Оглавление

1. Общие принципы построения и архитектуры вычислительных машин, информационно-логические основы вычислительных машин. 1

2. Функциональная и структурная организация вычислительных машин 5

3. Память, процессоры, каналы, интерфейсы ввода вывода вычислительных машин 8

4. Периферийные устройства, режим работы, программное обеспечение вычислительных машин. 17

5. Классификация и архитектура вычислительных сетей. 25

6. Техническое, информационное и программное обеспечение сетей. 30

7. Структура и организация функционирования сетей (глобальных, региональных, локальных) 34

8. Структура и характеристики систем: коммутация и маршрутизация телекоммуникационных систем, цифровые сети связи, электронная почта. 39

1. Общие принципы построения и архитектуры вычислительных машин, информационно-логические основы вычислительных машин.

В основу построения большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированныев 1945 году американским ученым Джоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления.

В основе этого принципа лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программывычислений.

Алгоритм – это конечныйнабор предписаний, определяющий решение задачи путем примененияконечного количества операций.

Из принципа следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другомв определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд.Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длинукоманды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейтине к следующей, а к какой-то другой команде, используются командыусловного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращаетсяпосле достижения и выполнения команды «стоп».Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Принцип однородности памяти.

Программы и данные хранятсяв одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, чтохранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получениянекоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другойпрограммы. На этом принципе основаны методы трансляции –перевода текста программы с языкапрограммирования высокого уровня на язык конкретной машины.

Принцип адресности.

Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областямпамяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских или классических.Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без «счетчика команд», указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

ЭВМ, построенная на принципах, определенных Нейманом, состоит из следующих основныхблоков:

• устройства ввода-вывода (УВВ);

• запоминающего устройства (ЗУ);

• арифметико-логического устройства(АЛУ);

• устройства управления(УУ).

Схема ЭВМ, отвечающая вышеназванным принципам, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема ЭВМ 1-го и 2-го поколений(архитектура фон Неймана)

ЗУ: Оперативные (ОЗУ), Постоянные (ПЗУ) и Внешние (ВЗУ)

ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫЧ.МАШИН

Системы счисления

Системой счисления называется способ изображения чиселс помощьюограниченного наборасимволов, имеющих определенные количественные значения. Систему счисления образует совокупность правил и приемов представления чисел с помощью набора знаков (цифр).

Различают позиционные и непозиционныесистемы счисления. В позиционных системах каждая цифра числа имеет определенный вес, зависящий от позиции цифры в последовательности, изображающей число. Позиция цифры называется разрядом, В позиционной системе счисления любое число можно представить в виде:

(2.1)

где: а_i— i-я цифра числа;

k — количество цифрв дробной части числа;

т — количествоцифр в целой части числа;

N — основание системы счисления.

Основание системы счисления N показывает, во сколько раз «вес» i-го разряда больше(i-1) разряда. Целая часть числа отделяется от дробной части точкой (запятой).

Информация— это сведенияоб окружающем мире и протекающих в нем процессах, воспринимаемые человеком или специализированным устройством, например, ЭВМ, для обеспечения целенаправленной деятельности.

Информация может быть по своей физической природе: числовой, текстовой, графической, звуковой, видео и др. Она также может быть постоянной (не меняющейся), переменной, случайной, вероятностной.

Классическим является подход, использующий формулу К.Шеннона. Применительно к двоичной системе она имеет вид

H = log₂N,

где: Н — количество информации, несущей представление о состоянии, в котором находится объект;

N — количестворавновероятных альтернативных состояний объекта.

Любая информация, обрабатываемая в ЭВМ, должна быть представлена двоичными цифрами{0,1}, т.е. должна быть закодирована комбинацией этих цифр.

Представление числовой информации

В ЭВМ используются три вида чисел: с фиксированной точкой (запятой), с плавающей точкой(запятой) и двоично-десятичное представление. Точка (запятая) — это подразумеваемая граница целой и дробной частей числа.

У чисел с фиксированной точкой в двоичном формате предполагается строго определенноеместо точки (запятой). Обычно это место определяется или перед первой значащей цифрой числа, или после последней значащей цифры числа. Если точка фиксируется перед первой значащей цифрой, то это означает, что число по модулю меньше единицы. Диапазон изменения значений чисел определяется неравенством

2-ⁿ | A₂ |  1-2^-n

Если точка фиксируется после последней значащей цифры, то это означает, что n-разрядные двоичные числа являются целыми. Диапазон изменения их значений составляет:

0 | A₂ |  2^-n -1

Перед самым старшим из возможных разрядов двоичного числа фиксируется его знак. Положительные числа имеют нулевое значение знакового разряда, отрицательные — единичное.

Другой формой представления чисел является представление их в виде чисел с плавающей точкой (запятой). Числа с плавающей точкой представляются в виде мантиссы т_аи порядка р_а.Например, число A₁₀= 373 можно представить в виде 0.373 • 10³, при этом т_а- 0.373, р_а= 3,основание системы счисления подразумевается фиксированным и равным десяти. Для двоичных чисел А₂в этом представлении также формируется мантисса т_аи порядок р_апри основании системы счисления, равном двум:

что соответствует записи

Третья форма представления двоичных чисел — двоично-десятичная.При обработке больших массивов десятичных чисел (например, больших экономических документов) приходится тратить много времени на перевод этих чисел из десятичной системы счисления в двоичную для последующей обработки и обратно — для вывода результатов. Каждый такой перевод требует выполнения двух — четырех десятков машинных команд. С включением в состав отдельных ЭВМ специальных функциональных блоков или спецпроцессоровдесятичной арифметики появляется возможность обрабатывать десятичные числа напрямую, без их преобразования, что сокращает время вычислений. При этом каждая цифрадесятичного числа представляется двоичной тетрадой. Например, A₁₀ =3759, A_2-10 = 001101110101 1001. Положение десятичной точки (запятой), отделяющей целую часть от дробной, обычно заранее фиксируется. Значение знака числа отмечается кодом, отличным от кодов цифр. Например, знак «+» имеет значение тетрады «1100», а знак « - » — «1101».

Представлениедругих видов информации

С развитием микроэлектроники и компьютерных технологий все большее распространение получают цифровые системы передачи данных. В их основу положены процедуры квантованияаналоговой информации по времени и величине.

По скорости изменения обрабатываемых цифровых данныхинформация может быть условно разделена на два вида: статический и динамический. Например, числовая, логическая и символическая информация является статической, так как ее значение не связано со временем. В отличие от перечисленных типов вся аудиоинформация имеет динамический характер. Она существует только в режиме реального времени, ее нельзя остановить для более подробного изучения. Если изменить масштаб времени (увеличить или уменьшить), аудиоинформация искажается. Это свойство иногда используется для получения звуковых эффектов.

Видеоинформацияможет быть как статической, так и динамической. Статическая видеоинформация включает текст, рисунки, графики, чертежи, таблицы и др. Рисунки делятся также на плоские — двумерные и объемные — трехмерные.

Динамическая видеоинформация — это видео-, мультфильмы и слайд фильмы. В их основе лежит последовательное экспонирование на экране в реальном масштабе времени отдельных кадров в соответствии со сценарием.

Динамическая видеоинформация используется либо для передачи движущихся изображений(анимация), либо для последовательной демонстрации отдельных кадров вывода (слайд-фильмы).

По способу формирования видеоизображениябывают растровые,матричные и векторные.

Растровые видеоизображения используются в телевидении, а в ЭВМ практически не применяются.

Матричные изображения получили в ЭВМ наиболее широкое распространение. Изображение на экране рисуетсяэлектронным лучом точками.

Информация представляется в виде характеристик значений каждой точки — пиксела (pictureelement), рассматриваемой в качестве наименьшей структурной единицы изображения. Количество высвечиваемых одновременно пикселов на экране дисплея определяется его разрешающей способностью. В качестве характеристик графической информации выступают: координаты точки (пиксела) на экране, цвет пиксела, цвет фона (градация яркости). Вся эта информация хранится в видеопамяти дисплея. При выводе графической информации на печатьизображение также воспроизводится по точкам.

Изображение может быть представлено и в векторной форме. Тогда оно составляется из отрезков линий (в простейшем случае — прямых), для которых задаются: начальные координаты, угол наклона и длина отрезка (может указываться и код используемой линии). Векторный способ имеет ряд преимуществ перед матричным: изображение легко масштабируется с сохранением формы, является «прозрачным» и может быть наложено на любой фон и т.д.

Способы представления информации в ЭВМ, ее кодирование и преобразование имеют очень большое значение в информационных системах. Они сильно зависят от стандартов, используемых в отдельных странах и фирмах, от типа приобретенного и действующего оборудования и других условий. С появлением вычислительных сетей, в которых информация циркулирует между странами и континентами, претерпевая многократные перекодировки, возникла проблема адекватного ее воспроизведения. Существует множество стандартов (и они продолжают множиться), используемых в сетях связи и представлении данных в ПК (МТК-5, КОИ-7, ДКОИ-8, EBDIC, кодировки DOS, 866, Windows-1251, Западно-европейская и др.).

Для кодирования символьной и текстовойинформации последовательно используетсянесколько систем кодировок. При вводе информации с клавиатуры нажатие определенной клавиши вырабатывает так называемый scan-код, представляющий собой двоичное число, равное порядковому номеру клавиши.