к разделу 4.................................................................................... |
199 |
|
Тема 5. Компьютерные ...........................................................сети и сетевые технологии |
200 |
|
5.1. ......................................................................... |
Характеристика и особенности ЛКС |
200 |
5.2. .............................................................. |
Протоколы и технологии локальных сетей |
204 |
5.3. ............................. |
Сетевое коммуникационное оборудование локальных сетей |
212 |
5.4. ....................................... |
Программное обеспечение и функционирование ЛКС |
218 |
5.5. ....................................................... |
Принципы построения , функции и типы ГКС |
225 |
5.6. ........................................................... |
Сеть Internet. Семейство протоколов ТСР /IP |
231 |
5.7. ..................................................................................................... |
Адресация в ТР - сетях |
237 |
5.8. ............................................................................. |
Прикладные сервисы сети Internet |
241 |
5.9. ............................................. |
Клиентское программное обеспечение сети Internet |
249 |
5.10. Функции, характеристики и типовая структура корпоративных |
|
|
....................................................................................... |
компьютерных сетей ( ККС ) |
252 |
5.11. .................................................................................Программное обеспечение ККС |
259 |
|
5.12. ..........................................................................................Сетевое оборудование ККС |
263 |
|
5.13. ...........................................Развитие компьютерных сетей и телекоммуникаций |
267 |
|
............................................................ |
5.13.1 Пути развития компьютерных сетей |
267 |
............................... |
5.13.2. Перспективы развития телекоммуникаций в России |
270 |
Тест................................................................................................................................................ |
|
275 |
Тренировочные ....................................................................................задания к разделу 5 |
276 |
|
Заключение...................................................................................................................................... |
277 |
|
Решения ...........................................................................................тренировочных заданий |
279 |
|
Вопросы .............................................................................................................для повторения |
283 |
|
Вопросы .......................................................................................................................к экзамену |
284 |
|
Толковый ..........................................................................................................................словарь |
286 |
|
Список .......................................................................................рекомендуемой литературы |
290 |
4
Введение
Введение
Электронные вычислительные машины (ЭВМ), или компьютеры (от англ. compute
– вычислять, подсчитывать), – одно из самых удивительных творений человека. Простейшие устройства для облегчения счета появились в глубокой древности, не-
сколько тысячелетий назад. По мере развития человеческой цивилизации они медленно эволюционировали, непрерывно совершенствуясь. Однако только в 40-е годы XX столетия было положено начало созданию вычислительных машин современной архитектуры и с со- временной логикой – современных электронных вычислительных машин. За исторически очень короткий срок компьютеры – благодаря огромным успехам электроники – проделали такой путь в своем техническом совершенствовании, масштабах применения и влияния на человеческое общество, с каким не сравнится никакое другое изобретение человечества, включая атомную энергию и космическую технику. Да и последние не могли бы получить столь мощного развития безиспользования достижений вычислительной техники.
Кратко характеризуя темпы развития вычислительной техники, можно сослаться на образное сравнение в журнале «Сайнтифик Америкэн» (декабрь 1982 г.): «Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как и про- мышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолет «Боинг-767» стоил бы 500 долларов, совершал бы облет земного шара за 20 минут, затрачивая при этом 5 галло- нов (примерно 20 литров) топлива». Приведенные цифры весьма ярко отражают относи- тельное снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ.
Компьютер в первую очередь является машиной – не существующим в природе, а созданным человеком объектом, предназначенным для умножения природных возмож- ностей человека. В отличие от инструментов, приспособлений и механизмов компьютер, как и любая машина, не использует для своего функционирования физическую силу (энергию) человека. При работе слюбой машиной человеквыполняет только функцию управления.
Компьютер является особенной – вычислительной, информационной машиной, усиливающей не физические возможности человека, а его способность к вычислениям, накоплению и обработке информации, выполняющей разного рода вычисления или об- легчающей этот процесс.
Основные функциональные элементы компьютера построены с помощью элек- тронных приборов, с использованием современной наиболее развитой технологии обра- ботки сигналов, на базе применения достижений электроники. Возможно построение вычислительных машин на другой материальной базе: история знает механические, на- ши современники – оптические, а футурологи предсказывают появление биологических вычислительных машин.
По способу представления информации вычислительные машины разделяют на три группы:
•аналоговые вычислительные машины (АВМ), в которых информация представле- на в виде непрерывно изменяющихся переменных, выраженных какими-либо фи- зическими величинами;
•цифровые вычислительные машины (ЦВМ), в которых информация представлена в виде дискретных значений переменных (чисел), выраженных комбинацией дис- кретных значений какой-либо физической величины (цифр);
•гибридные вычислительные машины, в которых используются оба способа пред- ставления информации.
Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. Основным дос-
тоинством ЦВМ, определившим их широкое распространение и преобладание среди всех ЭВМ, является то, что точность получаемых с их помощью результатов вычислений не
5
Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы
зависит от точности, с которой они сами (т.е. ЦВМ) изготовлены, в отличие от АВМ. Этим объясняется и тот факт, что первое известное аналоговое вычислительное устройство – логарифмическая линейка – появилось лишь в XVII в., тогда как самыми древними циф- ровыми средствами для облегчения вычислений были человеческая рука и подручные предметы – камешки, палочки, косточки и т.п.: «Цифровое» приспособление для счета – абак – был известен уже древним египтянам.
Понятие «вычислительная система» (ВС) появилось позже понятия «вычислитель- ная машина» и является более общим, т. к. в структуре ВС есть нескольких равноправных и взаимодействующих обрабатывающих устройств. Таким образом, классическая вычис- лительная машина представляет собой всего лишь один из возможных видов ВС – одно- процессорную ВС.
ВС – это комплекс технических средств, имеющих общее управление, пред- назначенный для преобразования информации и обеспечивающий автома- тическую обработку данных по заданной программе.
Определение
Важную роль в развитии вычислительной техники, средств обработки информа- ции и управляющих устройств, являющихся основой автоматизации в различных сферах человеческой деятельности, сыграло появление микропроцессоров. Неослабевающий ин- терес к микропроцессорам объясняется такими их свойствами, как низкая стоимость, вы- сокая надежность, компактность и значительные вычислительные и функциональные возможности, позволяющие применять их даже там, где использование средств цифровой обработки информации ранее считалось нецелесообразным.
В любой стране достижение высоких экономических и социальных результатов в значительной степени зависит от масштабов и темпов информатизации общества, ис- пользования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности.
Информатизацию можно рассматривать как процесс преобразования про- изводственно-хозяйственных, научных и социально-бытовых структур путем производства информации, необходимой для выработки и реализации ре- шений, направленных на достижение качественно новых результатов дея-
Определение тельности человека, на базе внедрения и использования средств вычисли- тельной техники, связи и информационных технологий.
Несмотря на различие процессов информатизации в различных областях челове- ческой деятельности, ее объединяют три составляющие: единство основных средств про- изводства (средства вычислительной техники и информации), единство сырья (данные, подлежащие анализу и обработке), единство выпускаемой продукции (информация, ис- пользуемая для управления и совершенствования деятельности человека).
Инфраструктура информатизации включает системы коммуникаций, вы- числительных машин и сетей, программное обеспечение этих систем; ин- формационные средства; систему подготовки кадров для эксплуатации ап- паратного, программного и информационного обеспечения; экономические и правовые механизмы, обеспечивающие эффективное развитие процесса информатизации.
Ключевая роль в современной инфраструктуре информатизации принадлежит системам телекоммуникаций и компьютерным сетям, в которых сосредоточены новей-
6
Введение
шие средства вычислительной техники, информатики, связи, а также самые прогрессив- ные информационные технологии. Именно они обеспечивают пользователям широкий набор информационно-вычислительных услуг с доступом к локальным и удаленным машинным ресурсам, технологиям и базам данных.
По мере развития сетей с начала 70-х годов расширяется перечень предоставляе- мых ими услуг и повышается их уровень.
7
Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы
ТЕМА 1.
Принципы построения компьютера
1.1. История и тенденции развития вычислительной техники
Первые электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились немногим более 50 лет назад. За это время микроэлектроника, вычислительная техника и вся индустрия информатики стали одними из основных составляющих мирового научно-технического прогресса. Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека про- должает расширяться. В настоящее время ЭВМ используются не только для выполнения сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании, здравоохранении, экологии и т.д. Это объясняется тем, что ЭВМ способны обрабатывать любые виды информации: числовую, текстовую, табличную, графическую, звуковую, видеоинформацию.
Первая электронная вычислительная машина ENIAC была построена в 1946 г. в рамках одного научно-исследовательского проекта, финансируемого министерством обороны США. Годом ранее Дж. фон Нейман издал статью, в которой были изложены основные принципы построения компьютеров. В основу проекта был положен макет вы- числителя, разработанный американцем болгарского происхождения Дж. Атанасовым, занимавшимся крупномасштабными вычислениями. В осуществлении проекта принима- ли активное участие такие крупные ученые, как К. Шеннон, Н. Виннер, Дж. фон Нейман и др. С этого момента началась эра вычислительной техники. С отставанием в 10-15 лет стала развиваться и отечественная вычислительная техника.
Математические основы автоматических вычислений к этому времени были уже разработаны (Г. Лейбниц, Дж. Буль, A.Тьюринг и др.), но появление компьютеров стало возможным только благодаря развитию электронной техники. Многократные попытки создания разного рода автоматических вычислительных устройств (от простейших счет до механических и электромеханических вычислителей) не позволяли построить надеж- ные и экономически эффективные машины.
Появление электронных схем сделало возможным построение электронных вы- числительных машин.
Электронная вычислительная машина, или компьютер – это комплекс аппа-
ратных и программных средств, предназначенный для автоматизации под- готовки и решения задач пользователей (рис. 1).
Определение
8
Принципы построения компьютера
Рис. 1. Состав ЭВМ (компьютера)
ЭВМ (компьютер)
Аппаратные средства |
|
Программные средства |
|
|
|
Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обра- ботка данных. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных ра- бот, программисты, операторы. Как правило, время подготовки задач во много раз пре- вышает время их решения.
Компьютеры являются универсальными техническими средствами автоматизации вычислительных работ, то есть они способны решать любые задачи, связанные с преобра- зованием информации. Однако подготовка задач к решению на ЭВМ была и остается до настоящего времени достаточно трудоемким процессом, требующим от пользователей во многих случаях специальных знаний и навыков.
Для снижения трудоемкости подготовки задач к решению, более эффективного использования отдельных технических, программных средств и ЭВМ в целом, а также об- легчения их эксплуатации каждая ЭВМ имеет специальный комплекс программных средств. Обычно аппаратные и программные средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.
Структура представляет собой совокупность элементов и их связей. В зависимости от контекста различают структуры технических, программных, аппаратно-программных и информационных средств.
Часть программных средств обеспечивает взаимодействие пользователей с ЭВМ и является своеобразным «посредником» между ними. Она получила название операционная система и является ядром программного обеспече- ния ЭВМ.
Определение
Под программным обеспечением будем понимать комплекс программных средств регулярного применения, предназначенный для создания необходимого сервиса для работы пользователей.
Программное обеспечение (ПО) отдельных ЭВМ и вычислительных систем (ВС) может сильно различаться составом используемых программ, который определяется классом используемой вычислительной техники, режимами ее применения, содержанием вычислительных работ пользователей и т.п. Развитие ПО современных ЭВМ и ВС в зна- чительной степени носит эволюционный и эмпирический характер, но можно выделить закономерности в его построении.
Рассмотрим основные вехи и тенденции развития компьютеров, их аппаратных и программных средств (табл. 1).
9
Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы
Таблица 1
Автоматизация подготовки и решения задач на ЭВМ
Поко- |
|
|
Этапы подготовки и решения задач |
|
|||
Постановка |
Выбор |
|
Программи- |
Организац. |
Получение |
Решение за- |
|
ления |
задачи |
алгоритма |
|
рование на |
вычислит. |
машин. |
дачи |
ЭВМ |
|
|
|
Вх языке |
процесса |
программы |
|
I |
П О |
Л Ь З |
|
О В А |
Т Е |
Л Ь |
Аппаратура |
|
|
|
|
|
|
|
|
II |
П О Л |
Ь З О |
|
В А Т |
Е Л Ь |
Прог. |
Аппаратура |
|
|
|
|
|
|
средства |
|
III |
П О Л Ь |
З О В А Т |
|
Е Л Ь |
|
Програм. |
Аппаратура |
|
|
|
|
|
|
обеспечен. |
|
IV |
П О Л Ь |
З О В А Т |
|
Е Л Ь |
Прогр |
аммное |
Аппаратура |
|
|
|
|
|
обеспечен |
ие |
|
V |
ПОЛЬЗО |
ВАТЕЛЬ |
|
Про |
граммное |
|
Аппаратура |
|
|
|
|
обеспе |
чение |
|
|
VI |
|
|
|
|
|
|
|
В общем случае процесс подготовки и решения задач на ЭВМ предусматривает обязательное выполнение следующей последовательности этапов:
1)формулировка проблемы и математическая постановка задачи;
2)выбор метода и разработка алгоритма решения;
3)программирование (запись алгоритма) с использованием некоторого алгоритми- ческого языка;
4)планирование и организация вычислительного процесса – порядка и последова- тельности использование ресурсов ЭВМ и ВС;
5)формирование «машинной программы», то есть программы, которую непосредст- венно будет выполнять ЭВМ;
6)собственно решение задачи – выполнение вычислений по готовой программе.
По мере развития вычислительной техники автоматизация этих этапов идет снизу
вверх.
На пути развития электронной вычислительной техники можно выделить четыре по- коления ЭВМ, отличающихся элементной базой, функционально-логической организацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристиками, степенью доступа к ЭВМ со стороны пользователей. Смене поколений сопутствовало изменение основных технико-эксплуатационных и технико- экономических показателей ЭВМ и в первую очередь таких, как быстродействие, емкость па- мяти, надежность и стоимость. При этом одной из основных тенденций развития было и оста- ется стремление уменьшить трудоемкость подготовки программ решаемых задач, облегчить связь операторов с машинами, повысить эффективность использования последних. Это дик- товалось и диктуется постоянным ростом сложности и трудоемкости задач, решение которых возлагаетсянаЭВМвразличныхсферахприменения.
Возможности улучшения технико-эксплуатационных показателей ЭВМ в значи- тельной степени зависят от элементов, используемых для построения их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение в первую оче- редь, как правило, характеризуется используемой элементной базой.
Основным активным элементом компьютеров первого поколения являлась элек- тронная лампа, остальные компоненты электронной аппаратуры – это обычные резисто- ры, конденсаторы, трансформаторы. Для построения оперативной памяти уже с середи-
10