Шпоры схемотехника и пис сети

1.1 Иерархия структуры ЭВМ. Узел ЭВМ. Элемент ЭВМ. Классификация элементов ЭВМ. Интегральная микросхема. Система параметров логических элементов.

Иерархия структуры ЭВМ:

ЭВМ может рассматриваться, как некоторая совокупность устройств, каждое устройство - как совокупность узлов, каждый узел - как совокупность элементов (Элементы -> Узлы -> Устройства -> ЭВМ -> Вычислительные системы и сети).

Узел ЭВМ - совокупность элементов, которая обеспечивает реализацию элементарных действий (микроопераций) при выполнении машинных операций.

Элемент ЭВМ - наименьшая функциональная часть, на которые может быть разделена ЭВМ (устройство или узел) при проектировании и технической реализации.

Классификация элементов ЭВМ:

По функциональному назначению элементы ЭВМ делятся на:

• логические (для реализации одной из функций алгебры логики);

• запоминающие (для хранения одного разряда двоичного числа);

• вспомогательные (для генерации и формирования импульсов, преобразования уровней сигналов, индикации и др. функций).

По типу используемых в элементах сигналов

• цифровые элементы

• аналоговые элементы.

По способу кодирования входных и выходных сигналов

• импульсными

• потенциальными.

В настоящее время практическое применение в основном нашли потенциальные цифровые элементы, у которых уровни логических «О» и «1» кодируются различными уровнями напряжения.

Цифровые элементы (ЦЭ) могут быть изготовлены

• в виде конструкций из дискретных (навесных) компонентов (транзисторов, резисторов, диодов и др.),

• в виде интегральных микросхем (ИМС).

ИМС (интегральная микросхема) - микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования или хранения информации и имеющее высокую плотность компоновки элементов, которое рассматривается как единое целое (ГОСТ 17021- 88).

Параметры логических элементов:

Реальный логический элемент (ЛЭ), реализующий некоторую логическую функцию F, может быть представлен простейшей моделью (рис. 1).

F = f(x_1lx₂)

Рис. 1. Модель логического элемента

Задержка характеризует быстродействие элемента. При переключении из «О» в «1» и из «1» в «О» она, как правило, различна. Средняя задержка при переключении из 1 в 0 и обратно составляет 20 нс.

При использовании ИМС также важны их электрические параметры:

• напряжение источника питания U_ип;

• средняя потребляемая мощность, равная полусумме мощностей, потребляемых микросхемой в двух состояниях («1» и «0») - Р_пот;

• ток потребления в состояниях «1» и «0» - I₁ и I₀;

• нагрузочная способность (коэффициент разветвления по выходу N) - число входов-нагрузок, которое может быть подключено к выходу ИМС.

1.2 Сравнительная характеристика цифровых ИМС различных технологий. Технологии ТТЛ, ТТЛ(Ш). Базовые логические элементы ТТЛ и ТТЛ(Ш). Технологии КМОП (КМДП), их достоинства и недостатки.

Внутренняя структура ЛЭ определяется «логикой». Логика - способ соединения транзисторов и других компонентов электронных схем между собой в пределах одного логического элемента для реализации некоторой функции алгебры логики.

С началом производства ИМС получила распространение транзисторно-транзисторная логика – ТТЛ (серии ИМС К155, К131. К134 и др.).

Главным недостатком первых разработок ТТЛ являлась большая потребляемая мощность в основном из-за глубокого насыщения транзисторов выходного каскада. Этот параметр был значительно улучшен в технологии ТТЛ-Ш на основе транзисторов Шотки. В ТТЛ-Ш используется принцип ненасыщенного транзисторного ключа. Параллельно переходу База-Коллектор биполярного транзистора в прямом направлении подключен диод Шотки.

Технологию ТТЛ-Ш следует рассматривать как разновидность ТТЛ. Напряжение питания всех ИМС ТТЛ одинаково (5В+10%), входные и выходные логические уровни также совместимы, что является необходимым условием совместного применения ИМС различных серий ТТЛ. Основная номенклатура ИМС ТТЛ имеет средний уровень интеграции. Базовым элементом основных серий ТТЛ является элемент И-НЕ. Рассмотрим структуру базового элемента 2И-НЕ, приведенную на рис. 3 и 4. Номиналы резисторов даны применительно к серии К155.

Рис. 3 (1) Базовый элемент 2И-НЕ ТТЛ (К155ЛА3 содержит 4 элемента 2И-НЕ).

Рис. 4 (2) Базовый элемент 2И-НЕ ТТЛ-Ш (К555ЛА3).

В состав базового элемента входят:

• VT1 - многоэмиттерный транзистор, реализующий входную логику;

• VT2 - транзистор фазоинверсного каскада;

• VT3, VT4 - двухтактный выходной каскад (усилитель мощности), VT2 - VT4 вместе образуют сложный инвертор;

• VD1, VD2 - защитные (антизвонные) диоды, защи­щающие многоэмиттерный транзистор входной логики от пробоя сигналом обратной полярности.

Схема приведена без обозначения номиналов. Различие номиналов резисторов в различных сериях ИМС ТТЛ(Ш) определяет быстродействие и энергопотребление. В приведенной схеме логического элемента транзисторы выходного каскада обычные, биполярные. В ряде серий ТТЛ-Ш в выходных каскадах также транзисторы Шотки. Это определяется требуемым соотношением быстродействия и энергопотребления. Так, логические элементы серии К555 (ТТЛ-Ш) имеют в пять раз меньшую потребляемую мощность по сравнению с серией К155 (ТТЛ) при одинаковом быстродействии.

Логические уровни ТТЛ (К155): U_o < 0,4В; U₁>2,5B. ТТЛ-Ш (К555): U₀<0,5B; U₁ > 2,7В.

В общем случае U₁<0,5; U₀>2,5

Примеры корпусов ТТЛ(Ш) изображены на рисунке 4:

К155ЛР3 - 2-2-2-3-И-4-ИЛИ-НЕ с расширением по ИЛИ

К155ЛР1 - Два логических элемента 2-2И-2ИЛИ-НЕ, один расширяемый по ИЛИ

К155ЛД1 - Два четырехвходовых логических расширителя по ИЛИ

КМОП – полевой транзистор с изолированным затвором, индуктированным каналом n или p типа с соединением истока с подложкой. Комплементарные транзисторы, это 2 транзистора, которые имеют одинаковые характеристики, но разные виды проводимости (один p проводимость, другой n).

Технология КМОП (КМДП) с использованием полевых (униполярных) транзисторов. Полевые транзисторы с диэлектриком на основе окислов кремния принято называть МОП-транзисторами (металл - окисел - полупроводник). При использовании других диэлектриков транзисторы называют МДП-транзисторами (металл - диэлектрик - полупроводник).

Структура МДП-транзистора и принцип его работы

Рис. 5 (3) Принцип функционирования МДП (МОП) – структур

В кристалле чистого кремния, который называют подложкой, диффузией созданы легированные области противо­положного по сравнению с подложкой типа проводимости.

Это области стока и истока. Металлические электроды затво­ра, стока и истока изготовлены из алюминия, вольфрама или молибдена. В качестве диэлектрика используется оксид кремния, нитрид кремния или оксид алюминия. При U_3И > U_ПОР между n - областями образуется канал n - типа (электронная проводимость). Такой канал называют индуцированным (U_ПОР - пороговое напряжение, при котором начинает возникать n-канал).

Характеристики технологии КМДП:

• высокое входное сопротивление (до 10¹² Ом), т.е. малое потребление от источника сигнала;

• малое потребление от источника питания;

• широкий диапазон питающих напряжений (от 3 до 15В);

• высокая нагрузочная способность (до 1000 входов ИМС КМДП).

Из недостатков можно отметить несовместимость с технологией ТТЛ(Ш).

1.3 Типы выходных каскадов логических элементов. Логический выход. Выход типа «открытый коллектор». Элементы с тремя состояниями. Применение различных типов выходных каскадов.

Логический выход (ЛВ) формирует два уровня напряжения: U₀, U₁ (рис. 6). Выходное сопротивление его стремятся сделать малым, способным развивать большие выходные токи для перезаряда емкостных нагрузок и, следовательно, для получения большого быстродействия. Это основной тип выхода ТТЛ и ТТЛ-Ш. Пример ЛВ можно увидеть на рис.1 из альбома.

Рис. 6 ЦЭ с логическим выходом

Чаще всего ЛВ реализуется двухтактным выходным каскадом, состоящим из двух транзисторов одной проводимости (квазикомплементарным) в отличие от комплементарного выходного каскада (на двух транзисторах разной проводимости).

Для поочередного включения выходных транзисторов необходим промежуточный каскад, состоящий из транзистора VT1, резисторов R2 и R3, который называется фазоинверсным. Каскад имеет два выхода: коллекторный и эмиттерный, сигналы на которых находятся в противофазе. Таким образом, если открыт верхний (по схеме) выходной транзистор, а нижний заперт, то это состояние соответствует уровню логической единицы U₁, и. наоборот, если верхний заперт, а нижний открыт, то это уровень логического нуля U₀. Верхний транзистор является ненасыщаемым.

Однако какое-то время при переключении оба транзистора открыты, что создает бросок тока значительной вели­чины, так называемый сквозной ток I_скв (рис. 7). Это явление необходимо учитывать при синтезе цифровых устройств, как источник помех.

Рис. 7 Сквозной тик при переключении ЦЭ с ЛВ

Выходы цифровых элементов этого типа нельзя соединять параллельно.

Логические элементы с выходом типа открытый коллектор (ОК) применяются в качестве буферных для включения сегментов индикаторов, ламп накаливания, светодиодов, промежуточных реле. Коллектор выходного транзистора элемента «висит в воздухе», т.е. цифровой элемент «нуждается в достройке». Нагрузка в коллекторной цепи отсутствует рис. 8. Для функционирования элемента необходим внешний резистор, либо другая нагрузка, соединенная с положи­тельным полюсом источника питания (для n-р-n- транзисторов). Транзистор в насыщении - «О», заперт - «1».

Рис. 8 ЦЭ с выходом типа ОК и его УГО

При использовании нескольких элементов ОК, работающих на общую нагрузку, получим операцию И монтажной логики (рис. 9).

Рис. 9 Монтажная логика на основе ЦЭ с выходом типа ОК

Элементы с тремя состояниями (ТС) иначе называются тристабильными схемами. Кроме состояний «0» и «1» они имеют состояние «отключено» (высокоимпедансное состояние - состояние высокого сопротивления). Работу элемента можно проиллюстрировать эквивалентной схемой с трехпозиционным переключателем (рис. 10,а). Если в положениях переключателя 1 и 2 элемент находится соответственно в состояниях «1» и «О», то в положении 3 выход отключен как от положительного полюса источника питания, так и от общего провода («схемной земли» GND).

Рис. 10 Принцип работы ЦЭ с выходом типа ТС и его УГО

При двухтактном выходе это состояние можно получить, если обеспечить запертое состояние обоих транзисторов выходного каскада. Сигнал управления третьим состоянием обычно обозначается ОЕ (Output Enable).

При ОЕ=1 - на выходе функция F(bx), при ОЕ=0 - выход не определен. Условное графическое обозначение элемента приведено на рис. 10,б.

Элементы ТС входят в состав БИС микропроцессорных комплектов, что позволяет осуществлять магистрально-модульный принцип построения МПС. Выход с тремя состояниями имеют шинные формирователи, буферные регистры, большая часть ИМС памяти.

1.4 Совместная работа элементов в составе цифровых узлов и устройств. Паразитные связи по цепям питания в цифровых устройствах. Механизм возникновения помех. Развязывающие конденсаторы.

При совместной работе в составе ЦУ цифровые элементы оказывают взаименое влияние друга друга. Эти влияния надо учитывать при разработке производстве и эксплуатации ЦУ.

Паразитные связи по цепям питания

Идеальный источник питания – источник с нулевым внутренним сопротивлением (г_вн=0), однако в реальных ЦУ источник питания и цепи питания имеют внутреннее сопротивление. При переключении ЦЭ в цепях питания создаются кратковременные импульсные токи, т.е. элемент становится источником помех для соседних элементов, соединенных с ним цепями питания.

Поясним механизм возникновения помехи (рис. 11). Импульс сквозного тока переключающегося элемента (ЦЭ 1) I_скв протекает через транзисторы выходного каскада от ис­точника питания U_ип на общую точку схемы GND («схемную землю») через линии, имеющие полные сопротивления Z_ип и Z_gnd.

Рис. 11(6) Возникновение паразитных связей по цепям питания

Таким образом, ЦЭ2 будет запитан на какое-то время пониженным напряжением и, если на его выходе единичный сигнал, то уровень логической единицы может оказаться ниже допустимого. ЦЭЗ может воспринять это значение, как сигнал логического нуля. Для борьбы с этими помехами нужны шины питания с возможно более низким сопротивле­нием и установка фильтрующих конденсаторов (рис. 12).

Рис. 12 Установка развязывающего конденсатора

При наличии в схеме фильтрующего конденсатора С_ф импульс сквозного тока будет замыкаться через него. Очевидно, конденсатор С_ф должен иметь соответствующую для этого емкость. Эта емкость называется развязывающей. Также необходима «хорошая земля» с возможно более малым сопротивлением. Эти требования излагаются в РТМ - руководящем техническом материале на соответствующую серию ИМС.

Так в РТМ на серию К155 говорится:

5.1. Рекомендуется разводку шин питания производить в одном слое печатной платы, а шин «земля» в другом, соседнем. При наличии свободной площади в слое рекомендуется использовать ее для увеличения поверхности шины земля.

5.2. На платах необходимо предусмотреть установку развязывающих конденсаторов из расчета не менее 0,1 мкФ на микросхему для исключения влияния низкочастотных помех. Конденсатор устанавливают вблизи разъема. Развязывающие емкости по высокой частоте должны быть равномерно распределены по всей площади платы относительно ИМС из расчета: один конденсатор на группу не более чем 10 ИМС емкостью не менее 0,002 мкФ на микросхему.

1.5 Помехи в линиях связи при передаче сигналов. Перекрестные помехи в линиях связи при передаче сигналов. Искажения сигналов в несогласованных линиях. Понятие волнового сопротивления. Способы борьбы с помехами.

Перекрестные помехи порождаются взаимным влиянием близко расположенных ЛС. Пусть ЛС - источник помехи близко расположена к линии, испытывающей воздействие помехи. Тогда между ними существует связь через паразитную емкость С_пом. Такая цепь может быть представлена эквивалентной схемой замещения, представленной на рис. 13.

Рис. 13 Возникновение перекрестной помехи

Схема (а) и графики (б), поясняющие механизм возникновения перекрестной помехи приведены на рис. 14.

Рис. 14 К пояснению явления перекрестной помехи

Здесь R_вых1 R_вх2 - выходное сопротивление передающего элемента ЦЭ₁ и входное сопротивление приемного элемента ЦЭ₂.

U_вых2 - напряжение помехи, поступающее на вход приемного элемента ЦЭ₂.

R - эквивалент параллельного соединения сопротивлений R_вых1 и R_вх2.

R=( R_вых1 * R_вх2) / ( R_вых1 + R_вх2)

Таким образом, получили схему замещения: эквивалентный генератор—> источник помехи —> дифференцирующая цепочка —> приемный элемент.

Выводы:

1. Для уменьшения величины помехи необходимо снижать емкость С_пом, т.е. по возможности исключать близкое параллельное размещение длинных ЛС. При передаче сигнала на большие расстояния использовать коаксиальные кабели и витые пары.

2. Очевидно, величина помехи тем больше, чем выше крутизна фронта сигнала помехи. Однако крутизна фронта определяет быстродействие.

Искажение сигналов в несогласованных линиях.

При передаче гармонического сигнала существует по­нятие «длинная линия». Линия считается «длинной», если ее длина соизмерима с длиной волны передаваемого сигнала. Импульсные сигналы характеризуются широким спектром, и говорить о длине волны для них затруднительно.

Скорость распространения сигнала по линиям связи:

V=V_c/√E

где V_c = 30 см/нс - скорость света в вакууме, E - диэлектри­ческая постоянная среды, в которой распространяется сигнал.

Практически V= 15-20 см/нс. Поведение длинной линии резко отличается от поведения короткой.

Схема замещения длинной линии представлена на рисунке 15. Здесь L и С -значения индуктивности и емкости, приходящиеся на единицу длины (погонные значения).

Рис. 15 (7) Схема замещения длинной линии цепочкой LC-звеньев

Волновое сопротивление:

Z₀ =√L*C.

Фактически волновое сопротивление показывает отношение напряжения к току в точке линии, которой достигает волна. Пока волна распространяется в линии - это отношение постоянно.

В конце линии все зависит от нагрузки. Если R_H = Z_0, то отношение u/i сохраняется и сигнал целиком поглощается нагрузкой (идеальный вариант). Если R_H не равно Z₀, то отношение напряжения к току сохраниться не может и происходит искажение - появление отраженной волны, которая распространяется обратно к началу линии.

Параллельное согласование заключается в том, что в конце линии включают резистор R= Z₀, называемый «терминатором» (рис. 16), чтобы сделать сопротивление нагрузки равным волновому (входное сопротивление логического элемента значительно превышает Z₀).

Рис. 16 (8) Параллельное согласование волновых сопротивлений

Рис. 17 (9) Последовательное согласование волновых сопротивлений

Недостатком способа является то, что терминатор потребляет значительную мощность, так как его сопротивление невелико (R=Z0 = 50-100 Ом).

1.6 Логические элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Реализация логики И-ИЛИ-НЕ в ТТЛ. Возможности ее расширения по ИЛИ. Примеры ИМС И- ИЛИ-НЕ. Логические расширители.

Далее ссылаемся на рисунки из альбома схем (см. приложение А)

Начать с базового элемента 2И-НЕ (рисунок 1). Более сложная реализация на рисунке 5. Логика или реализуется - параллельно фазоинверсному транзистору подключается еще входная логика и получаем 2И-ИЛИ-НЕ. Логический расширитель не является самостоятельной ИМС, и используется только в составе микросхеме типа ЛР (логика расширяемая). Дальше рисунок 4 с примерами ИМС К155ЛА3 2-2-2-3И-ИЛИ-НЕ с возможностью расширения по ИЛИ. 2 логических э-та 2-2И-ИЛИ-НЕ один из которых с расширением по ИЛИ. (ЛД – логика добавочная). Два четырех входовых расширителя по ИЛИ

1.7 Вспомогательные элементы ЭВМ. Реализация элементов задержки. Простейший генератор импульсов на основе логического элемента и элемента задержки. Элементы индикации, физические принципы их работы и конструктивное исполнение.

Вспомогательные элементы ЦУ

К числу вспомогательных отнесем элементы, не выполняющие логические операции или запоминание данных, но необходимые для построения цифровых устройств: элементы задержки, формирования и генерации импульсных сигналов, а также их визуальной индикации.

Элементы задержки

Должны быть стабильными, с управлением времени задержки. Элементы цифровых сигналов требуются для временного согласования распространения сигналов по различным путям цифровых устройствах. УГО элемента задержки приведено рис. 24. Задержки могут быть из: отрезок коаксиального кабеля, цепочки логических элементов, RC цепочки, одновибраторы.

Рис. 18 Элемент задержки

Наиболее типичным вариантом реализации являются цепочки ЛЭ и RC-цепочки. Так как каждый ЛЭ характеризуется конкретным значением задержки сигнала (например, для ИМС K155ЛA3 время задержки сигнала составляет 19 нс), то, составив из них цепочку, можно эти задержки суммировать. Задержку можно регулировать, изменяя число ЛЭ, учитывая при этом фазу сигнала. Годится этот метод приблизительно для реализации задержек до 100 нс. Задержку сигнала на большее время получают включением в цепь передачи сигнала RC-цепочки. Схема генератора с RC-цепочкой приведена на рис. 19.

Рис. 19 (10) Элемент задержки на основе RC-цепочки

Напряжение на емкости будет изменяться экспоненциально по закону U_C=U₁ (1 –е^-t/T), где T=RC.

Если считать пороговым уровнем середину логического перепада сигнала, то t_зад=RC*In2 = 0,7 RC

После RC-цепочки необходимо усиление для восста­новления крутизны фронта, для чего в схеме три инвертора. RC-цепочки используются для реализации задержки дли­тельностью до единиц миллисекунд.

Генераторы импульсов (ГИ) строятся на логических элементах и элементах задержки. Простейшая схема ГИ приведены на рис. 20.

Рис. 20 ГИ на основе элемента задержки

Последовательность импульсов, где длительность импульса равна длительности паузы, называется симметричной. Отношение периода следования импульсов (Т) к длительности импульса (t_имп) называется скважностью (Q).

Q=T/t_имп=(t_имп+ t_{паузы) /} t_имп

Элементы индикации (ЭИ) могут быть сложными, та­кими, например, как дисплеи, и простыми - отдельные инди­каторы на один двоичный разряд. Преобразование электрических сигналов в видимое излучение может быть основано на различных физических явлениях:

• светоизлучение полупроводниковых структур (свето­диоды и светодиодные матрицы);

• оптические явления в жидких кристаллах (жидкокри­сталлические индикаторы);

• электролюминесценция (индикаторы вакуумные ИВ);

• газоразрядные процессы (плазменные панели).

Рис. 21

Семисегментные индикаторы (ССИ) предназначены для индикации символов алфавита (цифр какой-либо системы счисления) и бывают двух типов - с общим анодом и с общим катодом. В первом случае светодиод зажигается низким уровнем, во втором - высоким.

Рис. 22 Пример ИМС для управления ССИ

Для управления индикаторами удобны ЛЭ с выходом типа ОК и выходом типа ОЭ. Для логического управления ССИ разработаны специальные ИМС-дешифраторы ССИ. Пример такой ИМС приведен на рисунке 29:

• К514ИД1 для ССИ с общим катодом (выход ОЭ, ис­пользуемый индикатор АЛ304А, Б);

• К514ИД2 для ССИ с общим анодом (выход ОК, исполь­зуемый индикатор АЛ305А, Б).

Жидкокристаллические индикаторы (ЖК-индикаторы) - одно из основных средств вывода информации для современных цифровых систем. Обеспечивают хорошую различимость и низкое энергопотребление. В отличие от светодиодных индикаторов, ЖК-индикаторы в темноте не светятся. В них под действием электрического поля меняются лишь свойства отражения и преломления света. В качестве источника света могут использоваться светодиоды.

1.8 Проблемы построения комбинационных узлов. Статические и динамические риски. Типовые ситуации при построении цифровых узлов и устройств. Режим неиспользуемых входов ЛЭ. Режим неиспользуемого элемента.

Узлы есть комбинационные (без памяти) (сигнал на выходе зависит только от комбинации входных сигналов) и последователльностные (сигнал на выходе зависит не только от входов, но и от сигнала, который запомнился в элементе).

Во время переходных процессов на выходах комбинационных автоматов появляются временные сигналы, называемые «рисками». Они могут быть восприняты элементами памяти устройства, что может исказить работу всего ЦУ. Различают статические и динамические риски.

Статические риски - кратковременные изменения сигнала, который должен оставаться неизменным («1» или «0»). Если состояние выхода должно измениться всего один раз, но вместо этого во время переходного процесса происходят многократные изменения состояния, то имеют место динамические риски.

И статические и динамические риски вызваны тем, что последовательное прохождение сигналов от входов к выходу происходит по цепям с разными задержками. Рассмотрим процесс формирования выходного сигнала в логической схе­ме, приведенной на рис. 23. Сигналы (F1,F2,F3), поступаю­щие на входы выходного элемента F, формируются по цепям с различным числом последовательно включенных логических элементов.

Рис. 23 Формирование выходного сигнала в логической схеме

При равенстве задержек логических элементов (t_зад) значения выходов установятся:

F₁- через 2 t_зад;

F₂ - через 3 t_зад;

F₃ - через t_зад;

Т.о. за время 3 t_зад + t_зад (учитывая задержку элемента F) состояние выхода элемента F может неоднократно измениться. Для исключения возможных сбоев работы ЦУ есть два пути:

• Схемный путь (ввести избыточные элементы для устра­нения явления рисков);

• Синхронизация (запрет съема сигнала с выхода узла до завершения переходного процесса).

Чаще используется второй путь - такие структуры называются синхронными.

Типовые ситуации при построении узлов и устройств. Режим неиспользуемых входов.

Пусть требуется конъюнкция пяти переменных, а име­ются элементы И с восемью входами. Возможные вариан­ты их использования приведены на рисунке 24.

Рис. 24 К режиме неиспользуемых входов

Рассмотрим эти варианты.

a) Незадействованные входы оставить свободными. Для ТТЛ-Ш и КМОП незадействованный вход эквивалентен подачи на него высокого уровня

в) Незадействованные входы соединить с задействованными входами. Вариант допустим для всех технологий с учетом нагрузочной способности передающего элемента.

с) На незадействованные входы подать высокий уровень U₁. Допустимо для всех технологий.

Как получить уровни логических нуля и единицы (монтажные константы «О» и «1»). Возможные вар-ты монтажных констант приведены на рис. 24.

Рис. 24 Варианты монтажных констант

Для всех технологий монтажным нулем (константой «0») является соединение с общим проводом GND (рис.24,а).

Монтажная единица (константа «1») для ТТЛ(Ш) может быть получена двумя способами (рис. 24,б,с):

• выход элемента И-НЕ, на входы которого поданы кон­станты «0;

• положительный полюс источника питания через рези­стор сопротивлением 1 КОм (для серии К155 возможно раз­ветвление на 20 входов).

Для ИМС технологии КМОП монтажной единицей яв­ляется положительный полюс источника питания - +U_пит.

Режим неиспользуемого элемента.

1.9 Кодопреобразующие узлы. Дешифраторы. Их реализация в ИМС. Наращивание размерности дешифраторов. Двоичные и приоритетные шифраторы.

Дешифраторы

Дешифратором называется узел ЭВМ, имеющий К входов и, как правило, 2^К выходов, у которого каждой входной комбинации соответствует единичный сигнал только на од­ном из выходов.

Дешифраторы являются кодопреобразующими узлами. Они преобразуют параллельный двоичный код в код «1 из N». Дешифраторы бывают полные (2^квыходов) и усеченные (менее 2^К выходов).

Входы дешифратора обозначаются либо номерами разрядов входного параллельного двоичного кода, либо весами разрядов входного кода (рис. 27). Выходы нумеруются, как правило, начиная с «О» и заканчивая «2^К».

Рис. 27 Варианты обозначения входов дешифратора

Как правило, у дешифраторов в микросхемном исполнении могут быть один или несколько сигналов управления EN (Enable).

DC могут иметь как прямые, так и инверсные выходы. У дешифратора с инверсными выходами активизированным выходом считается тот выход, на котором в текущий момент времени низкий уровень.

Внутренняя структура дешифратора зависит от числа входов и выходов, а также от количества входов используемых элементов И. Схемотехнически дешифратор представляют собой совокупность элементов «И» (или элементов «И-НЕ» - для дешифратора с инверсными выходами). Как правило, для формирования выходного сигнала входная перемен­ная не используется, а используется ее двойная инверсия для разгрузки источника сигнала (рис. 28).

Рис. 28 Разгрузка источника входного сигнала в ИМС DC

Дешифраторы относятся к быстродействующим узлам, поскольку задержка при формировании выходного сигнала невелика. При сравнительно простой внутренней структуре они имеют большое число внешних входов и выходов. Как известно, корпуса ИМС с большим числом выводов изготовлять сложно, и они дороги. С этой точки зрения дешифраторы неудобны для микросхемного исполнения. Максимальное число выходов ИМС-дешифраторов - шестнадцать (дешифраторы 4-16).

Наращивание размерности DC. Малая разрядность дешифраторов в микросхемном исполнении ставит вопрос о наращивании их размерности. Построим дешифратор 5-32 на основе дешифраторов 3-8 (рис.29).

Рис. 29 Двухступенчатый дешифратор 4-32

Имеется дешифраторы 3-8 с входом разрешения ЕN, а их необходимо взять четыре (исходя из требуемого числа выходов), образуют дешифратор первой ступени. В качестве дешифратора второй ступени используется дешифратор 2-4, выбирающий своим сигналом нужный дешифратор первой ступени. Общее разрешение работы - вход ЕN дешифратора второй ступени.

Шифратором называется узел ЭВМ, преобразующий сигнал на одном из входов в двоичный код, соответствующий номеру входа (адресу), на который подан сигнал.

Двоичные шифраторы выполняют операцию, обратную по отношению к дешифратору: они преобразуют код «1 из N» в параллельный двоичный код. Полный двоичный шифратор имеет 2^к входов и К выходов.

УГО шифратора на восемь входов и 3 выхода (шифратор 8 -3).

Пусть требуется построить шифратор на 8 входов и 3 выхода. Удобнее функцию шифратора пояснять таблицей кодирования, несколько отличающейся от таблицы истинности логической функции, реализуемой узлом.

Рис. 30 УГО шифратора 8-3 (а) и его таблица соответствия (б)

В левом столбце таблицы помещается обозначение номера входа Yj. Разрабатываемый шифратор должен вырабатывать на выходе трехразрядный двоичный код, соответствующий номеру входа, на который подан входной сигнал, На основе таблицы функционирование шифратора может быть представлено системой логических функций:

Ao=Y1vY3vY5vY7; a₁ = Y₂vY₃vY₆vY₇; а₂ = Y ₄ vY ₅v Y ₆vY ₇.

Таким образом, для построения функциональной схемы шифратора понадобятся логические элементы ИЛИ на четыре входа (4ИЛИ).

1.10 Мультиплексоры и демультиплексоры. Определение и условное графическое обозначение мультиплексора и демультиплексора. Дешифратор-демультиплексор. Универсальные логические модули (УЛМ). Реализация УЛМ на мульти­плексоре.

Мультиплексоры и демультиплексоры

В различном оборудовании ЭВМ нужны электронные аналоги различных коммутаторов и переключателей. Эти функции выполняют мультиплексоры и демультиплексоры. Мультиплексоры осуществляют подключение одного из входных каналов к выходному каналу под управлением адресного слова. Очевидно, у мультиплексора должно быть несколько входов и один выход. Мультиплексоры способны выбирать, селектировать определенный канал. Поэтому их еще называют селекторами. Используется и двойное название: селекторы-мультиплексоры.

Условно одноразрядный мультиплексор (на примере мультиплексора 8-1) может быть представлен эквивалентной схемой с многопозиционным механическим переключателем (рис 31).

Рис. 31 Эквивалентная схема мультиплексора

Входы мультиплексора делятся на информационные и адресные.

В интегральном исполнении мультиплексоры, как правило, одноразрядные, не более 16-1, т.е. 16 информационных входов и один выход. При необходимости коммутации многоразрядных слов используют несколько одноразрядных мультиплексоров. Также мультиплексоры могут иметь входы разрешения работы. Условное графическое обозначение мультиплексора 8-1 приведено на рис.32,а. В основном поле у мультиплексора обозначение MUX (допускается MS).

Рис. 32 УГО мультиплексора (а) и дешифратора-демультиплексора (б)

Пример ИМС мультиплексора: К155КП1 - селектор- мультиплексор данных 16-1 со стробированием.

Демультиплексоры - выполняют операцию обратную операции мультиплексора - передают данные из одного входного канала в один из нескольких выходных. УГО демультиплексора приведено на рис 32,б.

В основном поле у демультиплексора обозначение DMX (используется также DM).

Дешифратор с входом разрешения работы (EN) будет работать в режиме демультиплексора, если на вход EN подавать входной информационный сигнал. Поэтому в целях большей универсальности элементной базы во многих сериях ИМС имеются дешифраторы-демультиплексоры

Пример: ИМС К155ИДЗ - дешифратор-демультиплексор 4-16 с инверсными выходами, может быть использован в ка­честве дешифратора с 4 входами и 16 инверсными выходами. ИМС имеет два инверсных входа разрешения дешифрации Е0 и Е1 (действующим является низкий уровень U₀), связанных логикой И. Один из этих входов может быть использован как логический (информационный) при использовании ИМС в качестве демультиплексора данных. В этом режиме входы А0-А3 используются как адресные, а на неиспользуе­мый вход разрешения следует подать напряжение низкого уровня.

Дешифраторы могут быть использованы для получения переключательных функций любого вида, описываемых СДНФ. Используя дешифратор и элемент ИЛИ с числом входов, равным числу конституэнт единицы в СДНФ, можно реализовать любую логическую функцию с числом входных логических переменных равным числу выходов дешифратора.

Пусть задана переключательная функция в символической форме: F(x_1,x₂,x₃)₈= 0,1,4,6,7[2,3,5].

Видно, что у функции пять рабочих наборов. Следовательно СДНФ функции содержит пять конституэнт единицы от трех переменных. Выходы дешифратора 3-8 реализуют все конституэнты единицы переключательных функций от трех переменных. Объединив по ИЛИ нужные конституэнты единицы, получим искомую функцию F (рис. 33).

Рис. 33 Реализация ПФ на дешифраторе и элементе ИЛИ

Универсальные логические модули

Универсальные логические модули (УЛМ) относятся к узлам, настраиваемым для реализации той или иной переключательной функции. УЛМ может быть реализован на основе мультиплексора.

Адресные входы мультиплексора определяют число аргументов, информационные входы определяют число значе­ний функции. Так для функции от двух аргументов нужен мультиплексор 4-1 (4 - количество информационных входов, при этом число адресных входов - 2). Суть реализации заключается в том, что каждому информационному входу ста­вится в соответствие значение переключательной функции на соответствующем номеру входа наборе аргументов путем подачи на входы констант «О» или «1». Подавая на адресные входы аргументы, выбираем на выход значение функции, со­ответствующее набору аргументов. На рис. 34,а представлен УЛМ, включенный для реализации переключательной функ­ции «неравнозначность» (сумма по mod 2), таблица истинно­сти ПФ - рис. 34,б.

Рис. 34 Реализация УЛМ на мультиплексоре

1.11 Арифметико-логические автоматы. Арифметико-логические автоматы. Комбинационные сумматоры. Условное графическое обозначение и таблица истинности одноразрядного комбинационного сумматора. Этапы синтеза ФЭС сумматора. ИМС сумматоров.

Комбинационные сумматоры

Сумматором называется узел ЭВМ, выполняющий математическую операцию сложения кодов двоичных чисел. ЭВМ оперирует с многоразрядными двоичными числами. Многоразрядные двоичные сумматоры могут быть построены на одноразрядных сумматорах. Сумматор составляет основу АЛУ любого типа, так как машинные алгоритмы выполнения всех арифметических операций предполагают однократное или многократное сложение двоичных кодов чисел в сумматоре.

Сумматоры могут быть комбинационными и накапли­вающими. Накапливающие сумматоры содержат элементы памяти (триггеры) и относятся к классу дискретных автоматов с памятью, в настоящее время из-за низкого быстродействия практически вышли из применения. Комбинационный сумматор не имеет элементов памяти и формирует на выходе сумму поступающих в рассматриваемый момент времени входных чисел.

Для понимания принципов построения и функционирования сумматора следует вспомнить правила сложения двоичных чисел:

В последнем случае результат оказался двоичным двух­разрядным числом. Появившаяся в старшем разряде суммы единица называется единицей переноса. Перенос возможен в разрядах многоразрядного сумматора, начиная со второго, поэтому в этих разрядах возможен случай сложения трех единиц - одноименных единичных разрядов слагаемых и единицы переноса из предыдущего разряда. В этом случае будут равны единице как сумма в разряде, так и перенос в следующий разряд.

Таким образом, сумматор можно рассматривать как комбинационный автомат, имеющий три входа - одноимен­ные разряды слагаемых XI, Х2, перенос из предыдущего бо­лее младшего разряда Р и два выхода - значение суммы в данном разряде S и перенос в следующий разряд Р*.

Условное графическое обозначение одноразрядного комбинационного сумматора (ОКС) приведено на рис. 35. Соответствие входных и выходных сигналов, поясняющее его функционирование (таблица истинности), показана в табл.7.

Рис. 35 УГО (а) и таблица истинности ОКС (б)

Узел имеющий два входа - XI, Х2 и два выхода - S и Р* принято называть полусумматором. Полусумматор не имеет входа переноса из предыдущего разряда и может быть использован в младшем разряде многоразрядного сумматора (на выходе S он реализует логическую операцию «сумма по модулю 2).

Если одноразрядный сумматор рассматривать как логический преобразователь, то при заданном наборе элементов задача его синтеза может быть решена по известной нам методе синтеза комбинационных узлов.

Для построения n-разрядного комбинационного сумматора потребуется n-1 одноразрядных сумматоров и один полусумматор для младшего разряда.

Сумматоры относятся к классу арифметико-логических автоматов. В ИМС средней степени интеграции сумматоры представлены, как правило, на несколько разрядов. Пример:

быстродействующий полный 4-х разрядный сумматор К155ИМЗ со схемой ускоренного переноса (рис. 36). Сумматор работает с числами как положительной (высокий уровень - единица), так и отрицательной (низкий уровень - единица) логик.

Рис. 36 УГО ИМС сумматора К155ИМ

Этапы построения ФЭС сумматора:

1. Построение СДНФ функций S,P

2. Минимизация СДНФ

3. Приведение к заданному базису

4. Построение ФЭС сумматора

Назначение выводов ИМС:

• Р0 - входной сигнал переноса из предыдущего разряда;

• Ai, Bi - входные сигналы одноименных разрядов сла­гаемых;

• Si - выходные сигналы суммы в i-ом разряде;

• Р4 - выходной сигнал переноса из старшего 4-го разря­да ИМС (выводы ИМС Р0, Р4 предназначены для построения многоразрядных сумматоров).

В номенклатуре ИМС средней степени интеграции имеются АЛУ (ALU - Arithmetik-Logik Unit) - арифметико-логические устройства небольшой разрядности, выполняю­щие поразрядные логические и короткие арифметические операции (как правило, четырехразрядные с возможностью наращивания разрядности). Основой АЛУ служит сумматор, схема которого дополнена логикой, расширяющей функциональные возможности АЛУ и обеспечивающей его перестройку с одной операции на другую.

1.12 Узлы систем контроля. Мажоритарные элементы. Контроль по модулю 2. Его реализация. Другие способы контроля. Сравнение кодов двоичных чисел. Компараторы.

Узлы систем контроля

Сложность ЭВМ и других цифровых устройств определяет важность операции контроля. Причинами нарушения нормальной работы цифровых устройств могут быть отказы и сбои. И те и другие приводят к нарушению функционирования ЦУ.

Мажоритарные элементы

Задача мажоритарного элемента (МЭ) - передать на выход величину, соответствующую большинству входных величин.

Аппаратные затраты на мажоритирование велики, чаще всего используется мажоритирование «2 из 3», то есть применяется тройное аппаратное дублирование. Это оправдано там, где нужна высокая надежность функционирования Принцип мажоритирования поясняет схема на рис. 37

Мажоритирование основано на том, что вероятность двойной ошибки много меньше, чем вероятность одиночной ошибки. Кроме получения наиболее достоверного значения сигнала часто бывает необходима информация о номере (адресе) отказавшего канала. Функционирование МЭ, на входе которого величины F1,F2 и F3, может быть определено таб­лицей истинности (таблица 5).

Контроль по модулю 2

Контроль правильности передач и хранения данных -важное условие нормальной работы цифровых устройств. В этой области простейшим и широко применяемым методом контроль по модулю 2 (контроль на четность или на нечетность).

1. Кодовая комбинация – набор из символов принятого алфавита.

2. Код – совокупность кодовых комбинаций, используемых для отображения информации.

3. Кодовое расстояние между двумя кодовыми комбинациями – это число разрядов, в которых эти комбинации отличаются друг от друга.

4. Минимальное кодовое расстояние (d_min) – минимальное кодовое расстояние для любой пары комбинаций входящих в данный код.

5. Кратность ошибки (r) – число ошибок в слове (число неверных разрядов).

6. Вес комбинации – число единиц в комбинации.

При контроле по модулю 2. Каждая кодовая посылка дополняется контрольным разрядом, который дополняет число единиц в посылке до четного (или нечетного). Есть два вида контроля на четность или нечетность (чаще используется).

Для обычного параллельного двоичного кода d_min = 1, т.е. он не обладает возможностью обнаружения ошибки (передачи или хранения). Для того чтобы код позволял обнаружить хотя бы однократные ошибки необходимо d_min увеличить до двух. При этом способе каждое слово дополняется контрольным разрядом (КР)₅ значение которого таково, что­бы сделать четным (нечетным) вес каждой кодовой комбинации.

Как правило, используют контроль на нечетность (он позволяет определить ошибку - обрыв всех линий связи или неисправность типа «обрыв импульса стробирования»). Так для комбинации «00000000» контрольный разряд при контроле на четность будет равен «0», что не позволяет зафиксировать сам факт передачи кодовой посылки. При использовании контроля на нечетность контрольный разряд будет равен «1», то есть в любой посылке будет хотя бы одна единица.

Рассмотрим контроль на нечетность на примере 4-х разрядных слов. Для передачи информации используется 2⁴ = 16 кодовых комбинаций. Эти комбинации и соответствующие им контрольные разряды приведены в табл. 6.

При контроле на нечетность вместе с информационной посылкой передается КР. Вместе с КР получается пятиразрядный код, в котором 2⁵=32 кодовые комбинации - в этом и заключается кодовая избыточность, которая увеличивает d_mm до двух, то есть две правильные кодовые комбинации отличаются в 2-х разрядах, как минимум.

Видно, что значение КР может быть определено:

Задачей контроля на нечетность является вычисление КР перед передачей кода (записью в память или чтением из неё, вычисление КР на приёмном узле, сравнение его с переданным КР. При несовпадении - вывод о том, что произошла ошибка передачи или ошибка записи и чтения при обращении к памяти.

Контроль по модулю так же, как и мажоритирование, основан на том, что вероятность двойной ошибки намного меньше, чем вероятность одиночной ошибки.

Аппаратно контроль по модулю 2 реализуется с помощью схем свертки. Примером такой схемы является ИМС К1533ИП5 - девятиразрядная схема контроля на четность/нечетность (рис. 38).

Рис. 38 ИМС К1535ИП5

Данная схема используется как на передающей стороне так и на приемной

Микросхема имеет девять входов (8-разрядная инфор­мационная посылка и КР) и два выхода - четности и нечетности, что позволяет использовать ее как на передающем узле (в этом случае на вход КР подают «О»), так и на приемном узле. Пример использования ИМС ИП5 для контроля на нечетность приведен на рис. 48.

Рис. 39 Схема контроля на нечетность на ИМС ИП5

При выходе E передающей стороной вырабатывается контрольный разряд на нечетность (он дополняет число единиц в посылке до нечетного). На приемной стороне производится контроль принятой посылки на нечетность. При Е=1 передача прошла правильно и, наоборот, при ошибке передачи O=0.

Контроль по модулю 2 эффективен там, где вероятность единичной ошибки намного больше, чем двойной или групповой. Так в ОЗУ вероятны единичные ошибки, а во внешней памяти на магнитных или оптических носителях дефекты таковы, что они затрагивают не отдельный бит, а некоторую площадь, поэтому для этих видов памяти контроль по модулю 2 неэффективен. Аппаратная и временная избыточность для контроля по модулю 2 минимальна.

Другие способы контроля

Для более эффективного, но более затратного по аппаратуре контроля используются:

• Код Файра;

• Код Рида -Соломона;

• Код Хэмминга.

Чаще применяется код Хемминга. Код Хемминга позволяет исправлять единичные ошибки передачи и обнаруживать двойные. Для этого минимальное кодовое расстояние, вычисляемое по формуле. Посылка делится на поля определенным образом, и каждому полю присваивается контрольный разряд. Комбинация контрольных узлах указывает на разряды, в которых произошла ошибка.

Контрольные разряды оценивают веса групп разрядов информационного слова, организованных так, что комбинации контрольных разрядов указывают номера разрядов, в ко­торых произошла ошибка передачи (т.е. разряд, который надо исправить). Алгоритм кодирования чаще всего реализуется на программном уровне, однако есть и аппаратные средства его реализации.

Компараторы

Компараторы (устройства сравнения) определяют от­ношение между двумя кодами. Основными отношениями, через которые можно выразить остальные считают два: «больше» или «равно».

Два двоичных кода равны, если равны их одноименные разряды (F_A-B= 1).

Для вычисления функции Fa>b необходимо сравнивать одноименные разряды, начиная со старших, при неравенстве каких-либо одноименных разрядов больше тот код, в кото­ром в данном разряде единица. Рассмотрим пример (табл. 7).

Не равны разряды кодов с номером один, в коде А в первом разряде «1», следовательно F_A>B—1, то есть утвержде­ние А>В истинно.

Компараторы в исполнении ИМС имеют, как правило, три выхода: «меньше», «равно» и «больше».

Рис. 40 УГО компаратора СП1

1.13 RS-триггер с прямым и инверсным управлением. Назначение и классификация триггеров. RS-триггер с прямым и инверсным управлением. Его реа­лизация на элементах ИЛИ-HE, И-НЕ.

Триггеры и их классификация

Функциональные узлы ЭВМ последовательного типа (узлы с памятью) – регистры, счетчики и др. – строятся на основе элементов памяти, которые в основном существуют в виде триггеров.

Триггер – электронное устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояниях и под воздействием внешних управляющих сигналов переходить в другое устойчивое состояние.

Триггер хранит один двоичный разряд – 1 бит информации.

Классификация триггеров:

По логике работы различают: RS-триггер, T-триггер, JK-триггер, D-триггер, комбинированные триггеры.

По способу записи информации: асинхронные, синхронизуемые.

Синхронизируемые триггеры в свою очередь делятся на:

• управляемые уровнем;

• управляемые фронтом;

• одноступенчатые;

• двухступенчатые (двухтактные).

По виду выходных сигналов триггеры делятся на:

• статические;

• динамические.

Динамические триггеры, у которых выходные сигналы в устойчивом состоянии изменяются, из-за своей сложности применяются редко. У широко применяемых статических триггеров используется потенциальный метод представления выходных переменных (обозначаемых Q): одному устойчивому состоянию триггера соответствует сигнал Q=l, другому - Q=0 (уровни логических нуля и единицы как у логических элементов соответствующей технологии).

RS-триггер называется «триггером с нуле­вым и единичным входами» (иначе - «триггером с установочными входами»). УГО RS-триггера и его таблица перехо­дов представлены на рис. 41.

Рис. 41 RS-триггер с прямым управлением

Он имеет единичный вход S (set – установка), нулевой вход R (Reset – сброс) и два выхода – прямой и инверсный. Термин с прямым управлением означает, что действующим уровнем управляющих сигналов является высокий уровень (уровень логической единицы). При R=S=0 триггер находится в режиме хранения информации, то есть не изменяет своего состояния. При подаче единичного сигнала на S-вход триггер устанавливается в единичное состояние (Q=1) и, наоборот, в состояние нуля (Q=0) при подаче единицы на R-вход. Комбинация S=R=1 для триггера с прямым управлением является запретной.

Рис. 42 RS-триггеры на ЛЭ ИЛИ-НЕ (а), И-НЕ (б)

RS-триггер является простейшим и представляет собой так называемую бистабильную ячейку. Все остальные типы триггеров базируются на RS-триггере. Он может быть реализован на двух логических элементах, охваченных цепями обратной связи. Пример реализации RS-триггера с прямым управлением (управляется высоким уровнем) на двух элементах 2ИЛИ-НЕ приведен на рис. 42,а.

Однако в интегральном исполнении основу всех тригге­ров составляет более просто реализуемый RS-триггер с ин­версным управлением (действующий уровень управляющих сигналов - низкий) на двух элементах 2И-НЕ (рис. 42,6).

При реализации на отдельных элементах простейший триггер выглядит так, как показано на рис. 43. Триггер управляется инверсными сигналами.

Рис. 43 Реализация простейшего триггера

Схема является простейшей и на практике «обвешивается» еще некоторым количеством деталей для улучшения быстродействия и для реализации других более универсальных триггеров.

RS-триггер может быть синхронизируемым, т.е. имеющим вход синхронизации С (Clock - часы, источник синхросигнала). На основе RS-триггера с инверсным управлением может быть получен синхронизируемый RS-триггер с прямым управлением (рис. 55). Переключение триггера в зависимости от значения сигналов на установочных входах осуществляется только при подаче синхроимпульса на вход С.

1.14 Синхронизация в триггерах. Синхронизируемый RS-триггер. Его реализация на элементах И-НЕ. Варианты синхронизации и обозначения входов синхронизации.

Синхронизируемый RS-триггер.

Рис. 44 Синхронизируемый RS-триггер

Виды синхронизации:

1. Управляемые уровнем (прямой синхровход и инверсный синхровход)

2. Управляемые фронтом (с динамическим управлением).

Рис. 45

Наличие синхронизации требует согласования по времени и длительности информационного сигнала D относительно синхроимпульса C (рис 46). Сначала должен быть установлен информационный сигнал и лишь затем на синхровход может быть подан синхроимпульс.

Рис. 46 Временные требования к синхронизации

Время предустановки t_SU необходимо для завершения переходных процессов во входных цепях триггера. Время выдержки t_Н необходимо для установки триггера в новое состояние. Всё время (t_{SU +} t_Н) информационный сигнал должен оставаться неизменным.

1.15 Т- и JK-триггеры. Триггеры, реализующие счетный режим (Т- и JK-триггеры). Структура информационных связей JK-триггера.

Т-триггер - триггер со счетным входом (счетный вход T от англ. Toggle - релаксатор). УГО Т-триггера и его таблица переходов приведены на рис. 47.

Рис. 47. УГО Т-триггера (а) и его таблица переходов (б)

При подаче единичного сигнала на Т-вход триггер изменит свое состояние на противоположное. Чаще всего используется комбинация RS- и Т-триггеров, так называемый RST-триггер который объединяет в себе их свойства.

JK-триггер по логике работы подобен RS-триггеру, только он не имеет запрещенных комбинаций. У него два входа- J (jerk- внезапное включение) и K (kill - внезапное выключение) и два выхода - прямой и инверсный. JK-триггер по входу J устанавливается в единицу, по входу К - в ноль. При подаче на входы J=K=1 он изменяет свое состояние на противоположное подобно Т-триггеру. Это достигается наличием информационных обратных связей с выхода на вход в дополнение к основным обратным связям в бистабильной ячейке (RS-триггере, который составляет основу JK-триггера). Выполняется чаще всего синхронизируемым рис 48.

Рис. 48 УГО (а) и информационные связи (б) JK-триггера

1.16 D-триггер. Двухтактные триггеры. D-триггер. Условное графическое обозначение. Его реализация на основе синхронизируемого RS-триггера. Двухступенчатые (двухтактные) триггеры.

D-триггер иначе называется “линия задержки на один такт” (delay-задержка). D-триггеры изготавливаются синхронизированными. Переключение триггера в зависимости от значения сигнала на D-входе осуществляется только при подаче синхроимпульса на вход C.D-триггер по C=1 принимает информацию с D-входа и хранит ее до следующе­го тактового импульса, как бы задерживая ее на один такт. Достоинством его является возможность записи информации без предварительного обнуления. D-триггер может быть получен из синхронизируемого RS-триггера, если входной сиг­нал подавать на S-вход, а его инверсию - на R-вход (рис, 49,б). Такая подача сигнала («в противофазе») носит название «парафазной» установки и перед записью не требует предварительного обнуления триггера.

Рис. 49 УГО (а) и внутренняя структура (б) D-триггера

Все рассмотренные выше типы триггеров являются одноступенчатыми, то есть содержат одну бистабильную ячейку.

Двухступенчатые триггеры.

Для реализации некоторых узлов ЦУ с памятью используются двухступенчатые (двухтактные) триггеры (рис 50,а). Они позволяют избежать сбоев при записи и считывании информации в одном такте. Конструктивно двухтактный триггер состоит из двух синхронизируемых одноступенчатых триггеров (рис 50,б). Триггер первой ступени записывает информацию по высокому уровню синхросигнала, начиная с момента времени t₁, а по низкому его уровню, начиная с момента времени t₂ происходит перепись в триггер второй ступени (временная диаграмма на рис 50,в).

Обозначение двухтактного триггера MS (master/slave –хозяин/помощник).

Рис. 50 Двухтактный RS-триггер (а,б) и его функционирование (в)

1.17 Схемотехника триггерных устройств. Проблемы реализации счетных структур. Явление генерации. Способы борьбы с генерацией. Использование триггеров в схемах ввода сигналов от механических ключей.

В реализации RS и D-триггеров есть существенные отличия от JK- и T-триггеров, т.е. от триггеров, на которых реализуются счетные структуры:

RS и D-триггеры имеют разомкнутую структуру (не имеют обратных связей в бистабильной ячейке);

JK- и Т-триггеры используют выходные сигналы для воздействия на свои входы.

Рис. 51 Варианты построения счетных структур

Т-триггер может быть получен из синхронизируемого RS-триггера, охваченного информационны­ми обратными связями (рис.51,а). Роль счетного входа Т бу­дет играть вход синхронизации С.

В этом случае схема будет находиться в состоянии генерации импульсов все время, пока Т=1. Т-триггер может быть получен из D-триггера, как показано на рис. 51,б. Роль счетного входа Т будет также играть синхровход С. Эта схема также несвободна от генерации.

Следовательно, длительность импульса Т должна быт такой, чтобы триггер мог переключиться только один раз, что достаточно сложно предусмотреть из-за разброса параметров ИМС триггеров. В схеме простейшего JK-триггера, приведенной выше, при использовании в счетном режиме те ж проблемы. Существует несколько вариантов решения этих проблем:

1. Использование двухтактных триггеров (перепись в выходной каскад происходит по окончании синхроимпульса).

2. Использование динамического управления (фронтом или спадом). Триггер с динамическим управлением строится на основе «схемы трех триггеров».

3. Использование триггеров с внутренними задержками (схема JK-триггера с внутренними временными задержками приведена на рис.52).

Рис.52 JK-триггер с внутренними временными задержками

У триггеров в исполнении ИМС имеются, как правило асинхронные установочные входы. На рис. 53 приведено назначение входов ИМС К155ТМ2. В составе ИМС два однотактных, управляемых фронтом D-триггера. В триггере применена синхронизация по переднему фронту, синхронизируемым является D-вход (прямой), также имеются асинхронные установочные входы S и R (инверсные).

Рис. 53 Назначение входов ИМС D-триггера К155ТМ2

Рис. 54 Примеры ИМС триггеров

Использование триггеров в схемах ввода.

Ввод логических сигналов от механических ключей(тумблеров) – действие, позволяющее оператору воздействовать на цифровое устройство.

Механический ключи имеют упругость, их коммутация - сложный процесс. После соприкосновения контактов происходит ряд отскоков, называемым «дребезгом контактов». Поэтому вместо одного перепада напряжения создается серия импульсов (в течение 1 мс). Такой сигнал может создать множество ложных переключений. Явление поясняют простейшая схема ввода графики напряжений на рис. 55.

Рис. 55 К пояснению возникновения «дребезга контактов»

Рис. 56 Схема устранения «дребезга контактов»

Для борьбы с этим явлением используют схемы ввода на триггерах (рис. 56,а).

По первому перепаду напряжения триггер изменит своё состояние и останется в нем как до, так и после завершения переходного процесса в контактной группе механического ключа. Резисторы сопротивлением 1 кОм, соединенные с положительным полюсом источника питания, образуют источники напряжения, «подпирающие» входы триггера единичным уровнем. Так как в технологии ТТЛ незадействованный вход ЛЭ И-НЕ (а именно эти логические элементы, являясь базовыми, лежат в основе структуры триггеров) эквивалентен подаче на него единичного уровня, то схема может быть упрощена. Пример такой схемы ИМС К155ТМ2 представлен на рис 56,б.

1.18 Регистры параллельного действия. Классификация регистров. Регистры параллельного действия. Язык операционных схем. Реализация микроопераций установки, присваивания и выдачи.

Регистром называется узел ЭВМ предназначенный для приема, хранения, преобразования двоичного числа.

Регистр состоит из входной логики, блока хранения и выходной логики.

Рис. 57 Структурная схема регистра

Входная логика предназначена для организации записи кода числа в регистр, а также может выполнить преобразование кода. Принятый и преобразованный код хранится в блоке хранения. Выходная логика служит для выдачи кода в другие узлы ЦУ, а также может выполнить вторичное преобразование кода числа. Входная и выходная логика регистра строится на логических элементах, блок хранения строится на триггерах различной структуры.

Условное графическое обозначение регистра приведено на рис. 58. Регистр является четырехразрядным, он имеет входа D₀-D₃ для приёма разрядов кода числа, С - синхровход приёма кода (импульс стробирования), R - вход для обнуления разрядов регистра, выходы четырех разрядов (0,1,2,3).

Рис. 58. УГО регистра

Такое представление регистра удобно для изображения на функциональной и принципиальной электрических схемах. Однако для разработки функциональных схем автоматов с памятью необходимо описание узла, детально поясняющее его функционирование. Такое описание возможно на языке операционных схем (ЯОС).

Описание на ЯОС включает в себя:

• УГО узла, несколько отличающееся от функционального обозначения;

• описание микроопераций (МО), т.е. элементарных действий, выполняемых узлом.

Классификация регистров:

1. По количеству линий передачи переменных:

   1. однофазные ( на i-вход попадает только прямое значение разряда)

   2. парафазные (на i-вход наряду с прямым значением подается ещё и инверсия разряда)

2. По виду синхронизации (Вид синхронизации в регистре, как правило, определяется типом используемых триггеров. Для регистров применяются все варианты синхронизации, используемые в триггерах):

   1. однотактные

   2. двухтактные

3. По способу приема и выдачи данных:

   1. параллельного действия(статические);

   2. последовательного действия(сдвиговые);

   3. парралельно-последовательного действия.

В регистрах параллельного действия прием и выдача проводится одновременно по всем разрядам.

В регистрах последовательного действия может быть организовано образование параллельного кода в последовательный. Для этого необходима МО сдвига кода числа в разрядной сетке. МО сдвига необходима также при выполнении операций математической арифметики в арифметико-логическом устройстве и некоторых других случаях. Регистры, в которых выполняется МО сдвига, считаются регистрами последовательного действия.

Регистры параллельного действия

В регистрах параллельного действия выполняются микрооперации:

• установки;

• присваивания (присваивания с преобразованием);

• выдачи.

Рассмотрим описание регистра параллельного действия на ЯОС (рис. 59).

Рис. 59 Описание регистра параллельного действия на ЯОС

Здесь Х[1:2] и В[1:2] — входная и выходная однофазные шины, a Y0 – Y3 - микрооперации, выполняемые узлом. По­строим функциональную схему (ФЭС) регистра на асинхрон­ных RS-триггерах и логических элементах основного базиса (И, ИЛИ, НЕ). Очевидно, что микрооперациями входной ло­гики является МО YO, Yl, Y2, так как они предназначены для установки триггеров в новое состояние. Выходная логика реализация МО Y3 — микрооперации выдачи. Ключевыми этапами проектирования являются:

а) Определение частных функций возбуждения тригге­ров для каждой из МО:

б) Определение обобщенных функций возбуждения для МО входной логики (получаются из частных функций воз­буждения путем их сборки по ИЛИ):

в) Определение оператора присваивания для МО выда­чи:

Из анализа обобщенных функций возбуждения видно, что для построения входной логики необходимо два двухвходовых элемента ИЛИ (2ИЛИ), и два двухвходовых эле­мента И (2И), а для выходной логики два элемента 2И. Для реализации блока хранения двухразрядного регистра понадобятся два триггера. ФЭС регистра приведена на рис. 60.

Рис. 60 Функциональная схема регистра

Логические элементы И, управляемые по одному из входов импульсами микроопераций, и, следовательно, осу­ществляющие стробирование приема и выдачи кода числа, называются входными и выходными вентилями регистра.

Примененный в регистре однофазный приём кода требует предварительного обнуления регистра. От этого недостатка свободен парафазный приём кода, когда на S-вход триггера подается прямое значение разряда, а на R-вход - его инверсия. Для этого необходима входная парафазная шина (рис. 61) или дополнительные инверторы.

Для МО парафазного приёма Yi в разряде с номером j функции возбуждения и схемное решение представлены на рис.62.

Рис. 61 УГО входной парафазной шины

Рис. 62 Реализация парафазного приема кода

По своей сути получили реализацию D-триггера, синхронизируемого импульсом микрооперации Yi.

1.19 Регистры последовательного действия. Регистры последовательного действия. Описание регистра последовательного действия на языке операционных схем. Реализация микроопераций сдвига.

В регистрах последовательного действия наряду с рас­смотренными выше микрооперациями для регистров параллельного действия выполняется МО сдвига.

В цифровых устройствах используется сдвиги:

• в сторону старших разрядов (влево);

• в сторону младших разрядов (вправо);

• с заполнением освободившихся разрядов нулями;

• с заполнением освободившихся разрядов единицами;

• циклические сдвиги (кольцевые);

• на один или несколько разрядов.

Для реализации сдвиговых регистров необходимы либо двухтактные триггеры, либо триггеры с динамическим управлением, так как процесс считывания информации с вывода триггеров и установки триггеров в новое состояние должны быть разделены во времени.

МО сдвига для трехразрядного регистра может иметь вид:

Yi: Рг[1:3]:=Рг[2:3].1;

Это МО сдвига влево с заполнением освободившихся разрядов единицами. Очевидно, что при сдвиге также необходима парафазная установка триггеров, на каждый разряд необходимо два вентиля - для прямого и для инверсного значения сдвигаемого разряда, причем инверсное значение берется с инверсного выхода триггера соответствующего разряда. Фрагмент ФЭС для j-разряда приведен на рис. 63.

Рис. 63. Реализация МО сдвига

Рис. 64 Универсальный регистр ИР11 и режимы его работы

На рис. 64 приведено УГО и режимы работы ИМС уни­версального четырехразрядного сдвигового регистра ИР11 (технология ТТЛ) . У К555ИР11 (LS) задержка при сдви­ге - 20 нс, у К531ИР11 (S) - 12 нс.

Назначении выводов ИМС:

• D0-D3 и Q0-Q3 - информационные входы и выходы регистра;

• DR (DSR) - вход для заполнения при сдвиге вправо, либо для реализации многоразрядных регистров;

• DL (DSL) - то же самое, только при сдвиге влево;

• R - асинхронный инверсный вход установки в ноль (вход сброса);

• С - синхровход (динамический с управлением по фронту).

Вариант организации восьмиразрядного сдвигового ре­гистра из двух ИМС ИР11 приведен на рис. 65.

Рис. 65 Вариант организации восьмиразрядного сдвигового регистра из двух ИМС ИР11

1.20 Счетчики. Определение и классификация счетчиков. Суммирующий и вычитающий счетчики с последовательным переносом.

Определение и классификация счетчиков

Счетчиками называются узлы цифровых устройств, которые под действием входных импульсов переходят из одного состояния в другое, фиксируя тем самым число поступивших на вход импульсов в том или ином коде.

То есть сложение и вычитание производятся по модулю К. Если К=2^П, где п - число разрядов счетчика, то модуль счета не указывается. Такой счетчик называется двоичным. Модуль счета указывает число состояний счетчика (иначе - его емкость).

После поступления на вход К-импульсов начинается но­вый цикл, повторяющий предыдущий. Так для четырехраз­рядного двоичного счетчика (Сч[1:4]) емкость будет равна К=2⁴=16. В счетчиках также могут выполняться все микро­операции, характерные для регистров.

Классификация счетчиков.

По способу кодирования:

• двоичные счетчики;

• счетчики других систем счисления.

По направлению счета:

• суммирующие счетчики (+1);

• вычитающие счетчики (-1);

• реверсивные счетчики (с изменением направления счета).

Возможны два режима использования счетчиков:

• Регистрация числа поступивших на вход сигналов. Результатом является содержимое разрядов счетчика.

• Деление частоты. Здесь результатом является импульс переполнения, т.е. переноса из старшего разряда.

• Счетчики с последовательным переносом

Рассмотрим реализацию только МО счета. Счетчики строятся на триггерах, имеющих счетный режим (Т, JK).

Рис. 66 Вычитающий (а) и суммирующий (б) счетчики

Описание простейших трехразрядных счетчиков на ЯОС и их функциональные схемы приведены на рис. 66.

Здесь реализованы лишь характерные для счетчиков микрооперации (декремент, инкремент) и микрооперация установки в ноль, однако в счетчиках могут быть реализованы и все микрооперации, выполняемые в регистрах.

Счетчики построены на двухтактных RST - триггерах. Рассмотрим структуру такого триггера, построенного на основе синхронизируемого RS-триггера (рис. 67).

В роли Т-входа выступает вход синхронизации С. По высокому уровню счетного импульса Т осуществляется установка в новое состояние триггера первой ступени, по низкому уровню - перепись в триггер второй ступени.

Рис. 67 Двухтактный RST-триггер

У суммирующего счетчика съём сигналов переноса осуществляется с прямых выходов триггеров, у вычитающих - с инверсных.

Могут быть использованы триггеры с динамическим управлением (одноступенчатые, управляемые фронтом или срезом). В этом случае схемная организация цепей переноса может отличаться.

В приведенных простейших схемах счетчиков применен последовательный перенос.

Рассмотрим такое состояние двоичного счетчика, когда в соседних разрядах несколько единиц:

В этом случае единица переноса должна пройти из младшего разряда до старшего. Ситуация является наихуд­шей с точки зрения быстродействия, так как для фиксации нового состояния счетчика необходима последовательная ус­тановка в новое состояние триггеров нескольких разрядов.

Если t_ycт = время установки счетчика, то

где t_TГ - время установки триггера; n - разрядность счетчика.

Поэтому счетчики с последовательным переносом име­ют наихудшее быстродействие

1.21 Счетчики с параллельным и групповым переносом. Счетчики с параллельным и групповым переносом. Сравнительная оценка их сложности и быстродействия. Счетчики с произвольным модулем счета.

Рассмотрим схему реализации параллельного переноса на примере четырехразрядного счетчика (рис. 68). Кроме счетных триггеров схема содержит логический элемент И с нарастающим (по старшинству разряда) числом входов. В приведенной схеме счетчика реализована только МО счета Y1.

Рис. 68 Реализация параллельного переноса

Из анализа схемы видно, что перенос в состоянии, когда рядом несколько единиц, осуществляется параллельно, т.е. триггеры устанавливаются в новое состояние одновременно, и быстродействие счетчика определяется формулой:

t_ycm = t_ЛЭ⁺ t_ТГ

где t_ЛЭ - задержка ЛЭ.

Однако для многоразрядных счетчиков число входов логического элемента И будет велико, поэтому используют групповой перенос: в группах - параллельный, между группами - последовательный. Параллельный перенос также называют сквозным.

Все приведенные схемы счетчиков являются асинхрон­ными, т.е. счетный импульс не сопровождается синхросигна­лом, иначе говоря, время прихода счетного импульса произ­вольно. Это наиболее распространенный тип счетчика.

Счетчики с произвольным модулем счета

В различных цифровых устройствах необходимы счет­чики с модулем счета К, отличным от целой степени основа­ния 2. Так, например, в электронных часах необходимы счет­чики для минут и секунд с модулем счета К=60, для часов с модулем счета К=24. Для подсчета в десятичной системе счисления необходимы модули К=10, 100 и т д.

Для реализации счетчика с произвольным модулем сче­та необходимо определить требуемое число разрядов.

В общем случае, 2^n-1 < К <2ⁿ , отсюда n= ]log₂K[.

Обратные квадратные скобки означают операцию ок­ругления до большего целого.

Для построения счетчиков с произвольным модулем счета существуют различные способы, из которых наиболее известны два:

• использование дополнения до 2ⁿ;

• способ принудительного возврата в ноль.

Рассмотрим второй способ на примере построения счет­чика с модулем К=10.

Определим требуемое число разрядов счетчика: n=]log₂10[=4.

Описание такого счетчика на ЯОС приведено на рис. 81. ФЭС и временная логическая диаграмма функционирования счетчика приведены на рис. 82. Показана реализация двух микроопераций - установки и счета по модулю 10. От состояния Сч[1:4]=0000 (начальное состояние 0) до состояния Сч[1:4]=1001 (соответствует К-1 импульсу) счетчик работает как обычный двоичный. С приходом К-1 входного сигнала триггеры счетчика устанавливаются в состояние 1001. Прямые выходы триггеров тех разрядов, где в этой комбинации «1», заводятся на входы логического элемента И, на один из входов которого поступает также счетный импульс Y1.

Рис. 69. ФЭС и временные логические диаграммы функционирования счетчика по mod 10

С приходом К-того (десятого) сигнала единичный сиг­нал со схемы И установит триггеры 2-го и 3-го разряда в еди­ничное состояние. В разрядах счетчика получается комбинация Сч[1:4]=1111, которая после того, как счетный импульс изменит уровень с высокого на низкий, изменится на Сч[1:4]=0000 (т. е. произойдет установка в ноль).

Рис. 70 Описание счетчика по mod 10 на ЯОС

Поскольку установка в единичное состояние осуществляется по установочным входам, то для реализации счетчика необходимы триггеры, асинхронные установочные входы которых доминируют над счетными.

Рис. 71 Внутренняя структура двоичного счетчика К155ИЕ5

На рис. 71 приведена внутренняя структура ИМС счетчика К155ИЕ5 (зарубежный аналог 7493). Это трехразрядный двоичный асинхронный счетчик. Если соединить входы 1 и 12 то получим четырехразрядный счетчик. ИМС изготовлена по технологии ТТЛ и содержат один отдельный счетный триггер и трехразрядный двоичный счетчик, то есть может использоваться как делитель частоты на 2 и делитель на 8.

Если соединить выводы 1 и 12 то получится четырехразрядный двоичный счетчик с модулем счета К=2⁴=16. Наличие двух входов установки в ноль, связанных логикой И, позволяет организовать счетчик с произвольным модулем счета. ИМС потребляет ток питания 53 мА и работает с тактовой частотой по входу С1 до 10 МГц. Подобная ИМС TTЛШ К555ИЕ5 (зарубежный аналог 74LS93) потребляет ток 15мА, по входу С1 максимальная частота 10 МГц и по входу С2 до 32 МГц.

Временные логические диаграммы работы ИМС ИЕ5 в режиме четырехразрядного счетчика приведены на рис.72.

В ряде серий ИМС имеются комбинации двоичного или двоично-десятичного счетчика с дешифратором (рис. 73). Подобная комбинация узлов используется в различных распределителях импульсов (типа «бегущая единица»). Подоб­ную структуру имеет ИМС технологии КМОП К561ИЕ8 - десятичный счетчик-делитель с дешифратором, имеющий де­сять дешифрированных выходов Q0 - Q9.

Рис. 72 ВЛД работы ИЕ5 в режиме четырех разрядного счетчика

Рис. 73 Двоичный счетчик с дешифратором

На каждом выходе дешифратора высокий уровень появляется только на период тактового импульса с соответствующим номером. Счетчик имеет выход переноса, высокий уровень которого появляется через 10 тактовых импульсов и может быть использован как тактовый сигнал переноса для счетчика следующей декады.

1.22 Иерархия памяти ЭВМ. Иерархическая структура памяти ЭВМ. Параметры запоминающих устройств. Система сигналов ЗУ в исполнении ИМС.

Иерархическая структура памяти ЭВМ

Запоминающие устройства (ЗУ) служат для хранения информации и обмена ею с другими устройствами ЭВМ. Физические принципы работы ЗУ могут быть различными, но в настоящее время в ЭВМ широко используется в основном полупроводниковая память и память на магнитных и оптиче­ских носителях. Полупроводниковая память изготавливается в виде ИМС памяти, которые занимают около 40% общего объёма выпускаемых ИМС и постоянно совершенствуются, как в области схемотехнологий, так и в области развития новых архитектур.

Структура памяти, в которой можно выделить несколько различных по характеристикам уровней, называется иерархической. При этом уровень памяти с большим быстродействием имеет меньшую емкость. В наиболее развитой иерархии памяти ЭВМ можно выделить следующие уровни:

• регистровые ЗУ (сверхоперативные запоминающие устройства СОЗУ) - находятся в составе процессора или дру­гих устройств, благодаря им уменьшается число обращений к другим уровням памяти реализованным вне данного устройства. Микропроцессор Intel 8080 блок общего назначения RON;

• КЭШ-память - служит для хранений копий информа­ции, используемой в текущих операциях обмена;

• основная память (оперативное и постоянное ЗУ) — ра­ботает в режиме непосредственного обмена с процессором, согласована с ним по быстродействию, исполняемый фраг­мент программы находится в основной памяти;

• специализированные виды памяти - видеопамять, буферная память каналов ввода вывода и другие виды памяти предназначены для функционирования отдельных цифровых устройств;

• внешняя память - для хранения больших объёмов ин­формации на внешних носителях (магнитных, оптических) или на ИМС памяти.

Параметры запоминающих устройств

Перечислим важнейшие параметры ЗУ.

Информационная емкость - максимальный объём хра­нимой информации в битах, словах или байтах, Кбайтах, Мбайтах, Гбайтах (К>2¹⁰, М=2²⁰, r=2^j0). Бит хранится в запо­минающем элементе (ЗЭ), слово или байт в запоминающей ячейке (ЗЯ).

Организация ЗУ - произведение числа хранимых слов на их разрядность, это соответствует информационной емкости ЗУ. При одной и той же емкости организация ЗУ может быть различной. Быстродействие ЗУ оценивают временами считывание и записи и длительностями циклов чтения/записи:

• t_СЧИТ - время между моментами появления сигнала чтения и слова на выходе ЗУ;

• t_ЗАП - время после подачи сигнала на запись, достаточное для установки 3Я в новое состояние;

• минимально допустимый интервал между последовательными обращениями для записи/чтения образуют цикл записи/чтения.

Приведенные параметры являются эксплуатационными и могут быть измерены, кроме них существуют так называемые режимные параметры. Любое ЗУ имеет набор сигналов управления (рис. 74), для которых задаются длительности и их взаимное расположение во времени (рис. 75).

Рис. 74 Минимальный набор сигналов управления ЗУ

Рис. 75 Взаимное положение во времени сигналов управления ЗУ

• А - адрес 3Я, его разрядность m определяет число запо­минающих ячеек (М). М=2^m.

• CS (Chip Select), СЕ (Chip Enable) или ВК (выборка кристалла) - разрешение работы ИМС.

• R/W (Read/Write) - вариант работы (чтение/запись).

• DI (Data Input) - входная n-разрядная шина «информация на запись».

• DO (Data Output) - выходная n-разрядная шина «считанная информация».

В некоторых ИМС шины входной и выходной информа­ции D1 и DO мультиплексированы.

Для ЗУ характерна такая последовательность сигналов управления. Прежде всего подаётся адрес А, чтобы после­дующие операции не коснулись никакой другой ячейки, кро­ме выбранной, затем разрешается работа ИМС сигналом CS, затем подается сигнал R/W.

Другими параметрами ЗУ являются уровни напряжений, токов, нагрузок и другие схемотехнические параметры. Они рассматриваются применительно к конкретной элементной базе (серии ИМС).

Важной характеристикой памяти является свойство энергонезависимости, т.е. способность ЗУ сохранять данные при отключении напряжения питания. Энергонезависимость может быть естественной, присущей физическим принципам работы ЗУ или искусственной, т.е. с использованием резерв­ных источников питания.

1.23 Организация адресной памяти. Структуры адресной памяти 2D, 3D, 2DM, их достоинства и недостатки. Назначение и организация КЭШ-памяти.

Основные структуры запоминающих устройств

ОЗУ, ПЗУ и некоторые другие виды ЗУ имеют адресную организацию. При адресной организации каждой ячейке памяти (ЯП) присваивается номер, называемый адресом. Размещение и поиск информации в ЗУ осуществляется по адресу ячейки. Рассмотрим основные структуры ЗУ.

В структуре 2D (двумерное ЗУ)

Структура 2D применима лишь в ЗУ малой информационной ёмкости, т.к. при росте ёмкости проявляется несколько ее недостатков, наиболее очевидным из которых является увеличение выходов дешифратора (число выходов дешифратора равно числу ячеек), следовательно, его усложнение и увеличение времени дешифрации, что ухудшает быстродействие ЗУ. Поэтому принципе строится статическая память, с небольшой емкости памяти. Выборка происходит целой ЗЯ

Структура 3D (трехмерное ЗУ) позволяет упростить де­шифратор адреса с помощью двухкоординатной выборки за­поминающих элементов. Адрес разрядностью m делится на два полу адреса (по m/2 разрядов). Каждый полуадрес дешифрируется отдельно. Запоминающий массив строится из матриц размерностью 2^m/2 х 2^m/2 , и таких матриц берется n штук (по разрядности слова). Структура памяти типа 3D и принцип выборки ЗЭ приведены на рис. 77. Выборка происходит считанное слово(элемент). Имеет усложненную структуру

Каждая матрица выдает один бит адресуемого слова, а число матриц равно разрядности хранимых слов, применение структур 3D также ограничено.

Структура 2DM Достоинства двух структур соединены в структуре 2DM (20-модифицированная)

Рис.76 Память структуры 2D

Рис. 77 Память типа 3D (а) и принцип выборки ЗЭ (б)

Структура 2DM подобна 2D, однако выбирается не n- разрядная ячейка, а длинная строка (цепочка ячеек), состоящая из 2^к n- разрядных слов, из которой под управлением оставшейся части адреса разрядностью и мультиплексоры выбирают нужное слово. Число выходов дешифратора меньшее, чем у 2D, но структура проще структуры 3D

Рис. 78 Память типа 2DM

КЭШ-память

КЭШ-память запоминает копии информации, переда­ваемой между процессором CPU и основной памятью ОП. Является безадресной, ассоциативной.

Она имеет небольшую емкость по сравнению с основной па­мятью, но более высокое быстродействие. Строится на триггерных ЗЭ (на ИМС типа SRAM). Принцип действия Кэш-памяти представлен на рис. 79.

Рис. 79 Принцип действия КЭШ-памяти

При чтении данных сначала выполняется обращение к КЭШ памяти. Если там имеется копия данных адресованной ячейки, то КЭШ-память вырабатывает сигнал HIT («попадание») и выдает данные на общую шину данных, в противном случае сигнал HIT не вырабатывается, выполняется чтение из ОП и, одновременно, помещение данных в КЭШ память.

Эффективность КЭШ-памяти основана на том, что большинство прикладных программ многократно используют те или иные данные. Повторное обращение к КЭШ-памяти требует меньше времени.

Очевидно, что при записи информации должна модифи­цироваться информации в КЭШ, если ячейка с нужным адре­сом там была представлена. КЭШ-память — память ассоциа­тивного типа, где в роли ТЕГа выступает полный физический адрес памяти.

1.24 Элементная база запоминающих устройств. Классификация ЗУ в исполнении ИМС. Масочные и программируемые ПЗУ (ROM(M) и PROM). Репрограммируемые ПЗУ (EPROM и EEPROM). Флэш-память. Элементная база оперативной памяти. Статические ОЗУ (SRAM). Динамические ОЗУ (DRAM).

Классификация запоминающих устройств

Есть адресные и безадресные ЗУ. Статическая память формируется из триггеров.

Рассмотрим классификацию адресных ЗУ примени­тельно к полупроводниковой элементной базе.

RAM (Random access memory - «память произвольной выборки») - русский синоним ОЗУ - оперативное запоминающее устройство. ROM (Read only memory - «память только чтения») - русский синоним ПЗУ - постоянное запоминающее устрой­ство:

Элементная база ROM (ПЗУ)

Масочные ПЗУ (ROM(M)). Информация записывается при изготовлении ИМС с помощью шаблона (маски). ИМС ROM(M) имеет структуру, приведенную на рис. 80.

Рис. 80 Структура ПЗУ типа ROM(M)

Программируемые ПЗУ (PROM). В ЗУ типа PROM. ИМС программируются устранением или созданием специ­альных перемычек (элементов связи между адресными ли­ниями выборки JIB и разрядными линиями считывания РЛ).

Репрограммируемые ПЗУ (EPROM, E²PROM) имеют возможность стирания старой информации и замены её новой. Они допускают многократное (от 100 до 10 тыс. циклов) перепрограммирование самим пользователем. Перепрограм­мирование, как правило, осуществляется вне устройства, в котором работает ИМС, поэтому ИМС должны быть установлены на панелях.

Это свойство ИМС обеспечивается применением ЗЭ со свойствами «управляемых перемычек», функции которых выполняют транзисторы МОП - структуры с двухслойным подзатворным диэлектриком - структура МНОП (металл А1 - нитрид кремния Si3N₄ - окисел кремния SiO₂ - полупроводник Si) и транзисторы п - МОП с плавающим затвором (ПЗ) с использованием механизма лавинной инжекции заряда (ЛИЗМОП).

EPROM (с ультрафиолетовым стиранием - РПЗУ-УФ, в обозначении ИМС буквы РФ) допускают до 100 циклов пере­записи.

E²PROM (с электрическим стиранием - РПЗУ-ЭС, в обозначении ИМС буквы РР) допускают от 100 до 10000 циклов перезаписи в зависимости от организации ИМС.

В устройстве и работе ИМС типов РФ и РР много обще­го. Отличие - режим стирания, для реализации которого у ИМС типа РФ необходим источник ультрафиолетового излучения. ИМС имеют в корпусе прозрачное окно из кварцевого стекла, через которое УФ-излучение проникает к кристаллу (это окно в процессе эксплуатации обычно заклеено липкой лентой). Процесс стирания достаточно длительный и состоит из этапов:

• достать ИМС из панели устройства;

• открыть окно на корпусе;

• закоротить выводы ИМС полосками фольги;

• поместить ИМС под источник УФ - излучения (лампы ДРТ, ДРТИ и др.) на 30-^60 мин.

Электрическое стирание информации имеет преимущества - можно стирать информацию не со всего кристалла, а выборочно для каждого адреса. Длительность процесса перепрограммирования значительно меньше. Кроме того, пере­программировать данные можно, не извлекая ИМС из устройства.

Примером РПЗУ-УФ является ИМС К57ЭРФЗ с органи­зацией 4Кх16 бит (8 Кбайт), приспособленная для работы со стандартной магистралью МПС, имеет выход с тремя состояниями, встроенное адресное устройство, которое позволяет адресовать до 8 ИМС, выходы АДРЕС-ДАННЫЕ (ADIO- Address data input output) мультиплексированы (рис. 81).

Рис. 81. УГО ИМС К573РФЗ

Флэш-память (Flash-Memory) по типу ЗЭ и основным принципам работы подобна памяти типа РПЗУ-ЭС, однако по структуре может быть выделена в отдельный вид.

В схемах флэш-памяти не предусмотрено стирание от­дельных слов - стирается либо вся память, либо отдельные, достаточно большие блоки. Это позволяет упростить струк­туру и достичь высокого уровня интеграции и быстродейст­вия при снижении стоимости. Термин FLASH (Flash - вспышка, мгновение) по одной из версий связан с возможностью одновременного стирания всего объема информации. Первоначально это свойство использовалось для пресечения несанкционированного доступа к секретной информации - при попытке доступа информация автоматически стиралась.

Для ИМС флэш-памяти существует несколько типов структур, этот вид памяти непрерывно совершенствуется и используется во всем ассортименте цифровых устройств и систем - от ЭВМ (универсальных и управляющих самого различного назначения) до мобильных телефонов, цифровых фотоаппаратов и других устройств. В производстве исполь­зуется технология ЛИЗМОП.

Элементная база статических ОЗУ (SRAM)

Запоминающими элементами статических ОЗУ служат триггеры с цепями установки и сброса. В связи с этим стати­ческие ЗУ называют также триггерными.

Для SRAM характерны:

• невысокая степень интеграции (триггер в ИМС реали­зуется не менее, чем на 6 транзисторах);

• относительно высокая удельная стоимость;

• высокое быстродействие.

SRAM изготавливаются по одной из технологий: ТТЛ(Ш), ЭСЛ, n-МОП, КМОП и др.,они широко используется в КЭШ - памяти.

Как правило, SRAM имеют структуру 2DM. При не­большой информационной емкости могут строиться по структуре 2D.

Примерами серий ИМС статических ОЗУ являются се­рии К537 (КМОП) и К132 (п-МОП)

Часто имеют выходные каскады с третьим состоянием. Рассмотрим ИМС SRAM технологии ТТЛ К155РУ2. Это высокоскоростное ОЗУ емкостью 64 бит с организацией 16x4 структуры 2D (рис. 82).

Рис. 82 УГО ИМС К155РУ2

Особенностью ИМС являются инверсные выходы Q„ выполненные по схеме с открытым коллектором. При ис­пользовании ИМС выходы необходимо соединить с положи­тельным полюсом источника питания через резистор сопро­тивлением 0,5-1 кОм.

Выходы ИМС типа ОК можно соединить между собой для увеличения емкости ЗУ при использовании нескольких ИМС. При этом реализуется логика «монтажное И». На вы­ходе разряда ЗУ будет «1», если в разряде всех ИМС единич­ные сигналы и «0», если хотя бы на выходе одной ИМС низ­кий уровень. Этот прием используется для наращивания емкости при отсутствии третьего состояния.

Примером статического ОЗУ тех- нологии n-МОП может служить

ИМС К132РУ5 с организацией 4Кx1, емкостью 4Кбайт (рис. 99).

Рис. 83. ИМС К132РУ5

ИМС имеет входные и выходные логические уровни, совместимые с ТТЛ и выход с тремя состояниями. Назначение выводов:

А0 – А11 – входы адреса;

DI – Data input;

DO – Data output;

CS – разрешение работы ИМС;

W/R - запись/чтение.

Корпус ИМС имеет18 выводов,

его размеры 22,2х7,5 мм.

Элементная база динамических ОЗУ (DRAM)

В ИМС памяти динамического типа функции ЗЭ выпол­няет емкость, образованная внутри МДП (МОП) структуры. Информация представляется в виде заряда (наличие - «О», отсутствие - «1»). Поскольку время сохранения конденсато­ром заряда ограничено, предусматривается его периодиче­ское восстановление - регенерация с периодом в несколько миллисекунд.

Такой запоминающий элемент значительно проще триг­герного, что позволяет разместить на кристалле DRAM в 4.. .5 раз больше запоминающих элементов.

Известны запоминающие элементы различной сложно­сти. Чаще всего применяют однотранзисторные ЗЭ (рис. 84,а).

Рис. 84. Запоминающий элемент (а) и ИМС DRAM К565РУ5 (б)

На схеме:

• ЛЗС - линия записи/считывания;

• ЛВ - линия выборки;

• Сзэ - запоминающий элемент (емкость в цепи стока МОП-транзистора).

Ключевой МОП-транзистор под управлением сигнала с ЛВ отключает запоминающий элемент Сзэ от ЛЗС или под­ключает к ней.

Примером ИМС DRAM может служить К565 РУ5 - ОЗУ с организацией 64Кх1, выход с третьим состоянием, корпус с 16 выводами (рис. 84,6).

Для адресации 64К слов необходим 16-разрядный адрес, ИМС имеет только 8 выводов для разрядов адреса. Особен­ностью К565РУ5 (как и большинства ИМС DRAM) является мультиплексирование шины адреса. Адрес делится на два полуадреса, один из которых представляет адрес строки, а другой - адрес столбца запоминающего массива. Полуадреса подаются на одни и те же выводы ИМС, следовательно, чис­ло адресных выводов ИМС уменьшается вдвое.

1.25 Вторичные источники питания. Аналоговые и импульсные ВИП. Их достоинства и недостатки. Структура аналоговых ВИП. Им­пульсные блоки питания (ИБП) персональных компьютеров.

Первичные ИП – розетка сетевая 220В 50Гц

Вторичные источники питания

Преобразуют из первичного ИП в напряжение, требуемый уровень U

Структура аналоговых ВИП

Минусы: вес большой, затраты на медь и сталь

Рис. 85 Структура аналогового ВИП

В структуре аналоговых ВИП (рис. 85) можно выделить:

• фильтр входного переменного напряжения (применяет­ся редко);

• силовой трансформатор Тр (служит для понижения се­тевого напряжения до нужного значения и обеспечивает электрическую развязку нагрузки от питающей сети для за­щиты, как людей, так и питаемого оборудования);

• как правило, двухполупериодный выпрямитель для преобразования вторичного переменного тока в пульсирую­щий постоянный ток (показана мостовая схема двухполупериодного выпрямителя);

• сглаживающий фильтр (для получения постоянного на­пряжения с низким уровнем пульсаций из пульсирующего постоянного);

• стабилизатор (для создания на нагрузке постоянного напряжения, не зависящего от напряжения сети или измене­ния сопротивления нагрузки);

• устройства защиты УЗ (от превышения тока нагрузки, от короткого замыкания, от возрастания напряжения и др.).

В аналоговых (линейных) ВИП используется линейная стабилизация. Линейная стабилизация - создание постоянно­го напряжения с помощью непрерывно-управляемого пере­менного сопротивления, включенного последовательно (или параллельно) с нагрузкой (под переменным сопротивлением понимается электронный элемент или устройство). Эквива­лентная схема, поясняющая функционирование последова­тельного стабилизатора, приведена на рис. 86.

Рис. 86 Последовательности стабилизатор

На схеме:

• Uн/ст~ нестабилизированное напряжение;

• U_cт ~ стабилизированное напряжение (Uh/ct должно превышать U_Cт на значительную величину, называемую запасом на стабилизацию);

• R_H -сопротивление нагрузки, R_PEГ— регулирующий элемент

• I_Н - ток нагрузки.

Возможные варианты схем двухполупериодных выпрямителей приведены на рис. 87, а,б. Осциллограммы напряжений в точках 1,2,3 схемы аналогового ВИП приведены на рис, 87,в. На рис.87,а приведена схема выпрямителя, ис­пользующая трансформатор, имеющий вторичную обмотку со средней точкой. Достоинством схемы является экономия выпрямительных полупроводниковых диодов, недостатком - необходимость иметь две вторичные обмотки трансформатора.

Вариант двухполупериодного выпрямителя для двупо­лярного ИП, например, для питания операционных усилите­лей, приведен на рис. 87,6. Сглаживающие фильтры строят­ся на оксидных (электролитических) конденсаторах большой емкости по различным схемам.

Рис. 87 Варианты схем двухполупериодных выпрямителей

Оценим КПД аналогового ВИП с линейным стабилизатором. На регулирующем элементе R_PEr рассеивается мощность:

Здесь Р_нагр-полезная мощность, рассеиваемая на на­грузке, Рполн-полная мощность. Вывод: у аналогового ВР^П большие внутренние потери (мощность рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе). Это ограничивает приме­нение аналоговых ВИП, которые используются при неболь­шой мощности. Их преимуществом являются простота и на­дежность.

Использование интегральных стабилизаторов напряжения

Простейший стабилизатор напряжения, представляющий сочетание полупроводникового стабилитрона и резистора (так называемый параметрический стабилизатор) представлен на рис. 88.

Рис. 88 Простейший параметрический стабилизатор

Эта схема является параллельной, так как регулирую­щий элемент - стабилитрон VD1 включен параллельно на­грузке. Ток нагрузки (I_Н) примерно соизмерим с рабочим то­ком стабилитрона (для маломощного стабилитрона это, как правило, несколько миллиампер).

Импульсные ВИП

Их нельзя включать без нагрузки, иначе ЭДС самоиндукции выводит из строя транзисторы.

Структуры импульсных ВИП

Импульсные ВИП находят всё большее применение. С началом производства персональных компьютеров их ВИП уже выполнялись импульсными (другое название ИБП - им­пульсные блоки питания).

ИБП характеризуются:

• малыми габаритами и массой при большой мощности;

• высоким КПД (до 90% и более);

• большим диапазоном нагрузок (от 10 до 100% номина­ла);

• малой материалоемкостью (затратами меди на обмотки трансформаторов и ферромагнетиков для их сердечников);

• меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов большой мощности.

Эти положительные качества достигаются значитель­ным усложнением структуры современных ИБП.

Структура простейшего ИБП представлена на рис. 89.

Рис. 89 Структура простого импульсного блока питания

G – генератор честоты, управляющий транзисторам с частотой f и скважностью q

ИБП персональных компьютеров

На фоне стремительного развития ПК блоки питания изменились незначительно. За последнее время самое суще­ственное изменение связано с дистанционным (программ­ным) способом включения ИБП. Также возросла мощность ИБП, что связано с появлением большого количества новых внешних устройств. Частота f для современных ИБП - 60 кГц. Структурная схема ИБП стандарта ATX (Advanced Technology Extended) представлена на рис. 113.

По своей сути ИБП состоит из двух частей:

-СВФ - сетевой выпрямитель и фильтр (в него входит также входной фильтр для подавления импульсных помех в питающей сети), преобразующие переменное напряжение питающей сети 220В 50Гц в постоянное величиной около 300В;

ШИМ – широтно импульсная модуляция.

Проектирование информационных систем

2.1 Теоретические основы проектирова­ния ИС. Проект ИС - определение. Методы проектирования ИС, их характеристика. Средства разработки ИС, их характеристика. Принципы проектирования ИС.

Проектирование ИС – это процесс преобразования входной информации об объекте проектирования, о методах проектирования и об опыте проектирования объектов аналогичного назначения в соответствии с ГОСТом в проект ИС.

Проект ИС – это проектно-конструкторская и технологическая документация, в которой представлено описание проектных решений по созданию и эксплуатации ИС в конкретной программно-технической среде.

Структура проекта

• ручное проектирование - проектирование компонентов ИС осуществляется без использования специальных инструментальных программных средств, а программирование - на алгоритмических языках;

• компьютерное проектирование - генерация или конфигурация (настройка) проектных решений на основе использования специальных инструментальных программных средств

• оригинальное (индивидуальное) проектирование - все виды проектных работ ориентированы на создание индивидуальных для каждого объекта проектов, которые в максимальной степени отражают все его особенности;

• типовое проектирование - выполняется на основе опыта, полученного при разработке индивидуальных проектов. Типовые проекты как обобщение опыта для некоторых групп организационно-экономических систем или видов работ в каждом конкретном случае связаны со множеством специфических особенностей и различаются по степени охвата функций управления, выполняемым работам и разрабатываемой проектной документации.

• реконструкция - адаптация проектных решений выполняется путем переработки соответствующих компонентов (перепрограммирования программных модулей);

• параметризация - проектные решения настраиваются (перегенерируются) в соответствии с изменяемыми параметрами;

• реструктуризация - изменяется модель проблемной области, на основе которой автоматически перегенерируются проектные решения.

1. без использования ЭВМ (используется на всех стадиях этапах)

- ручного проектирования

- компьютерного проектирования

2. с использованием ЭВМ (могут использоваться на всех стадиях так и на отдельных этапах)

- операционные средства (поддерживают проектирование операций обработки информации)

алгоритмические языки, библиотеки стандартных подпрограмм и классов объектов, макрогенераторы, генераторы программ типовых операций обработки данных и т.п., а также средства расширения функций операционных систем (утилиты). В данный класс включаются также такие простейшие инструментальные средства проектирования, как средства для тестирования и отладки программ, поддержки процесса документирования проекта и т.п.

- средства, поддерживающие проектирование отдельных компонентов проекта ИС

системы управления базами данными (СУБД), методоориентированные пакеты прикладных программ (решение задач дискретного программирования, математической статистики и т.п.), табличные процессоры, статистические ППП, оболочки экспертных систем, графические редакторы, текстовые редакторы, интегрированные ППП

- средства, поддерживающие проектирование разделов проекта ИС

функционально-ориентированные средства проектирования: типовые проектные решения, функциональные пакеты прикладных программ, типовые проекты

- средства, поддерживающие разработку проекта на стадиях и этапах процесса проектирования

CASE-средства в свою очередь классифицируются в основном по двум признакам:

1) по охватываемым этапам процесса разработки ЭИС;

2) по степени интегрированности: отдельные локальные средства (tools), набор неинтегрированных средств, охватывающих большинство этапов разработки ЭИС (toolkit) и полностью интегрированные средства, связанные общей базой проектных данных – репозиторием (workbench).

Принципы проектирования

Экономико-организационные принципы:

1. Принцип эффективности информационной системы. Требует обеспечения соответствия системы своему назначению. Показатели экономической эффективности и качества информации определяет степень этого соответствия. Остальные принципы показывают пути достижения соответствия своему назначению.

2. Принцип стандартизации – подразумевает использование стандартов в процессе проектирования.

3. Принцип системного подхода – предполагает учет взаимосвязи отдельных элементов систем между собой и внешней средой. Этот продукт предусматривает порядок проектирования системы сверху вниз от общего к частному.

4. Принцип интеграции – отражает тенденцию создания ИС с расширенной функциональностью. Например, кадровый учет дополняется расчетом заработной платы.

5. Принцип новизны задач – решение ранее не решавшихся задач.

6. Принцип декомпозиции – разбивание на подсистемы.

7. Принцип декомпозиции процесса проектирования – разбиение на стадии и этапы.

8. Принцип участия пользователей – участие пользователей в процессе разработки, особенно на этапах анализа и прототипирования системы.

9. Принцип эффективности проектной деятельности – себестоимость проектирования должна быть существенно ниже рыночной цены ИС.

Информационно-технологические принципы:

1. Принцип моделирования – составление моделей для анализа и синтеза системы. *Математическое, информационное моделирование БД.

2. Принцип модульности - построение ИС в виде совокупности отдельных модулей, которые могут функционировать, как самостоятельно, так и отдельно.

3. Принцип адаптивности – легкость настраивания под новые условия. При этом требуется хорошая документированность системы.

4. Принцип открытости – возможность взаимодействия с другими системами на основе стандартов информационного обмена. *CORBA и COM.

5. Принцип интеллектуализации - информационная поддержка пользователя с помощью элементов, имитирующих интеллектуальную деятельность человека. * Экспертные системы, нейросети, интеллектуальный интерфейс и т.д.

6. Принцип дружественности – система д.б. ориентирована на пользователя-не программиста.

2.2 Технология проектирования ИС. Технология проектирования ИС - определение. Классификация технологий проектирования графическая интерпретация технологической операции. Компоненты технологической операции.

Технология проектирования ИС – это совокупность методологии и средств проектирования ИС, а также методов и средств организации проектирования (управление процессом создания и модернизации проекта ИС).

Классификация технологий проектирования.

В зависимости от степени компьютерной поддержки принято разделять технологии проектирования на канонические и индустриальные.

Каноническое (традиционное) проектирование предполагает использование инструментальных средств универсальной компьютерной поддержки и предназначено для создания индивидуальных проектов с учетом особенностей объекта применения ИС. Адаптация проектных решений затруднительна и возможна лишь путем перепрограммирования соответствующих модулей. Обычно каноническое проектирование используется для создания небольших локальных информационных систем, непредназначенных для тиражирования.

Технологии индустриального проектирования используют специальную компьютерную поддержку процесса проектирования, оправданную при разработке сложных интегрированных ИС. В этом случае процесс проектирования можно назвать программостроением. Данные технологии делятся на типовые и автоматизированные.

Технологии проектирования также можно классифицировать по используемой модели процесса проектирования. При этом различают технологии проектирования, использующие каскадную модель, спиральную модель, итерационную модель или RAD-технологию.

Формализация технологии проектирования ИС

Основой формализации технологии проектирования ИС является формальное определение технологической операции (ТО) проектирования в виде четверки:

<V – Вход, W – Выход, П – Преобразователь, R – Ресурсы, S – Средства>

В качестве компонентов входа и выхода используются множества документов D, параметров Р, программ G, универсальных множеств (универсумов) U. Для любых компонентов входа и выхода должны быть заданы формы их представления в виде твердой копии или электронном виде.

Компоненты формального определения TO

Документ D - это описатель множества взаимосвязанных фактов. С помощью документов описываются объекты материальных информационных потоков, организационной структуры, технических средств, необходимые для проектирования и внедрения ИС.

Параметр Р - это описатель одного факта. Параметр рассматривается как частный случай документа. Выделение параметров из состава документов подчеркивает значимость отдельных фактов в процессе проектирования ИС. Параметры выступают, как правило, в роли ограничений или условий процесса проектирования, например, объем финансирования, срок разработки, форма предприятия и т д.

Программа G - частный случай документа, представляющего описание алгоритма решения задачи, которое претерпевает свое изменение по мере изменения жизненного цикла ИС: от спецификации программы до машинного кода.

Универсум U - это конечное и полное множество фактов (документов) одного типа. Это множество альтернатив, выбор из которого конкретного экземпляра определяет характер последующих проектных решений (например, множества параметризированных описаний технических средств, программных средств (операционных систем, СУБД, ППП и т.д.), технологий проектирования и т.д.

Преобразователь П - это некоторая методика или формализованный алгоритм, или машинный алгоритм преобразования входа технологической операции в ее выход. Соответственно используются ручные, автоматизированные и автоматические методы реализации преобразователей. Для формализации преобразователей используются математические модели, эвристические правила, структурные схемы, псевдокоды.

Ресурсы R - набор людских, компьютерных, временных и финансовых средств, которые позволяют выполнить технологическую операцию. Наличие тех или иных ресурсов существенно сказывается на характере применяемой технологии проектирования.

Средства проектирования S - это специальный, вид ресурса, включающий методические и программные средства выполнения технологической операции. Если преобразователь является ручным, то средство проектирования представляет методику выполнения работы и в описании ТО дается ссылка на соответствующий бумажный или электронный документ. Если преобразователь является автоматизированным или автоматическим, в описании ТО указывается ссылка на название и описание программного средства, а также руководство по его эксплуатации, причем для автоматизированных преобразователей руководство по эксплуатации в большей степени должно быть ориентировано на методику работы проектировщика с помощью данного программного средства.

2.3 Процессы жизненного цикла про­граммного обеспечения. Жизненный цикл ПО - определение. Основные процессы и их задачи. Вспомогательные процессы и их задачи. Организационные процессы и их задачи.

ЖЦ – это период времени, который начинается в момент принятия решения о создании ПО и заканчивается в момент его полного изъятия из эксплуатации.

Основные процессы:

1. Приобретение (системы ПО);

1) инициирование приобретения;

2) подготовка заявочных предложений;

3) подготовка и корректировка договора,

4) надзор за деятельностью поставщика;

5) приемка и завершение работ.

2. Поставка;

1) инициирование поставки;

2) подготовка ответа на заявочные предложения;

3) подготовка договора;

4) планирование;

5) выполнение и контроль;

6) проверка и оценка;

7) поставка и завершение работ.

3. Разработка;

1) подготовительная работа;

2) анализ требований к системе;

3) проектирование архитектуры системы;

4) анализ требований к ПО;

5) проектирование архитектуры ПО;

6) детальное проектирование ПО;

7) кодирование и тестирование ПО;

8) интеграция ПО;

9) квалификационное тестирование ПО;

10) интеграция системы;

11) квалификационное тестирование системы;

12) установка ПО;

13) приемка ПО.

4. Эксплуатация (поддержка пользователя);

1) подготовительная работа;

2) эксплуатационное тестирование;

3) эксплуатация системы;

4) поддержка пользователей.

5. Сопровождение.

1) подготовительная работа;

2) анализ проблем и запросов на модификацию ПО;

3) модификация ПО;

4) проверка и приемка;

5) перенос ПО в другую среду;

6) снятие ПО с эксплуатации.

Вспомогательные процессы:

1. Документирование

1) подготовительная работа;

2) проектирование и разработка;

3) выпуск документации;

4) сопровождение.

2. Управление конфигурацией

1) подготовительная работа;

2) идентификация конфигурации;

3) контроль конфигурации;

4) учет состояния конфигурации;

5) оценка конфигурации.

3. Обеспечение качества

1) подготовительная работа;

2) обеспечение качества продукта;

3) обеспечение качества процесса;

4) обеспечение прочих показателей качества системы.

4. верификация

1) подготовительная работа;

2) верификация.

5. аттестация

1) подготовительная работа;

2) аттестация.

6. совместная оценка

1) подготовительная работа;

2) оценка управления проектом;

3) техническая оценка.

7. аудит

1) подготовительная работа;

2) аудит.

8. разрешение проблем.

1) подготовительная работа;

2) разрешение проблем.

Организационные процессы:

1. Управление ( с точки зрения руководства).

1) инициирование и определение области управления;

2) планирование;

3) выполнение и контроль;

4) проверка и оценка;

5) завершение.

2. создание инфраструктуры

1) подготовительная работа;

2) создание инфраструктуры;

3) сопровождение инфраструктуры.

3. усовершенствование

1) создание процесса;

2) оценка процесса;

3) усовершенствование процесса.

4. обучение

1) подготовительная работа;

2) разработка учебных материалов;

2.4 Стадии жизненного цикла программ­ного обеспечения. Стадия ЖЦ ПО - определения. Стадия формирования требований к ПО, ее этапы стадия проектирования, ее этапы. Стадия реализации, ее этапы. Стадия внедрения, ее этапы. Стадия эксплуатации, ее этапы.

Стадия создания ПО – это часть процесса создания ПО, ограниченная некоторыми временными рамками и заканчивающая выпуском конкретного продукта (моделей ПО, программных компонентов) определяемого заданными для данной стадии требованиями.

В состав ЖЦ ПО обычно включаются следующие стадии:

1) Формирование требований к ПО: иначе эту стадию называют планирование и анализ требований, либо предпроектная стадия. Она является одной из важнейших, поскольку определяет успех всего проекта.

Этапы:

-планирование работ – определение цели разработки, предварительная экономическая оценка проекта, составление плана-графика выполнения работ, создание и обучение совместной рабочей группы.

-проведение обследования деятельности автоматизируемого объекта– выявляются предварительные требования к будущей системе, определяется структура организации, перечень ее целевых функций, анализ распределения функций по подразделениям и сотрудникам, выявление функциональных взаимодействий между подразделениями и информационных потоков между ними, анализ существующих средств автоматизации.

-построение модели деятельности организации – модель AS-IS (КАК ЕСТЬ) и TO-BE (КАК БУДЕТ).

Результатом данной стадии является технико-экономическое обоснование.

2) Стадия проектирования:

-разработка системного проекта – на этом этапе дается ответ на вопрос, что должна делать будущая система, а именно определяется архитектура системы, ее функции, условия функционирования, распределение функций между пользователями и т.д. Результатом этого этапа является технического задание.

-разработка технического проекта – здесь дается ответ на вопрос, как построить систему, чтобы она удовлетворяла предъявленным к ней требованиям. Здесь выполняется проектирование системы, включающее в себя архитектуру системы и детальное проектирование. Результатом данного этапа является технический проект.

3) Стадия реализации:

-рабочее проектирование

-физическое проектирование

-кодирование(программирование)

Разработка и настройка программ, написание программного кода, наполнение баз данных, создание рабочих инструкций для персонала, оформление рабочего проекта.

На выходе: технический проект

4) Стадия внедрения:

- тестирование

- ввод в действие

Комплексная отладка подсистем ИС, тестирование, обучение персонала, поэтапное внедрение ИС в эксплуатацию по подразделениям экономического объекта, оформление акта о приемо-сдаточных испытаниях ИС.

На выходе: акт приемо-сдаточных работ

5) Стадия эксплуатации:

-сопровождение

-модернизация

Сбор рекламации и статистики о функционировании ИС, исправление ошибок и недоработок, оформление требований к модернизации ИС и ее выполнение (повторение стадий 2 - 5).

2.5 Разработка информационно­логической модели ИС. Предметная область, информационно-логическая модель, информационный объект - определена. Характеристика информационно-логической модели. Этапы разработки информационно-логической модели, пример.

Информационно-логическая модель отражает предметную область в виде совокупности информационных объектов и их структурных связей.

Предметная область – это мысленно-ограниченная область реальной действительности или область идеальных представлений, подлежащая описанию (моделированию) и исследованию. Предметная область состоит из объектов, различаемых по каким-либо свойствам или признакам и находящихся в определенных отношениях между собой или взаимодействующих каким-либо образом.

Информационный объект – описание некоторой сущности, явления, процесса в виде совокупности логически связанных реквизитов, атрибутов.

Инфологическая модель строится без ориентации на используемые в дальнейшем программные технические средства.

Цель инфологического проектирования заключается в представлении семантики (смысла) в предметной области. Она должна быть понятна заказчику, который не является специалистом в области БД. Эта модель полностью независима от физических параметров среды хранения данных, поэтому она не должна меняться до тех пор, пока не произойдут изменения в реальном мире, предметной области.

Инфологическая модель строится первой. Предварительная инфологическая модель строится еще на пред проектной стадии, а затем уточняется при проектировании. Затем на ее основе строятся концептуальная (логическая), внутренняя (физическая) и внешняя модели. Для описания предметной области наиболее часто используют модель «сущность-связь».

Этапы составления ИЛМ: (описание предметной области «деканат»):

В университете учатся студенты, которые распределены в разные группы. Каждая группа в конце семестра сдает несколько экзаменов по различным предметам. Экзамен проводит один преподаватель. Оценки за экзамен проставляются каждому студенту.

1. Определить сущности – Экзамен, преподаватель, студент.

2. Расставить связи между сущностями.

3. Определить реквизиты, либо атрибуты сущности.

2.6 Понятие структурного подхода к проектированию ИС. Функциональная модель, метод SADT - определения. Состав и структура функциональной модели, пример. Диаграммы потоков данных, пример компоненты DFD-диаграмм. Правила построения диаграмм потоков данных.

Структурно-функциональный (функционально-модульный): в его основу положен принцип функциональной декомпозиции, при которой структура системы описывается в терминах иерархии ее функций и передачи информации между отдельными функциональными элементами. Декомпозиция выполняется до конкретных неделимых операций или процедур.

Результатом применения данного метода является построение функциональной модели, которая предназначена для описания существующих бизнес-процессов. Она отображает функциональную структуру объекта, т.е. производимые им действия и связи между этими действиями и связи между ними.

Метод SADT (IDEF0) (Structured Analysis and Design Technique Метод структурного анализа и проектирования) совокупность правил для построения ФМ какой-либо предметной области. Результатом является модель, состоящая из диаграмм.

Состав ФМ:

Результатом применения метода-SADT является модель, состоящая из диаграмм, фрагментов текстов и глоссария, имеющих ссылки друг на друга.

Основные компоненты:

- Функциональный блок – это функция в глагольном наклонении

- Интерфейсная дуга (стрелочка) бывает 5 видов:

-- Вход – это объекты, используемые и преобразуемые работой для получения результата. Допускается отсутствие входа.

-- Управление – это информация, управляющая действиями ра-боты. Каждая работа должна иметь хотя бы одно управление.

-- Выход – это объекты, в которые преобразуются входы.

-- Механизмы – ресурсы, выполняющие работы.

-- Вызов – специальная стрелка, указывающая на другую модель работы.

Структура SADT-модели

DFD является дополнением к SADT и описывает документооборот и процесс обработки информации до ее ввода в систему до выдачи конечному пользователю.

Целью функциональной методики потоков данных является построение модели в виде диаграмм потока данных, обеспечивающих правильное описание выходов при заданном воздействии на вход системы. При создании диаграмм потоков данных используются следующие компоненты:

Компоненты:

- Процесс – преобразование входных потоков в выходные.

- Хранилище данных – «срезы» потоков данных во времени, информация, которую можно в любое время использовать и поместить в хранилище.

-Внешняя сущность – материальный объект вне контекста системы, источник или приемник информации.

- Потоки данных – абстракции, использующиеся для моделирования передачи информации из одной части системы в другую.

Пример IDEF0:

Правила:

-потоки данных не приходят из неоткуда и не уходят в некуда.

-напрямую внешние сущности и хранилища данных между собой не контактируют, только через процесс,

-внешняя сущность и хранилище не действуют напрямую, только через процесс. Т.к. имя механизма явно не указывается в DFD, то его можно указать в конце процесса (управление настройками админом)

К преимуществам методики DFD относятся:

• возможность однозначно определить внешние сущности, анализируя потоки информации внутри и вне системы;

• возможность проектирования сверху вниз, что облегчает построение модели "как должно быть";

• наличие спецификаций процессов нижнего уровня, что позволяет преодолеть логическую незавершенность функциональной модели и построить полную функциональную спецификацию разрабатываемой системы.

К недостаткам модели отнесем:

• необходимость искусственного ввода управляющих процессов, поскольку управляющие воздействия (потоки) и управляющие процессы с точки зрения DFD ничем не отличаются от обычных;

• отсутствие понятия времени, т.е. отсутствие анализа временных промежутков при преобразовании данных (все ограничения по времени должны быть введены в спецификациях процессов).

2.7 Разработка модели данных ИС. Модель данных - определение. Логические модели данных физические модели данных. Уровни моделей данных. Построение моделей данных. Общие задачи проектирования моделей данных.

Модель данных – это множество структур данных, ограничений целостности и операций манипулирования данными. С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними.

Логические модели данных (отображает логический взгляд для пользователей):

• диаграмма «сущность — связь» — самый высокий уровень модели данных определяет набор сущностей и атрибутов проектируемой системы. Цель этой диаграммы формирование общего взгляда на систему для ее дальнейшей детализации.

• модель данных, основанная на ключах — этот тип модели описывает структуру данных системы в которую включены все сущности и атрибуты в том числе и ключевые. Целью модели является детализация модели сущность — связь. После чего модель данных начинает реализовываться.

• полная атрибутивная модель — эта модель включает все сущности атрибуты и является наиболее детальным представление структуры данных. Полная атрибутивная модель представлена в третье нормальной форме.

Физические модели данных (информация для разработчиков)

Они содержат информацию необходимую системным разработчикам для понимания механизма реализации логической модели в СУБД.

Трансформационная модель: целью этой модели является предоставление информации администратору БД для создания эффективной структуры хранения, включающей в себя записи формирующие БД. Эта модель должна помочь разработчикам выбрать структуру хранения данных и реализовать систему доступа к ним.

Модель СУБД: на прямую транслируется из трансформационной модели, являясь отображением системного каталога. ERWin напрямую поддерживает эту модель через функцию генерации схемы БД. При этом модель имеет привязку к конкретной СУБД и оперирует соответствующими для этой СУБД типами данных.

Уровни моделей данных:

Уровень внешних моделей - это самый верхний уровень, где каждая модель имеет свое видение данных. Этот уровень определяет точку зрения на БД отдельных приложений. Каждое приложение видит и обрабатывает только те данные, которые необходимы именно этому приложению. Например, система распределения работ использует сведения о квалификации сотрудников, но ее не интересуют сведения об окладе, домашнем адресе – эти сведения используются в подсистеме отдела кадров.

Концептуальный уровень – центральное управляющее звено, здесь БД представлена в наиболее общем виде, который объединяет данные, используемые всеми приложениями. Фактически концептуальный уровень отражает обобщенную модель предметной области, для которой создавалась БД. Концептуальная модель отражает только существенные особенности объектов реального мира.

Физический уровень – это собственно данные, расположенные в файлах или на страничных структурах, расположенных на внешних носителях информации.

Построение модели данных

Построение физической и логической модели данных является основной частью проектирования БД. Полученная в процессе анализа инфологическая модель сначала преобразуется в логическую, а затем в физическую модель данных. После этого для разработчиков создается пробная БД на основе, которой можно создавать программной код. В идеале к моменту начала разработки модель данных должна быть устойчива. Проектирование БД не может быть оторвано от проектирования модулей и приложений, поскольку, бизнес-правила могут создавать объекты в БД, например, ограничения и хранимые процедуры, в таком случае говорят, что часть бизнес-логики переносится в БД.

Задачи, которые являются общими для проектирования моделей данных:

1.Выявление нереализуемых, необычных конструкций в ER-модели.

2.Изучение возможных, первичных, внешних ключей, описание ссылочной целостности.

3.Проектирование и реализация денормализации БД для повышения производительности.

4.Определение части бизнес-логики, которую надо реализовать в БД (хранимые процедуры).

5.Реализация ограничений и триггеров, их генерация.

6.Определение необходимых индексов, кластеров, горизонтальной фрагментации таблиц, оценка их размеров.

7.Определение размеров табличных пространств и особенностей их размещения на носителях информации, определение размеров системного каталога.

8.Определение пользователей БД, их уровней доступа, разработка и внедрение правил безопасности доступа.

9.Разработка топологии БД в случае распределенной БД, определение механизмов доступа к удаленным данным.

2.8 Разработка алгоритмов ИС. Алгоритм - определение. Правила построения алгоритмов. Этапы построения алгоритмов. Методы проектирования алгоритмов.

Алгоритм – формальное описание способа решения задачи путем разбиения её на конечную по времени последовательность действий или элементарных операций. При этом преобразуются допустимые исходные данные в желаемый результат.

Правила:

Первое правило – при построении алгоритма, прежде всего, необходимо задать множество объектов, с которыми будет работать алгоритм.

Второе правило – для работы алгоритма требуется память.

Третье правило – дискретность. Алгоритм строится из отдельных шагов (действий, операций, команд).

Четвертое правило – детерменированность. После каждого шага необходимо указывать, какой шаг выполняется следующим, либо давать команду остановки.

Пятое правило – сходимость (результативность). Алгоритм должен завершать работу после конечного числа шагов.

Этапы:

1. постановка задачи;

2. построение модели;

3. разработка алгоритма;

4. проверка правильности алгоритма;

5. реализация алгоритма;

6. анализ алгоритма и его сложности;

7. проверка программы.

Методы проектирования алгоритмов

Методы проектирования алгоритмов и их программирования очень разнообразны. Их можно классифицировать по различным признакам, основными из которых являются:

I. Степень автоматизации проектных работ:

a. Методы традиционного (неавтоматизированного) проектирования. Используются при разработке небольших по трудоемкости и структурной сложности программных продуктов, которые имеют преимущественно прикладной характер.

b. Методы автоматизированного проектирования (CASE-технология и ее элементы). Эти методы возникли с необходимостью уменьшить затраты на проектные работы, сократить сроки их выполнения, создать типовые «заготовки» алгоритмов и программ, многократно тиражируемых для различных разработок.

II. Принятая методология процесса разработки:

a. Структурное проектирование прикладных программ – в его основе лежит последовательная декомпозиция, целенаправленное структурирование на отдельные составляющие. Структурных подход представляет архитектуру прикладной программы в виде иерархии взаимосвязанных модулей и связи между ними. Типичными методами структурного проектирования являются: нисходящее проектирование, тестирование, кодирование программы, модульное и структурное программирование и т.д.

b. Информационное моделирование предметной области и связанных с ней приложений – в его основе находится положение об определяющей роли данных при проектировании алгоритмов и программ. Данных подход появился в условиях развития программных средств организации хранения и обработки данных. Составляющие данного подхода: информационный анализ предметной области; информационное моделирование; системное проектирование функции обработки данных; детальное конструирование процедур обработки данных.

c. Объектно-ориентированное проектирование прикладных программ – основано на: выделении классов объектов, установлении характерных свойств объектов и методов их обработки, создание иерархии классов. Данных подход предполагает объектно-ориентированный анализ предметной области, проектирование и разработку.

2.9 Основы проектирования пользова­тельского интерфейса. Пользовательский интерфейс (ПИ) - определение. Аппаратное и программное обеспечение ПИ. Принципы ПИ правила ПИ. Этапы разработки ПИ.

Пользовательский интерфейс (человеко-машинный диалог) – своеобразный коммуникационный канал, по которому осуществляется взаимодействие пользователя и компьютера.

Лучший ПИ – это такой интерфейс, которому пользователь не должен уделять много внимания, почти не замечать его, такой интерфейс называется прозрачным.

В аппаратное обеспечение ПИ входят две группы устройств:

1. Устройства пользовательского ввода, обеспечивающее управление техникой:

• Символьные устройства ввода

• Координатные устройства ввода

• Другие

2. Устройства вывода информации для пользователя:

• Символьные и графические устройства вывода

• Звуковые устройства вывода

Программное обеспечение состоит из нескольких функциональных групп:

1. Драйверы – обеспечивают работу аппаратных средств пользовательского ввода-вывода.

2. Средства реализации интерфейса – совокупность программ, реализующих логику работы элементов ПИ. Эти средства полностью определяются типом реализуемого интерфейса. Это прослойка между драйверами и приложением пользователя.

3. Средства функционального наполнения ПИ – полностью определяются задачами, решаемыми с помощью интерфейса. Эти средства реализуют определенную идеологию взаимодействия, т.е., что именно должен вводить и получать пользователь.

Принципы построения ПИ:

1) Золотое сечение – это комфортная для глаза пропорция

2) Кошелек Миллера – группировка элементов в программе с учетом правила не более 7 в группе, в крайнем случае, 9 элементов. Если необходимо в течение короткого времени сохранять информацию, то лучше запоминать не более 7.

3) Принцип группировки – экран должен быть разбит на ясно очерченные блоки элементов с заголовками для каждого блока. Расположение элементов в группах должно быть хорошо продумано.

4) Бритва Оккама – не множить сущности без надобности: любая задача должна решаться минимальным числом действий; логика этих действий должна быть очевидна для пользователей; движение курсора и глаз пользователя должны быть оптимизированы.

5) Видимость отражает полезность – вынести самую важную информацию и элементы управления на первый план и сделать их легкодоступными для пользователя.

6) Умное заимствование – заимствование широко распространенных приемов дизайна интерфейсов позволит сократить время обучения и повысить комфорт пользователя, с учетом приобретенных ранее им навыков.

Правила разработки ПИ:

1) Дайте контроль пользователю:

• Позвольте использовать мышь и клавиатуру

• Показывайте поясняющие сообщения

• Обеспечьте немедленные и необратимые действия

• Учитывайте разные уровни навыков пользователей

• Используйте прозрачный пользовательский интерфейс

• Дайте возможность настроить интерфейс пользователю

2) Уменьшите нагрузку на память пользователя:

• Не нагружайте кратковременную память

• Обеспечьте визуальные подсказки

• Увеличьте визуальную ясность

• Объясняйте понятия и действия

• Полагайтесь на распознавание, а не на повторение

3) Сделайте интерфейс совместимым:

• Проектирование последовательного интерфейса

• Общая совместимость всех программ

• Сохранение результатов взаимодействия

• Поощрения изучения

Этапы разработки ПИ:

Первый этап: сбор и анализ информации, поступающей от пользователей

Второй этап: разработка пользовательского интерфейса

Третий этап: построение пользовательского интерфейса

Четвертый этап: подтверждение качества пользовательского интерфейса, тестирование

2.10 Проектирование основных компо­нентов пользовательского интерфей­са. Пользовательский интерфейс (ПИ) - определение. Проектирование иерархического меню ПИ. Проектирование иерархического меню ПИ проектирование отчетов ПИ.

Пользовательский интерфейс (человеко-машинный диалог) – своеобразный коммуникационный канал, по которому осуществляется взаимодействие пользователя и компьютера.

Проектирование иерархического меню

Проектирование меню предполагает следующие работы:

• Проектирование содержания меню

• Проектирование форм меню

• ПО меню

Проектирование содержания меню – требует изучения предметной области и обоснование состава задач, образующих функциональную часть системы и их иерархические взаимосвязи. Для этого требуется выяснить должностные обязанности пользовательской системы, выбор пункта меню может совершаться:

• Появлением на экране меню нижнего уровня

• Выполнением команды

• Выполнением процедуры

• Появлением «заглушки»

В главном меню следует предусмотреть пункт выход.

Проектирование формы меню – иерархическое меню обычно содержит главное меню в виде горизонтально расположенной линейки. Выбор пункта этого меню приводит к появлению всплывающего меню – а далее каскадное меню. Все меню, начиная с 3го уровня, называются каскадными. Существует ряд правил, которыми следует руководствоваться при проектировании формы меню:

1.Количество уровней в меню должно быть не более 2-3.

2.Пользователь должен знать, в какой точке иерархического меню он находится, т. е. следы предыдущих уровней должны оставаться.

3.Пункты меню не нумеруются.

4.Название пунктов горизонтального меню должно быть коротким – из одного слова.

5.Заглавной должна быть только первая буква названия пункта.

6.Пункт меню может быть выбран по первой (выделенной) букве его названия. Если первая буква названия пункта меню не является уникальной, то можно назначить любую выделенную букву.

7.Для выбора пункта всплывающего меню должна быть предназначена «горячая» клавиша, поскольку путь к нему через главное меню может быть долгим.

8.Пункты, к которым часто обращаются, должны быть расположены в начале меню. Если присутствует пункт «Помощь», то он располагается в начале главного меню, а пункт «Выход» – в конце.

9.Логически взаимосвязанные пункты всплывающего меню объединяются в группы сплошной горизонтальной линией и могут получить свои подзаголовки.

10.При формировании меню может быть выбрана цветовая схема. Вертикальное (всплывающее) меню может быть выделено тенью

Проектирование экранных форм

Экранные формы образуют основу интерфейса в человеко-машинном диалоге. Порядок проектирования экранной формы подразумевает следующие этапы:

• проектирование содержания экранной формы — зависит от ее назначения. По назначению можно выделить 4ре класса экранных форм:

-для ввода информации в БД, то есть формирования и ведения БД

-для ввода параметров обработки информации по задаче и идентификаторов запросов (условия выборки)

-для вывода результатов решения задачи (отчетов) и справочной информации

-комбинированные формы, предусматривающие многоцелевое назначение (диалоговые окна)

• проектирование ее формы представления (формы экрана)

• программное обеспечение экранной формы

Проектирование сценария диалогового режима решения задачи состоит в разработке взаимосвязанной последовательности экранных форм и правил перехода между ними. Содержание экранных форм должно отвечать принципу дружественности: обозначение реквизитов должны быть представлены на русском языке в соответствии с привычной для пользователя терминологией, процесс ввода информации должен сопровождаться подсказками и контролем. Результатом проектирования содержания экранной формы является ее реквизитный состав. С указанием методов контроля и связи с файлами БД.

Следующий этап проектирования это Проектирование ее формы представления на экране машины, информация на экране может размещаться в 4х зонах:

• заголовок экранной формы — располагается в верхней строке экрана

• предметная часть экранной формы предназначена для размещения вводимой информации.

Зона управляющих элементов, включает в себя различные виды меню, это зона действий конечного пользователя.

• Зона сообщений содержит подсказки и сообщения об ошибках, обычно она занимает нижнюю строку экрана.

Проектирование отчетов

Отчет представляет собой полученный на принтере выходной документ, предназначенный для конечного пользователя. Проектирование отчетов (машинограмм) состоит из следующих этапов:

1.Проектирование содержания отчета.

2.Проектирование формы отчета.

3.Программное обеспечение формирования отчета.

Структура формы отчета содержит заголовок, предметную часть и основание.

Заголовок и основание печатаются иногда в виде отдельного титульного листа, который содержит следующую информацию: наименование организации, название задачи, подписи и дату решения задачи.

Предметная часть печатается в табличной форме.

Основное содержание отчета составляют реквизиты файлов базы данных. Кроме того, при формировании отчет, а могут быть получены и включены в отчет вычисляемые реквизиты.

В отчет могут быть включены результаты вычислений, охватывающие несколько записей файла.

В отдельных случаях в отчет включается избыточная информация для контроля правильности этапа выдачи информации. Результатом проектирования содержания отчета является его реквизитный состав с указанием связи реквизитов с файлами базы данных или выражениями для их вычислений

Первым прототипом можно считать распечатку всех экранных форм. После выявления ошибок создается второй прототип с использованием какой-либо презентационной программы. Наконец, создается третий прототип с использованием среды разработки. Этот прототип совершенствуется с целью сокращения времени выполнения задачи.

2.11 Стандарты в проектировании ИС. Понятие стандарта, его назначение стандарт проектирования. Стандарт оформления проектной документации. Стандарт пользовательского интерфейса. Система технической документации на АСУ - примеры. Международные методологии по созданию ИС - примеры.

Стандарты, как нормативно-технические документы, устанавливают комплекс норм, правил, требований к объекту стандартизации. Применение стандартов способствует улучшению качества программных средств, повышению развития информатизации процессов, росту эффективности внедрения программных средств и устраняет разнобой при создании их различными разработчиками. Реальное применение любой технологии проектирования, разработки и сопровождения ИС в конкретной организации, и конкретном проекте невозможно без выработки ряда стандартов, которые должны соблюдаться всеми участниками проекта. К таким стандартам относятся следующие:

Стандарт проектирования, должен устанавливать:

· Набор необходимых моделей (диаграмм) на каждой стадии проектирования и степень их детализации

· Правило фиксации проектного решения на диаграммах, в том числе: правила именования объектов, набор атрибутов для всех объектов и правил их заполнения на каждой стадии, правила оформления диаграмм и т.д.

· Требования к конфигурации рабочих мест разработчиков, включая настройки операционной систему, настройки k-средств и общие настройки проекта

· Механизм обеспечения совместной работы над проектом, в том числе: правила интеграции подсистем проекта, правила поддержания проекта в одинаковом для всех разработчиков состоянии

Стандарт оформления проектной документации, должен устанавливать:

· Комплектность, состав и структуру документации на каждой стадии проектирования

· Требования к ее оформлению, включая требования к содержанию разделов, пунктов и т.д.

· Правила подготовки, рассмотрения, согласования и утверждения документации с указанием предельных сроков для каждой стадии

· Требования к настройке издательской системы, используемой в качестве встроенного средства подготовки документации

· Требования к настройке k-средств для обеспечения подготовки документации в соответствии с установленными требованиями

Стандарт пользовательского интерфейса, должен устанавливать:

· Правила оформления экранов, состав расположения окон и элементов управления

· Правила использования клавиатуры и мыши

· Правила оформления текстов помощи

· Перечень стандартных сообщений

· Правила обработки реакций пользователя

Система технической документации на АСУ:

ГОСТ 24.103-84 Автоматизированные системы управления. Общие положения

ГОСТ 24.202-80 Требования к содержанию документа "ТЭО создания АСУ"

ГОСТ 24.203-80 Требования к содержанию общесистемных документов

ГОСТ 34.601-90 Автоматизированные системы. Стадии создания

ГОСТ 34.602-89 ТЗ на создание АС

Основные международные методологии по созданию ИС:

• IDEF0 – используется для создания функциональной модели, которая является структурированным отображением функций производственной системы или среды, а также информации и объектов, связывающих эти функции.

• IDEF1x – является методом для разработки реляционных баз данных.

• DFD – диаграммы потоков данных.

2.12 Проектная документация ИС. Понятие проектной документации, ее назначение. Технико-экономическое обоснование. Техническое задание. Технический проект рабочий проект.

Проектная документация – совокупность взаимосвязанных документов, отражающих всю информацию, связанную с подготовкой, разработкой, реализацией и завершением проекта и функционирующих на протяжении всего ЖЦ проекта.

Вся проектная документация имеет функциональное назначение, в том числе:

· нормативно-техническое (информационно-библиографическая, программная документация и другие стандарты);

· проектное (графические, текстовые, машинно-ориентированные документы и т. д.);

· конструкторское (технические условия задания, расчеты, методики испытаний, паспорта, формуляры, инструкции по эксплуатации, спецификации);

· технологическое (графические или текстовые документы, регламентирующие процесс производства продукции);

· организационное (схемы организационных структур управления, регламентирующие документы) и т. п.

Технико-экономическое обоснование (ТЭО)

В ТЭО четко сформулировано, что получит заказчик, если согласится финансировать проект, когда он получит готовый продукт, и сколько это будет стоить на различных этапах работ. В документе желательно отразить не только затраты, но и выгоды проекта (срок окупаемости, ожидаемый экономический эффект).

Ориентировочное содержание этого документа:

• Ограничения, риски, условия, при которых предполагается эксплуатировать систему, архитектура системы, программные и аппаратные ресурсы, пользователи и т.д.

• Сроки завершения отдельных этапов, привлекаемые ресурсы, промежуточные результаты, меры по защите информации.

• Описание функций системы.

• Возможности развития системы.

• Информационные объекты системы.

• Требования к программным и информационным компонентам ПО.

• Распределение функций между человеком и системой.

• Что не будет реализовано в рамках проекта.

Техническое задание

Техническое задание – это документ, определяющий цели, требования и основные исходные данные, необходимые для разработки ИС. Это документ, обращенный к исполнителю. Техническое задание оформляется в соответствии с ГОСТом 34.602-89.

Содержание технического задания:

• Цель создания системы, состав подсистем и функциональных задач.

• Требования, предъявляемые к функциональным подсистемам.

• Требования к обеспечивающим подсистемам, например, информационное обеспечение, программное, техническое и т.д.

• Общие требования к проектируемой системе.

• Перечень задач создания системы и исполнителей.

• Этапы создания системы и сроки их выполнения.

• Предварительный расчет экономической эффективности и затрат.

Технический проект системы

Технический проект – это техническая документация, содержащая общесистемные проектные решения, алгоритм решения задач, а также оценку экономической эффективности ИС и перечень мероприятий по подготовке объекта к внедрению (ГОСТ 34.201-89).

Содержание технического проекта:

• Состав и количество технический средств с привязкой к узлам обработки данных.

• Организационная структура после внедрения системы.

• Система кодирования и кодификаторы технико-экономической информации.

• Алгоритмы функциональных задач.

• Постановка задач (подробное описание выполнения задач).

• План мероприятий по подготовке объекта к внедрению в систему.

• Уточненный расчет ожидаемой экономической эффективности.

Рабочий проект

Рабочий проект содержит результаты кодирования или адаптации готовых программ, компонентов.

В состав рабочего проекта входят:

• Описание программы

• Спецификация программы

• Текст программы

• Контрольные примеры

• Инструкции для системного программиста, оператора и пользователя.

В состав технологической документации входят:

1) Технологические карты – разрабатываются на процессы обработки информации при решении задач каждого класса.

2) Инструкционные карты – составляются на каждую технологическую операцию.

3) Технологические инструкции, которые соответствуют должностным инструкциям. В должностным инструкциях указывается, что нужно сделать, а в технологических – как это сделать.

Структура проекта ИС

2.13 Типовое проектирование ИС. Типовое проектирование ИС - определение. Типовое проектное решение - определение. Методы типового проектирования ИС - характеристика классификация типовых ИС. Методы конфигурирования ИС.

Типовое проектирование ИС – создание системы из готовых покупных типовых элементов (типовых проектных решений).

Типовое проектное решение (ТПР) – проектное решение, представленное в виде проектной документации, включая программные модули, пригодные к многократному использованию.

Методы:

Признаком классификации типового проектирования является степень охвата автоматизированной системы типовым решением. С этой токи зрения выделяют следующие методы типового проектирования:

Элементный метод (Библиотеки методо-ориентированных программ)

в качестве типового элемента системы используется типовое проектное решение по задаче или отдельному виду обеспечения

Подсистемный метод (Пакеты прикладных программ)

в качестве типовых элементов выступают отдельные подсистемы, которые обеспечивают функциональную полноту, минимизацию внешних информационных связей и параметрическую настраиваемость.

Системный метод (Отраслевые проекты ИС)

в качестве типового элемента используются типовые проекты в целом, включающие в себя полный набор функциональных и обеспечивающих подсистем.

Классификация типовых ИС

Основным признаком классификации типовых ИС является их функциональность.

Выделяют следующие классы типовых ИС:

Методы конфигурирования типовой ИС:

1. Параметрически-ориентированное проектирование. Метод предполагает настройку исходной типовой ИС по параметрам. Значения параметров выбираются в соответствии с особенностями объекта информатизации. Изменяя параметры, можно включать и выключать какие-либо программные модули или влиять на режим их работы.

2. Встроенные языки программирования. Функциональная настройка компонентов ИС, а также их объединение в законченную конфигурацию выполняются с помощью встроенного языка. В его основу может быть положен, например, упрощенный вариант синтаксиса алгоритмического языка Pascal.

3. Генераторы форм и отчетов. Генератор форм и отчетов представляет собой программный компонент, позволяющий дать описание того, как должны выглядеть формы для ввода информации и отчеты для вывода результатов, а также осуществить их автоматическое формирование. Например, генератор отчетов FestReport – это полностью визуальный генератор, т. е. позволяющий построить большинство отчетов, пользуясь только «мышью».

4. Модельно-ориентированное проектирование. Сущность метода сводится к адаптации компонентов типовой ИС в соответствии с моделью проблемной области конкретной организационно-экономической системы. Для этого технология проектирования должна поддерживать как модель типовой ИС, так и модель конкретного предприятия, а также средства поддержания соответствия между ними. Ядром типовой ИС является постоянно развиваемая модель предметной области (предприятия), поддерживаемая в репозитории, на основе которого осуществляется конфигурация программного обеспечения. Таким образом, проектирование и адаптация ИС сводятся, прежде всего, к построению модели предметной области и ее периодической корректировке.

2.14 Инструментальные средства проек­тирования ИС. CASE-технология - определение. Инструментальные CASE-средства - определение. Архитектура CASE средства, принципы CASE-технологий классификация CASE-средств.

CASE (Computer Aided Software/System Engineering) – проектирование программного обеспечения или системы на основе компьютерной поддержки. Такое проектирование называется CASE-технологией проектирования.

CASE-технология – это совокупность методов анализа, проектирования, разработки и сопровождения ИС с использованием компьютеров.

Основная цель CASE-технологии состоит в том, чтобы отделить процесс проектирования ИС от ее кодирования и последующих этапов разработки, а также максимально автоматизировать процесс разработки и функционирования систем.

Инструментальные средства CASE – это специальные программы, которые поддерживают одну или несколько методологий анализа и проектирования ИС.

Взаимосвязь основных структурных компонентов CASE-средства и их характеристика:

Компоненты CASE-средства

Компоненты CASE-средства:

Репозиторий – специальная база данных, содержащая информацию о проекте ИС. Репозиторий содержит информацию, характеризующую диаграммы, связи между диаграммами, структуры данных, программные модули, права доступа проектировщиков ИС и т. д. Репозиторий обеспечивает хранение версий проекта, групповую работу над проектом, контроль полноты и непротиворечивости данных. В репозиторий предусматриваются архивация и резервное копирование проектных данных.

Графический редактор диаграмм предназначен для отображения в заданных нотациях всех диаграмм проектирования ИС. Редактор диаграмм может создавать элементы диаграмм и связи между ними.

Средства контроля и сбора статистики выполняют следующие функции:

• проверка правильности построения диаграмм и выдача сообщений об ошибках;

• выделение на диаграмме ошибочных элементов;

• сбор статистики ошибок в процессе проектирования.

Генератор документов формирует выходные документы, содержащие диаграммы проекта в соответствии с запросом проектировщика.

Администратор проекта занимается административными функциями проектирования, в числе которых:

• назначение и изменение прав доступа к репозиторию;

• мониторинг процесса проектирования.

Браузер позволяет осуществлять просмотр проекта, в том числе переключение от одной диаграммы к другой и т.д.

Генератор кодов программ на основе моделей проекта, хранящихся в репозиторий, создает код программы.

Принципы CASE-технологий

Существует несколько принципов CASE-технологий:

1. Принцип всесторонней компьютерной поддержки проектирования.

2. Принцип модельного подхода – выделяют методологию функционального и объектно-ориентированного проектирования.

3. Иерархическое представление модели предметной области – декомпозиция модели сверху вниз.

4. Наглядность представления модели – с помощью визуальных средств проектирования.

5. Декомпозиция процесса проектирования на стадии и этапы: анализ, проектирование, программирование и внедрение.

6. Перенесение трудоемкости разработки в большей степени на анализ и проектирование – ошибки на последующих стадиях труднее исправить.

7. Отделение, независимость стадий проектирования от средств реализации, от программирования.

8. Возможность как прямого, так и обратного проектирования.

9. Использование репозитория – центрального компонента CASE-средства.

Классификация CASE-средств

По аналогии с классификацией ИС, для создания которых предназначены CASE-средства выделяют следующие:

- локальные (Design/IDEF, CASE, Аналитик) – для анализа и разработки АРМ, поддерживают 1-2 типа моделей и методов.

- малые интегрированные (AllFusion Modeling Suite, Silverrun) – для создания небольших интегрированных ИС, поддерживают несколько типов моделей и методов.

- средние интегрированные CASE-средства (Rational Rose, Designer/2000,Caseberry) – 4-15 типов моделей и методов.

Помимо приведенной выше классификации возможны и другие классификации, например по следующим признакам:

- по поддерживаемым методологиям проектирования: функционально (структурно)-ориентированные, объектно-ориентированные и комплексно-ориентированные (набор методологий проектирования);

- по поддерживаемым графическим нотациям построения диаграмм: с фиксированной нотацией, с отдельными нотациями и наиболее распространенными нотациями;

- по степени интегрированности: tools (отдельные локальные средства), toolkit (набор неинтегрированных средств, охватывающих большинство этапов разработки ИС) и workbench (полностью интегрированные средства, связанные общей базой проектных данных – репозиторием);

- по типу и архитектуре вычислительной техники: ориентированные на ПЭВМ, ориентированные на локальную вычислительную сеть (ЛВС), ориентированные на глобальную вычислительную сеть (ГВС) и смешанного типа;

- по режиму коллективной разработки проекта: не поддерживающие коллективную разработку, ориентированные на режим реального времени разработки проекта, ориентированные на режим объединения подпроектов;

- по типу ОС: работающие под управлением WINDOWS, UNIX, под управлением различных ОС.

2.15 Организация процесса конструиро­вания. Технология конструирования ПО - определение, стратегии конструирования ПО, классический жизненный цикл - рисунок, характеристика инкрементная модель - рисунок, характеристика спиральная модель - рисунок, характеристика.

Технология конструирования программного обеспечения (ТКПО) — система инженерных принципов для создания экономичного ПО, которое надежно и эффективно работает в реальных компьютерах.

Процесс конструирования ПО состоит из последовательности шагов, использующих методы, средства и процедуры, такая последовательность шагов называется парадигмой (стратегией).

- однократный проход (водопадная стратегия) — линейная последовательность этапов конструирования с определением всех требований в начале процесса. Особенность: переход на следующую стадию осуществляется только после того, как будет полностью завершена работа на текущей стадии и возврата на пройденные стадии не предусматривается. Каждая стадия заканчивается получением некоторых результатов, которые служат исходными данными для следующей стадии. Каждая стадия заканчивается набором соответствующей документации

- инкрементная стратегия. В начале процесса определяются все пользовательские и системные требования, оставшаяся часть конструирования выполняется в виде последовательности версий. Первая версия реализует часть запланированных возможностей, следующая версия реализует дополнительные возможности и т. д., пока не будет получена полная система (запланированное улучшение продукта);

- эволюционная стратегия. Система также строится в виде последовательности версий, но в начале процесса определены не все требования. Требования уточняются в результате разработки версий.

Модели конструирования ПО:

Классический ЖЦ или каскадная модель

Достоинства этого цикла:

1. Даёт план и временной график по всем этапам проекта;

2. Упорядочивает ход конструирования;

Недостатки этого цикла:

1. Реальные проекты часто требуют отклонения от стандартной последовательности шагов;

2. Цикл основан на точной формулировке исходных требований к ПО;

3. Результаты проекта доступны заказчику только в конце работы.

Инкрементная модель – сочетание каскадной модели и макетирования: 1-ый инкремент приводит к получению базового продукта, реализующего базовые требования, 2-ой инкремент предусматривает модификацию базового продукта, обеспечивая дополнительные характеристики и функциональность и т.д. На каждом инкременте получается работающий продукт.

Данная модель объединяет элементы последовательной водопадной модели и итерационной философии макетирования.

Инкремент – это операция увеличения на некоторую фиксированную величину.

Быстрая разработка приложений (RAD – rapid application Development)

Это тоже конструирование инкрементной стратегии. Отличие её в следующем: это высокоскоростная адаптация линейной последовательной модели, в которой быстрая разработка достигается за счет использования компонетно-ориентированного конструирования.

Спиральная модель

1 – начальный сбор требований и планирование проекта; 2 – та же работа, но на основе рекомендаций заказчика; 3 – анализ риска на основе начальный требований;

4 – анализ риска на основе реакции заказчика; 5 –переход к комплексной системе;

6 – начальный макет системы; 7 – следующий уровень макета;

8 – сконструированная система; 9 – оценивание заказчиком.

Сравнительная характеристика ТКПО:

2.16 Планирование проектных задач. Модели качества процессов констру­ирования. Типовая структура распределения работ (рис). Распараллеливание задач, вехи. Правило распределения временных затрат проекта международные стандарты качества процесса конструирования ПО, уровни зрелости модели СММ.

Основной задачей при планировании является определение структуры распределения работ.

Первыми выполняются системный анализ и анализ требований, которые закладывают фундамент для последующих параллельных задач.

Системный анализ проводится с целью:

• выяснения потребностей заказчика

• оценки выполнимости системы

• выполнение экономического и технического анализа

• распределения функций между элементами системы

• определения стоимости и ограничений проекта

Планирование проектных задач

WBS – Work Breakdown Structure (структуры распределения работ)

Типовая структура распределения структур

Результаты системного анализа сводятся в системную спецификацию, в которой описываются функции, характеристики системы, входная и выходная информация.

Результатом анализа требований является спецификация требований.

В результате выполнения предварительного проектирования оформляется технический проект, детального проектирования – рабочий проект, кодирования – программный код.

Согласно типовой структуре возможно распараллеливание некоторых работ при создании модулей.

Вехи (ромбики) – это процедуры контроля промежуточных результатов, которые должны быть расставлены через регулярные интервалы.

Правило распределения временных затрат проекта (рекомендуемое) – 40-20-40:

• анализ и проектирование (40%) (из них на планирование и системный анализ - 5%)

• кодирование (20%)

• тестирование и отладка (40%)

В современных условиях очень важно гарантировать высокое качество вашей продукции. Такую гарантию даёт сертификат качества процесса, подтверждающий его соответствие принятым международным стандартом, таким как:

ISO 9001-2000 – данный стандарт основан на процессах разработки из любых областей человеческой деятельности.

ISO/IEC 15504 – данный стандарт специализирует на процессах программной разработке и отличается от предыдущего более высоким уровнем детализации. Объем данного стандарта превышает 500 страниц. Значительная часть идеи данного стандарта взята из СММ (модель зрелости процесса конструирования ПО).

Базовым понятием модели CMM является зрелость компании.

Незрелая компания – процесс конструирования и принимаемые решения зависят только от таланта конкретных разработчиков. В связи с этим высока вероятность превышения бюджета и срыва сроков окончания проекта.

Зрелая компания – работают ясные процедуры управления проектами и построения программных продуктов, которые по мере необходимости уточняются и дополняются. Оценка длительности и затрат разработки точна, основывается на накопленном опыте. В компании действует корпоративный стандарт на процессы разработки.

В модели CMM зафиксированы 5 уровней зрелости и предусмотрен плавный поэтапный подход к совершенствованию процессов для улучшения качества процесса конструирования.

2.17 Принципы объектно- ориентированного представления программных систем. Понятие объектно-ориентированного подхода к проектированию ИС абстрагирование инкапсуляция. Модульность, свойства модулей. Иерархическая организация.

Программная система – это сложная система, которая требует применения декомпозиции.

Декомпозиция — разбиение на составляющие элементы

Декомпозиция программных систем:

- алгоритмическая;

В основе алгоритмической декомпозиции лежит разбиение по действиям — алгоритмам. Эта схема представления применяется в обычных ИС.

- объектно-ориентированная.

Объектно-ориентированная декомпозиция обеспечивает разбиение по автономным лицам — объектам реального (или виртуального) мира. Эти лица (объекты) — более «крупные» элементы, каждый из них несет в себе и описания действий, и описания данных.

ООППС (объекто-ориентированное представление программных систем) основывается на ряде принципов:

- Абстрагирование

Принцип абстрагирования – сводится к формированию абстракций – основных характеристик объекта, которые отличают его от других видов объектов. Абстракция концентрирует внимание на внешнем представлении объекта, позволяет отделить основное в поведении объекта от его реализации (мы видим, как в часах стрелочка тикает, но не видим, как работает шестеренки). Абстракцию удобно строить путем выделения обязанностей объекта.

Часы: абстракция – показывает время

- Инкапсуляция

Инкапсуляция достигается за счет информационной закрытости. Обычно скрываются структура объектов и реализация их методов. Инкапсуляция служит для отделения интерфейса абстракции от ее реализации. Инкапсуляция является процессом разделения элементов абстракции на секции с различной видимостью.

- Модульность

Модульность – это свойство системы, которое может подвергаться декомпозиции на ряд внутренне связанных и слабо зависящих друг от друга модулей.

Модуль – это фрагмент программного текста, являющийся строительным блоком для физической структуры системы.

Свойства:

1.Информационная закрытость – содержание модулей должно быть скрыто друг от друга, все модули должны быть независимыми и обмениваться только той информацией, которая нужна им для работы. Доступ к операциям и структурам данных модуля ограничен. Идеальный модуль это черный ящик.

2.Связность модуля – это мера зависимости его частей, внутренняя характеристика модуля. Чем выше связность, тем лучше результат проектирования. Для измерения связности использую понятие силы связности. Существует 7 типов связностей:

3. Сцепление модулей – это мера взаимозависимости модулей по данным, внешняя характеристика модуля, которую необходимо уменьшить. Сцепление измеряется степенью сцепления и существует 6 их типов:

4. Иерархическая организация

Иерархическая организация – это формирование из абстракций иерархической структуры. Иерархическая организация задает размещения абстракций на различных уровнях описания системы.

Первичные характеристики – количество вершин (модулей) и количество ребер (связей между модулями).

Глобальные характеристики – высота и ширина.

Локальными характеристиками модулей структуры являются коэффициент объединения по входу Fan_in(i) и коэффициент разветвления по выходу Fan_out(i).

2.18 Объекты и классы. Понятие объекта, его индивидуальность, состояние, поведение. Отношения между объектами, понятие класса, его внутреннее и внешнее представление отношения между классами.

Объект – это конкретные сущности, существующие во времени и пространстве; конкретное представление абстракции или экземпляр класса. Объект обладает индивидуальностью, состоянием и поведением.

Структура и поведение подобных объектов определены в их общем классе. Термины «экземпляр класса» и «объект» взаимозаменяемы.

· Индивидуальность – это характеристика объекта, которая отличает его от всех других объектов

· Состояние объекта характеризуется перечнем всех свойств объекта и текущими значениями каждого из этих свойств.

· Поведение – характеризует то, как объект воздействует на другие объекты (или подвергается воздействию) в терминах изменения его состояний и передаче сообщений, поскольку объекты не существуют изолировано друг от друга.

Виды операций клиента над объектом

Виды отношений между объектами:

1. Связь – физическое или понятийное соединение между объектами. Объект сотрудничает с другими объектами через соединяющие их связи.

Связь обозначает соединение, с помощью которого:

• объект-клиент вызывает операции объекта-поставщика;

• один объект перемещает данные к другому объекту.

Как участник связи объект может играть одну из трех ролей:

• актер – объект, который может воздействовать на другие объекты, но никогда не подвержен воздействию других объектов;

• cервер – объект, который никогда не воздействует на другие объекты, он только используется другими объектами;

• агент – объект, который может как воздействовать на другие объекты, так и использоваться ими. Агент создается для выполнения работы от имени актера или другого агента.

2.Агрегация

Агрегация обозначает отношения объектов в иерархии «целое/часть». Она бывает 2 видов: по величине и по ссылке. Агрегация может обозначать, а может и не обозначать физическое включение части в целое. Агрегация обеспечивает возможность перемещения от целого (агрегата) к его частям (свойствам).

Нефизическое включение частей в агрегат

Физическое включение частей в агрегат

Общая характеристика классов

Класс – описание множества объектов, разделяющих одинаковые свойства, операции, отношения и семантику. Не подчеркивается. Имеет 3 секции: имя, свойства, операции. Различают внутреннее и внешнее представление классов:

внешнее представление – интерфейс – возможности или услуги класса со скрытой структурой и поведением;

внутреннее представление – реализация – описывает секреты поведения класса, включает реализацию всех операций, определенных в интерфейсе класса.

Интерфейс может быть разделен на 3 части:

1)публичную (public), объявления которой доступны всем клиентам;

2)защищенную (protected), объявления которой доступны только самому классу, его подклассам и друзьям;

3)приватную (private), объявления которой доступны только самому классу и его друзьям.

Друг класса – это класс, который имеет доступ ко всем его частям.

Реализация класса описывает секреты поведения класса. Она включает реализации всех операций, определенных в интерфейсе класса.

Виды отношений между классами

Всего существует четыре основных вида отношений между классами:

• ассоциация (фиксирует структурные отношения – связи между экземплярами классов);

• зависимость (отображает влияние одного класса на другой класс);

• обобщение-специализация («is а»-отношение);

• целое-часть («part of»-отношение).

Для покрытия основных отношений большинство объектно-ориентированных языков программирования поддерживает следующие отношения:

1. Ассоциация – обеспечивает взаимодействие объектов, принадлежащих разным классам, она является клеем, соединяющим воедино все элементы системы. (в библиотеке хранятся книги)

2. Наследование (обощение)– отношение, при котором один класс разделяет структуру и поведение, определенное в другом классе. (такса - собака) (прямая стрелка с пустой стрелкой)

3. Агрегация – обеспечивает отношение «целое – часть», нефизическое включение части в целое, т.е. по ссылке. (факультет часть вуза, но не физически)

4. Композиция – обеспечивает отношение «целое – часть», физическое включение части в целое, т.е. по величине. (экран является частью телефона физически)

5. Зависимость – отношение, которое показывает, что изменение в одном классе (независимом) может влиять на другой класс (зависимый), который его использует. (нет бензина машина не поедет).

6. Конкретизация – процесс наполнения шаблона или родового класса. (есть договор с заполненными данными, а некоторые поля мы сами заполняем, конкретизируя, что этот договор наш)собака-такса по кличке Рекс (пунктирная закрашенная стрелка с указанием <стериотипа>)

7. Метакласс – это класс классов, понятие, позволяющее обращаться с классами как с объектами.

8. Реализация – отношение, при котором класс приемник обеспечивает свою собственную реализацию интерфейса другого класса источника (заказчик сказал сделать сайт, а как именно сайт должен работать решает исполнитель).

2.19 UML, артефакт - определения. Предметы (структурные, предметы поведения, группирующие и поясняющие) - определения и изображения. Отношения - определения и изображения.

UML – это язык для определения, визуализации, конструирования и документирования артефактов программных систем, а также для моделирования экономических процессов и других не программных систем.

Артефакт – искусственный объект, любой результат работы.

UML обладает следующими основными характеристиками:

• является языком визуального моделирования, который обеспечивает разработку репрезентативных моделей для организации взаимодействия заказчика и разработчика ИС, различных групп разработчиков;

• содержит механизмы расширения и специализации базовых концепций языка.

Предметы бывают:

1. Структурные предметы являются существительными в UML моделях, представляют статические части модели – понятийные или физические элементы. Разновидности структурных предметов:

-Класс – описание множества объектов, которые разделяют одинаковые свойства, операции, отношения и семантику. Класс реализует 1 или несколько интерфейсов

-Интерфейс – набор операций, которые определяют услуги класса или компоненты. Интерфейс описывает поведение элемента, видимое извне. Интерфейс может представлять полные услуги класса или компонента или часть таких услуг

-Кооперация (сотрудничество) определяет взаимодействие и является совокупностью ролей и других элементов, которые работают вместе для обеспечения коллективного поведения более сложного чем простая сумма всех элементов. Кооперации имеют как структурное, так и поведенческое измерения. Конкретный класс может участвовать в нескольких кооперациях.

-Актер - это набор согласованных ролей, которые могут играть пользователи при взаимодействии с системой. Каждая роль требует от системы определенного поведения.

-Элемент Use Case (Прецедент) - описание последовательности действий, выполняемых системой в интересах отдельного актера и производящих видимый для актера результат. В модели элемент Use Case применяется для структурирования предметов поведения. Элемент Use Case реализуется кооперацией.

-Активный класс – это класс, чьи объекты имеют один или несколько процессов (или потоков) и поэтому могут инициировать управляющие их действия. Похож на обычный класс за исключением того, что его объекты действуют одновременно с объектами других классов.

Компонент - физическая и заменяемая часть системы, которая соответствует набору интерфейсов и обеспечивает реализацию этого набора интерфейсов.(exe, dll, Таблицы, исходный код программы). Обычно компонент – это физическая упаковка различных логических элементов (классов, интерфейсов и сотрудничеств).

Узел – физический элемент, который существует в период работы системы и представляет ресурс, имеющий память и возможность обработки. (сервер). В узле размещается набор компонентов, который может перемещаться от узла к узлу.

2.Предметы поведения – это динамические части UML моделей, они являются глаголами, представлением поведения во времени и пространстве.

-Взаимодействие – поведение, заключающее в себе набор сообщений, которыми обмениваются объекты в конкретном контексте для определения цели (пришла смс от провайдера о необходимости продления хостинга, и мы его продлеваем) Взаимодействие может определять динамику как совокупности объектов, так и отдельной операции. Элементами взаимодействия являются сообщения, последовательность действий (поведение, вызываемое сообщением) и связи (соединения между объектами).

-Конечный автомат – поведение, которое определяет последовательность состояния объекта или взаимодействия, выполняемые в ходе его существования в ответ на события (состояние с утра, после ряда событий состояние вечером другое) С помощью конечного автомата может определяться поведение индивидуального класса или кооперации классов. Элементами конечного автомата являются состояния, переходы (от состояния к состоянию), события (предметы, вызывающие переходы) и действия (реакции на переход).

3.Группирующие предметы - организационные части моделей, «ящики», по которым может быть разложена модель:

пакет – общий механизм для распределения элементов по группам. В пакет могут помещаться структурные предметы, предметы поведения и даже другие группировки предметов. Пакет – это чисто концептуальное понятие и существует только в период разработки.

4. Поясняющие предметы – это разъясняющие части моделей, они являются замечаниями, описаниями и т.д.

Примечание- символ для отображения замечаний, ограничений, присоединяемых к элементу или совокупности элементов

Отношения UML:

1.Зависимость – это семантическое отношение между 2 предметами, в котором изменение в одном предмете (независимом) может влиять на семантику другого предмета (зависимого). Изображается в виде пунктирной линии, возможно направленной на независимый предмет и иногда имеющей метку

2.Ассоциация – это структурное отношение, которое описывает набор связей, являющихся соединением между объектами. Специальная разновидность ассоциации – агрегация. Она представляет структурные отношения между целым и его частями.

3.Обобщение – отношение, в котором объекты специализированного объекта (потомка) могут заменять объекты обобщенного элемента-предка. Потомок разделяет структуру и поведение родителя изображается в виде сплошной стрелки с полым наконечником, указывающим на родителя.

4.Реализация – семантическое отношение между классификаторами, где один классификатор определяет контракт, а другой классификатор обязуется его выполнить. Отношения реализации применяют в двух случаях: между интерфейсами и классами (или компонентами), реализующими их; между элементами Use Case и кооперациями, которые реализуют их изображается как нечто среднее между обобщением и зависимостью.

2.20 Статические модели объектно- ориентированного представления ПС. Статические модели. Диаграмма классов, пример отношения в диаграммах классов, деревья наследования. Конечный и корневой класс - определения.

Диаграммы классов - показывает набор классов, интерфейсов, коопераций и отношений между ними. Диаграммы классов используются:

Статические модели обеспечивают представление структуры системы в терминах базисных строительных блоков и отношений между ними, кроме того данные модели несут в себе не только структурное описание, но и описание операций, реализующих заданное поведение системы. Они не показывают динамики изменений системы во времени.

Основным средством для представления статических моделей являются диаграммы классов, которые используются:

• в ходе анализа – для указания ролей и обязанностей сущностей, которые обеспечивают поведение системы

• в ходе проектирования – для фиксации структуры классов, которые формируют системную архитектуру

Вершинами диаграмм класса являются классы, а дуги - отношения между классами.

Имя класса указывается всегда, а свойства и операции выборочно. Так же предусмотрено задание области действия, свойства или операции.

Класс – описание множества объектов, разделяющих одинаковые свойства, операции, отношения и смысл. Он реализует один или несколько интерфейсов.

Если свойство подчёркивается, то его область действия является класс. В противном случае областью действия является экземпляр. Если областью действия является класс, то все его экземпляры используют общее значение этого свойства. В противном случае у каждого экземпляра своё значение свойства.

Отношения в диаграммах классов

1. Ассоциации отображают структурные отношения между экземплярами классов, то есть соединения между объектами. Каждая ассоциация может иметь метку – имя, которое описывает природу отношения. Имени можно придать направление – достаточно добавить треугольник направления, который указывает направление, заданное для чтения имени.

2. Обобщение – отношение между общим предметом (суперклассом) и специализированной разновидностью этого предмета (подклассом). Супер – класс – документ, а разновидность документа – подкласс. Подкласс может иметь одного родителя (один суперкласс) или несколько родителей (несколько суперклассов). Во втором случае говорят о множественном наследовании.

3.Зависимость является отношением использования между клиентом и поставщиком.

Обычно операции клиента:

• вызывают операции поставщика;

• имеют сигнатуры, в которых возвращаемое значение или аргументы принадлежат классу поставщика.

4.Реализация семантическое отношение между классами, в котором класс-приемник выполняет реализацию операций интерфейса класса-источника.

В языке UML считаются разновидностями ассоциации, применяемыми для отображения структурных отношений между «целым» (агрегатом) и его «частями».

5. Агрегация показывает отношение по ссылке (в агрегат включены только указатели на части).

6. Композиция – это отношение физического включения (в агрегат включены сами части).

ДЕРЕВЬЯ НАСЛЕДОВАНИЯ

При использования отношений обобщения строятся иерархия класса или деревья наследования.

В дереве наследования могут быть:

• Конечный класс - это класс, который не может иметь детей.

• Корневой класс – это класс, который не может иметь родителей.

2.21 Динамические модели объектно- ориентированного представления ПС: автоматы. Динамические модели. Автоматы. Диаграмма схем состояний, пример. Элементы диаграмм (состояние, переход, событие, действие). Диаграмма деятельности, пример, элементы диаграмм (состояние действий, вспомогательные вершины).

Динамические модели обеспечивают представление поведения системы в виде отображения изменения состояния в процессе работы системы в зависимости от времени.

Автомат описывает поведение в терминах последовательности состояний, через которые проходит объект в течении своей жизни, при этом автомат задает поведение системы, как единой сущности, а также моделирует ЖЦ единого объекта.

Автоматы изображаются с помощью диаграмм схем состояний и диаграмм деятельности.

Диаграммы схем состояний

Диаграммы схем состояний отображают конечный автомат, выделяя поток управления, следующее от состояния к состоянию.

Основными элементами диаграмм схем состояний являются: состояния; переходы; события; действия.

• Состояние - это период в жизни объекта, на протяжении которого он удовлетворяет какому-то условию, выполняет определенную деятельность или ожидает некоторого события.

• Переход - от состояния к состоянию.

• Событие - происшествие вызывающее изменение состояния.

• Действие - набор операций запускаемых событием.

Диаграмма схем состояний показывает: набор состояний системы; события, которые вызывают переход из одного состояния в другое; действия, которые происходят в результате изменения состояния.

Диаграммы деятельности

Это особая форма конечного автомата, в которой показывается процесс вычисления и потоки работ. В ней выделяются не обычные состояния объекта, а состояния выполняемых вычислений - состояния действий.

В диаграммах деятельности используются вспомогательные вершины:

• решение (ромбик с одной входящей и несколькими исходящими стрелками);

• объединение (ромбик с несколькими входящими и одной исходящей стрелкой);

• линейка синхронизации – разделение (жирная горизонтальная линия с одной входящей и несколькими исходящими стрелками);

• линейка синхронизации – слияние (жирная горизонтальная линия с несколькими входящими и одной исходящей стрелкой);

• начальное состояние (черный кружок);

• конечное состояние (не закрашенный кружок, в котором размещен черный кружок меньшего размера).

2.22 Динамические модели объектно- ориентированного представления ПС: диаграммы взаимодействия и Use Case. Динамические модели. Диаграммы взаимодействия. Диаграммы сотрудничества, пример. Элементы диаграмм (объекты, связи, сообщения). Диаграмма последовательности, пример. Элементы диаграмм (объекты, связи, сообщения, линия жизни, фокус управления). Диаграммы Use Case, пример. Элементы диаграмм (прецедент, актер, отношения).

Взаимодействие описывает поведение в терминах обмена сообщениями между объектами. Оно определяет поведение системы в виде коммуникации между его частями (объектами). представляя систему как сообщество совместно работающих объектов. Поэтому взаимодействие считают основным аппаратом для фиксации полной динамики системы.

Диаграммы взаимодействия предназначены для моделирования динамических аспектов системы. Они показывают взаимодействие набор объектов и их отношений, а так же пересылаемые между объектами сообщений.

Существует две разновидности диаграмм взаимодействия:

1.Диаграммы сотрудничества

- это разновидность диаграммы взаимодействия, которые выделяет структурную организацию объектов, посылающих и принимающих сообщения. Основными элементами диаграмм сотрудничества являются: объекты, связи и сообщения.

Объект – конкретное представление сущности или экземпляр класса.

Связь - это канал для передачи сообщений между объектами.

Сообщения - это спецификация передачи информации между объектами в ожидании того, что будет обеспечена требуемая деятельность. Выделяют несколько разновидностей действий.

2.Диаграммы последовательности.

- это разновидность диаграмм взаимодействия; они отражают сценарии поведения в системе, обеспечивая более наглядное представление порядка передачи сообщений. Графически диаграммы последовательности - это разновидность таблицы, которые показывает объекты, размещенные вдоль оси Х и сообщения, упорядоченные по времени вдоль оси Y.

Линия жизни объекта – это вертикальная линия, которая обозначает период существования объекта.

Фокус управления – это высокий тонкий прямоугольник, отображающий период времени, в течение которого объект выполняет действие (свою или подчиненную процедуру).

3. Диаграмма Use Case определяет поведение системы с точки зрения пользователя. Она рассматривается как главное средство для первичного моделирования динамики системы, используется для выяснения требований к разрабатываемой системе, фиксации этих требований в форме, которая позволит проводить дальнейшую разработку. Диаграммы Use Case часто называют диаграммами прецедентов или вариантов использования.

Cостав диаграмм Use Case:

- Элементы Use Case;

- актеры;

- отношения зависимости, обобщения и ассоциации.

Вершинами в диаграмме Use Case являются актеры и элементы Use Case. Актеры представляют внешний мир, нуждающийся в работе системы. Элементы Use Case представляют действия, выполняемые системой в интересах актеров.

Актер – это роль объекта вне системы, который прямо взаимодействует с ее частью – конкретным элементом (элементом Use Case). Различают актеров и пользователей. Пользователь — это физический объект, который использует систему. Он может играть несколько ролей и поэтому может моделироваться несколькими актерами. Справедливо и обратное — актером могут быть разные пользователи.

Элемент Use Case – это описание последовательности действий (или нескольких последовательностей), которые выполняются системой и производят для отдельного актера видимый результат.

2.23 Модели реализации объектно- ориентированного представления ПС. Модели реализации. Компонентная диаграмма, пример. Компонент-определение, разновидности. Интерфейсы - определение. Диаграмма размещения (развертывания), пример узел - определение.

Модели реализации обеспечивают представление системы в физическом мире, рассматривая вопросы упаковки логических элементов в компоненты и размещения компонентов в аппаратных узлах.

Компонентная диаграмма показывает организацию набора компонентов и зависимости между компонентами.

Элементы компонентных диаграмм: компоненты, интерфейсы, отношения зависимости и реализации, примечания, ограничения и пакеты (подсистемы)

Компонент – физическая и заменяемая часть системы, которая соответствует набору интерфейсов и обеспечивает реализацию этого набора. Это базисный строительный блок физического представления системы.

Интерфейс – набор операций, определяющих услуги класса или компонента.

Диаграмма размещения показывает конфигурацию обрабатывающих узлов в период работы системы, а также компоненты, находящиеся в них (показывает аппаратную часть системы). Диаграммы размещения используют для моделирования статического представления того, как размещается система. Это представление поддерживает распространение, поставку и инсталляцию частей, образующих физическую систему.

Способы моделирования распределения:

• графически распределение не показывать, а документировать его в текстовых спецификациях узлов;

• соединять каждый узел с размещаемыми компонентами отношениями зависимости;

• в дополнительной секции узла указывать список размещаемых компонентов.

Узел – это физический элемент, который существует в период работы системы и представляет компьютерный ресурс, имеющий память, а возможно, и способность обработки.

2.24 Структура программных модулей ИС. Программный модуль - определение модульная структура программы - Определение, основные характеристики программного модуля. Методы разработки структуры программы методы контроля структуры программы.

Программный модуль - это любой фрагмент описания процесса, оформляемый как самостоятельный продукт, пригодный для использования в описаниях процесса.

Модульная структура программирования программы – это древовидная структура модулей, отображающая модули и связи между ними.

Основные характеристики программного модуля

Для оценки приемлемости программного модуля используются следующие конструктивные характеристики:

• Размер модуля – число содержащихся в нем операторов (строк). Модуль не должен быть слишком маленьким или слишком большим.

• Связность модуля – это мера зависимости его частей, внутренняя характеристика модуля.

• Сцепление модуля – это мера его зависимости по данным от других модулей.

• Рутинность модуля – это его независимость от предыстории обращений к нему.

Метод восходящей разработки – сначала строится модульная структура программы в виде дерева. Затем поочередно программируются модули программы, начиная с модулей самого нижнего уровня, в таком порядке, чтобы для каждого программируемого модуля были уже запрограммированы все модули, к которым он может обращаться. После этого производится их поочередное тестирование и отладка в принципе в таком же (восходящем) порядке.

Метод нисходящей разработки – сначала строится модульная структура программы в виде дерева. Затем поочередно программируются модули программы, начиная с модуля самого верхнего уровня (головного), переходя к программированию какого-либо другого модуля только в том случае, если уже запрограммирован модуль, который к нему обращается. После того, как все модули программы запрограммированы, производится их поочередное тестирование и отладка в таком же (нисходящем) порядке.

Конструктивный подход – модификация нисходящей разработки, модульная древовидная структура программы формируется в процессе программирования модуля. Сначала программируется головной модуль, исходя из спецификации программы в целом. Причем спецификация программы является одновременно и спецификацией ее головного модуля.

Архитектурный подход – модификация восходящей разработки, модульная структура программы формируется в процессе программирования модуля. При этом повышается уровень используемого языка программирования, а не разработка конкретной программы. Это означает, что для заданной предметной области выделяются типичные функции, каждая из которых может использоваться при решении разных задач в этой области, и специфицируются, а затем и программируются отдельные программные модули, выполняющие эти функции.

Целенаправленная конструктивная реализация – на достаточно ранней стадии создается работающий вариант разрабатываемой программы.

Контроль структуры программы

Статический контроль – это оценка структуры программы с точки зрения хорошо ли программа разбита на модули.

Смежный контроль сверху – это контроль со стороны разработчиков архитектуры.

Смежный контроль снизу – это контроль спецификации модулей со стороны разработчиков этих модулей.

Сквозной контроль – это мысленное прокручивание (проверка) структуры программы при выполнении заранее разработанных тестов.

2.25 Распределенная обработка данных ИС. Распределенная обработка данных, ее цель. Модель «клиент-сервер». Недостатки и преимущества модели. Распределенная среда обработки данных - определение основные компоненты распределенной обработки данных.

Распределенная обработка данных – это методика выполнения прикладных программ группой систем, объединенных в сеть.

Цель распределенной обработки данных:

1. оптимизация использования ресурсов

2. упрощение работы пользователя

Клиент – это объект, запрашивающий доступ к службе или ресурсу.

Сервер – это объект несущий службу или обладающий ресурсом.

Основные недостатки этой методики заключаются в следующем:

• зависимость от характеристик и доступности сети;

• проблемы безопасности.

C другой стороны, преимущества весьма ощутимы:


• распределение и оптимизация использования ресурсов;

• новые функциональные возможности и повышение эффективности при решении задач;

• гибкость и доступность.

В рамках распределенной обработки данных присутствует понятие прозрачности.

Прозрачность – это возможность доступа к ресурсам или услугам, не зная их местонахождения.

Различают несколько разновидностей прозрачности, в частности:


• прозрачность доступа: к локальным или удаленным объектам можно обращаться посредством одинаковых операций; 


• прозрачность местонахождения: объекты должны быть доступны без необходимости знать их физическое местоположение; 


• прозрачность одновременности доступа: несколько пользователей должны иметь возможность одновременного доступа к данным, без нежелательных последствий; 


• прозрачность копирования: должна существовать возможность копировать данные из файлов или из других объектов в целях повышения эффективности или обеспечения доступности незаметно для пользователей; 


• прозрачность при неисправностях: пользователи или прикладные программы должны иметь возможность завершить свои задания, даже в случае неисправностей аппаратной или программной части;


• прозрачность при динамических изменениях конфигурации: система может динамически менять свою конфигурацию, в целях повышения эффективности и в зависимости от нагрузки.

Распределенная среда обработки данных – это технология распределенной обработки данных.

Эта среда обычно набор сетевых служб для выполнения прикладных процессов в группе абонентских систем.

Функции, выполняемые средой, включают прикладные службы:

• каталогов, позволяющую клиентам находить нужные им серверы;

• интерфейса многопоточной обработки;

• удаленного вызова процедур;

• обслуживания файлов;

• безопасности данных;

• времени, синхронизирующей часы в абонентских системах.

Функционирование распределенной среды требует выполнения ряда административных задач. К ним, в первую очередь, относятся средства:

• регистрации и контроля за лицензиями пользователей на работу с прикладными программами;

• унифицированных интерфейсов прикладных программ;

• обеспечения безопасности данных;

• инвентаризации программного и технического обеспечения абонентских систем, работающих в сети

Основные компоненты распределенной обработки данных:

• Имена - БД имен пользователей и средств, предназначенных для доступа пользователей к сетевым службам

• Удаленный доступ - технология, обеспечивающая взаимодействие двух прикладных программ, расположенных в различных абонентских системах

• Защита данных - программное обеспечение разрешения на доступ к ресурсам системы или сети

• Многопоточность - программы, обеспечивающие одновременное выполнение нескольких задач

3.1 История и эволюция компьютер­ных сетей. Базовые топологии и стандарты. Виды кабелей и характеристики. Ethernet. ЛВС. ГВС, корпоративные сети, кампусные сети, регио­нальные сети.

Более-менее широкое применение компьютеры получили в 50-е годы прошлого столетия. Их тогда называли мейнфреймами (mainframe). Это были могучие (с виду) устройства, которые могли в пакетном режиме (обслуживая одновременно строго одного пользователя) выполнять относительно простые программы и совершать различные математические расчеты.

1969 военные США решают создать первую сеть, объединяющую 2 терминала на расстоянии 600км, получила название ARPANET.

1973 к ARPA присоединились Норвегия и Великобритания.

1980 - объедение сетей arpanet + csnet.(научная компьютерная сеть)

с 80х по 90е появляются 3 основных технологии передачи данных: token ring, FDDI, Ethernet. Ethernet быстро вытесняет соперников, из-за наплыва сетевых устройств, которые поддерживали именно ее. Ethernet определяет физические среды передачи данных, формат взаимодействия сетевых устройств на канальном уровне. Кадр состоит: mac-получателя, mac-отправителя, версия Ethernet, данные, контрольная сумма. С 1990 по 2000 появляются стандарты fast Ethernet, gigabit Ethernet (для оптики и витой пары), 10G Ethernet.

Виды кабелей и характеристики.

Витая пара (twisted pair) — кабель связи, который представляет собой витую пару медных проводов (или несколько пар проводов), заключенных в экранированную оболочку. Пары проводов скручиваются между собой с целью уменьшения наводок. Витая пара является достаточно помехоустойчивой. Существует два типа этого кабеля: неэкранированная витая пара  UTP (плохая помехозащищенность от внеш.электромагнитных полей, невысокий уровень безопасности) и экранированная витая пара STP (дорогая и менее удобная при монтаже, но зато высокий уровень безопасности).

Характерным для этого кабеля является простота монтажа. Кабель подключается к сетевым устройствам при помощи соединителя RJ45 (8P8C).

Cat.5e - Волновое сопротивление 100 Ом. Длина активного сегмента 100м. максимальная скорость 1гбит\сек.

Cat 3 – 10мбит\с, cat 7a до 40 гбит\сек

Коаксиальный кабель (coaxial cable) - это кабель с центральным медным проводом, который окружен слоем изолирующего материала для того, чтобы отделить центральный проводник от внешнего проводящего экрана (медной оплетки или слой алюминиевой фольги). Внешний проводящий экран кабеля покрывается изоляцией.

Существует два типа коаксиального кабеля: тонкий коаксиальный кабель диаметром 5 мм, активная длина 185м и толстый коаксиальный кабель диаметром 10 мм, активная длина 500м. У толстого коаксиального кабеля затухание меньше, чем у тонкого. Стоимость коаксиального кабеля выше стоимости витой пары и выполнение монтажа сети сложнее, чем витой парой.

Коаксиальный кабель применяется, например, в локальных сетях с архитектурой Ethernet, построенных по топологии типа “общая шина”. Коаксиальный кабель более помехозащищенный, чем витая пара и снижает собственное излучение. Пропускная способность – 50-100 Мбит/с. Несанкционированное подключение к коаксиальному кабелю сложнее, чем к витой паре, и происходит с помощью вампирского зуба.

Волновое сопротивление от 50 до 200 Ом.

Кабельные оптоволоконные каналы связи.   (fiber optic) – это оптическое волокно на кремниевой или пластмассовой основе, заключенное в материал с низким коэффициентом преломления света, который закрыт внешней оболочкой.

Оптическое волокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон. На передающем конце оптоволоконного кабеля требуется преобразование электрического сигнала в световой, а на приемном конце обратное преобразование.

Основное преимущество этого типа кабеля – чрезвычайно высокий уровень помехозащищенности и отсутствие излучения. Несанкционированное подключение очень сложно.  Скорость передачи данных 3 Гбит/c. Основные недостатки оптоволоконного кабеля –  это сложность его монтажа, небольшая механическая прочность и чувствительность к ионизирующим излучениям.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

1. одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (SMF или SM, англ. step indexsingle mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи;

2. одномодовое волокно со смещённой дисперсией (DSF или DS, англ. dispersion shifted single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание;

3. одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF, NZDS или NZ, англ. non-zero dispersion shifted single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62.5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Сетевые технологии локальных сетей IEEE802.3/Ethernet

Ethernet – пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI.

Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии, в которую входят сегодня также Fast Ethernet. Gigabit Ethernet и 10G Ethernet.

Локальные сети (Local Area Networks) – это сети, которые объединяют между собой компьютеры, находящиеся географически в одном месте. Реализована на основе коммутатров.

Кампусная сеть - это большая многосегментная локальная сеть на территории(кампусе) до нескольких километров.

Сети кампусов объединяют множество сетей различных отделов одного предприятия в пределах отдельного здания или одной территории, покрывающей площадь в несколько квадратных километров. При этом глобальные соединения в сетях кампусов не используются. Службы такой сети включают взаимодействие между сетями отделов, доступ к общим базам данных предприятия, доступ к общим факс-серверам, высокоскоростным модемам и высокоскоростным принтерам. Реализована на основе маршрутизаторов и коммутатров 3ого уровня.

Региональные сети - это сети, которые объединяют между собой несколько локальных компьютерных сетей, расположенных в пределах одной территории (города,  области или региона). Помимо обмена данными и голосового обмена, региональные вычислительные сети могут передавать видео- и аудиоинформацию. Региональные вычислительные сети сочетают лучшие характеристики локальной (низкий уровень ошибок, высокая скорость передачи) с большей географической протяженностью. Реализована на основе маршрутизаторов.Беспроводные городские сети - WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) 802.16a— беспроводные сети масштаба города. Предоставляют широкополосный доступ к сети через радиоканал.

Корпоративная сеть - это сеть, главным назначением которой является обеспечение функционирования конкретного предприятия, владеющего данной сетью. Пользователями корпоративной сети являются только сотрудники данного предприятия. Реализована на основе маршрутизаторов.

Глобальные сети (Wide Area Networks) – это сети, которые объединяют множество локальных, региональных сетей и компьютеров отдельных пользователей, расположенные на любом  расстоянии друг от друга. Рассчитана на неограниченное количество абонентов и использует различные каналы связи.

3.2 Методы коммутации. Методы коммутации. Принцип работы коммутатора, основные характеристики. Общие принципы сетевого дизайна.

Коммута́ция — процесс соединения абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы.

В настоящее время существует два основных метода коммутации: коммутация каналов и коммутация пакетов.

Коммутация каналов предполагает, что перед началом передачи данных должна быть выполнена процедура установления соединения, в результате которой образуется составной канал. По окончании сеанса связи соединение разрывается, и канал освобождается.

Метод коммутации пакетов основан на разбиении передаваемых по сети данных на небольшие "порции". Каждая такая "порция" передается по сети как единое целое и называется пакетом. Такой метод является очень удобным для параллельного использования физического канала несколькими парами абонентов: канал является занятым только во время прохождения пакета. Временные промежутки между передачей пакетов одним абонентам могут быть использованы другими для отправки собственных пакетов.

Коммутация сообщений

Более общий случай метода коммутации пакетов. Сообщение представляет из себя логически завершенный блок информации.

Коммутатор - устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети. Коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю. Он работает на канальном (2) уровне модели OSI и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Так же сейчас есть коммутаторы 3 уровня OSI

Основное отличие между маршрутизаторами и коммутаторами 3-го уровня заключается в том, что в маршрутизаторах принятие решения о пересылке пакетов обычно выполняется программным образом, а в коммутаторах обрабатывается специализированными контроллерами ASIC . Это позволяет коммутаторам выполнять маршрутизацию пакетов на скорости канала связи.

Принцип работы.

Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации, в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (фреймы) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу на некоторое время. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Продвижение – процесс передачи кадра от источника к приемнику на основе MAC-адреса. Фильтрация – процесс отбрасывания пакеты, если порт-источника и порт отправителя совпадают. Лавинная передача – передача всем устройствам на коммутаторе, если неизвестен MAC-получателя

Методы коммутации в коммутаторах:

коммутация с промежуточным хранением (store-and-forward);  

коммутация без буферизации (cut-through);

коммутация с исключением фрагментов.

Характеристики коммутатора

Другим важным параметром коммутатора является его производительность. Для того, чтобы охарактеризовать ее используются несколько параметров:

-общая пропускная способность

-задержка

-скорость фильтрации кадров

-скорость продвижения кадров

Общая пропускная способность

Общая пропускная способность характеризует максимальную скорость, с которой пакеты могут передаваться через коммутатор адресатам.

Задержка

Задержка - это промежуток времени между получением пакета от отправителя и передачей его получателю. Обычно задержку измеряют относительно первого бита пакета.

Общие принципы сетевого дизайна:

Грамотный сетевой проект основывается на многих принципах, базовыми из которых

являются:

· Изучение возможных точек отказа сети. Для того чтобы единичный отказ не мог

изолировать какой-либо из сегментов сети, в ней может быть предусмотрена

избыточность. Под избыточностью понимается резервирование жизненно важных

компонентов сети и распределение нагрузки. Так в случае отказа в сети, может

существовать альтернативный или резервный путь к любому ее сегменту.

Распределение нагрузки используется в том случае, если к пункту назначения имеется

два или более путей, которые могут использоваться в зависимости от загруженности.

3.3 Модель OSI. Физический уровень модели OSI. Понятие уровня, их наименование и расположение, взаимодействие между уровнями. Характеристи­ка физического уровня.

Рисунок модель OSI

Эталонная модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, 1978г), была описательной схемой, созданной организацией ISO. Эта эталонная модель предоставила производителям оборудования набор стандартов, которые обеспечили большую совместимость и более эффективное взаимодействие различных сетевых технологий и оборудования, производимого многочисленными компаниями во всем мире. Эталонная модель OSI определяет сетевые функции, выполняемые каждым ее уровнем.

Уровень 1 — физический уровень iee 802.3 - предназначенный непосредственно для передачи потока данных.

Физический (Physical) уровень имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. К этому уровню имеют еще такие характеристики физических сред передачи данных, как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и др.

На этом уровне также работают концентраторы, повторители сигнала и медиаконвертеры, патч-панели.o

Физический уровень в модели OSI служит основанием для построения всей модели передачи данных между компьютерными системами. Физический уровень определяет электрические, механические, процедурные и функциональные спецификации для активизации, поддержания и деактивизации физической связи между конечными системами. Назначение физического уровня – передача данных. Процесс передачи данных – кодирование – выполняется с помощью среды передачи данных (кабели, разъемы и т.п.).

Среда передачи данных

Средой передачи данных называют физическую среду, используемую для прохождения сигнала. Для обеспечения обмена кодированной информацией, среда должна обеспечить физическое соединение компьютеров друг с другом. Информация в локальных сетях чаще всего передается в последовательном коде, то есть бит за битом. Такая передача медленнее и сложнее, чем при использовании параллельного кода. Однако надо учитывать то, что при более быстрой параллельной передаче (по нескольким кабелям одновременно) увеличивается количество соединительных кабелей в число раз, равное количеству разрядов параллельного кода (например, в 8 раз при 8-разрядном коде).

Примером протокола данного уровня можно привести технологию Ethernet.

Все сетевые устройства работают на физическом уровне.

3.4 Модель OSI. Канальный уровень модели OSI. Понятие уровня, их наименование и расположение, взаимодействие между уровнями. Характеристи­ка канального уровня.

Рисунок модель OSI

Эталонная модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, 1978г), была описательной схемой, созданной организацией ISO. Эта эталонная модель предоставила производителям оборудования набор стандартов, которые обеспечили большую совместимость и более эффективное взаимодействие различных сетевых технологий и оборудования, производимого многочисленными компаниями во всем мире. Эталонная модель OSI определяет сетевые функции, выполняемые каждым ее уровнем.

Уровень 2 — канальный уровень - предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные он упаковывает в кадры, проверяет на целостность, если нужно, исправляет ошибки (формирует повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием. На этом уровне работают коммутаторы, мосты.

Функции канального уровня подразделяются на два подуровня:

· управление доступом к среде передачи (MediaAccess Control, MAC);

· управление логическим соединением (LogicalLink Control, LLC).

 Задачи канального  уровня:

- проверка доступности среды передачи.

- обнаружение и коррекция ошибок

Наиболее часто используемые на уровне 2 протоколы включают: Ethernet, Token ring, FDDI, X.25, Frame relay.

Протоколы канального уровня обеспечивают интерфейс между физической сетью и стеком протоколов компьютера.

Адресация.

Заголовок канального уровня содержит адрес компьютера, отправившего сообщения, и адрес компьютера, который должен данное сообщение получить. На этом уровне используются адреса среды передачи данных – аппаратные (MAC) адреса.  В сетях Ethernet и Token Ring используются адреса длиной 6 байт.

Доставка кадров.

Протоколы канального уровня заботятся о доставке пакета конечному адресату, только если он находится в той же локальной сети, что и отправитель. Если получатель находится в другой вычислительной сети, протокол канального уровня отвечает за доставку кадра маршрутизатору, обеспечивающему доступ к следующей сети следования кадра.Таким образом, адрес получателя в заголовке протокола канального уровня всегда относится к устройству, расположенному в локальной сети.

Индикатор протокола.

Большинство реализаций канального уровня разрабатываются для поддержки нескольких протоколов сетевого уровня. Для осуществления возможности использования множества протоколов сетевого уровня, заголовок канального уровня должен содержать указатель, определяющий тип использующего протокола сетевого уровня. Чтобы различать протоколы IP и IPX, в спецификации Ethernet определено поле заголовка, идентифицирующего протокол.

Выявление ошибок.

В большинстве протоколов канального уровня используется специальный участок информации, идущий за собственно данными пакета сетевого уровня (трейлер кадра). Эта информация содержит поле контрольной последовательности кадра (FCS). Данное поле применяется для выявления ошибок, возникающих в процессе передачи данных.  При нарушении целостности пакета принимающая сторона его отвергает.

Мосты.

Мост (bridge) – устройство, используемое для объединения сегментов кабеля ЛВС, но в отличие от концентраторов функционирующее на физическом и канальном уровнях. Мост позволяет осуществлять фильтрацию передаваемых пакетов по физическому адресу. Мост не изменяет содержимое кадров и не учитывает данные протоколов сетевого и более высокого уровней.

Коммутаторы.

Коммутатор ЛВС (switch) – многопортовое устройство-мост, каждый порт которого связан со своим сегментом сети. Внешне похож на концентратор, но в отличие от последнего коммутатор направляет входящий трафик на один порт, необходимый для достижения места назначения. Коммутатор функционирует на 2 уровне модели OSI, поддерживая различные протоколы сетевого уровня.

3.5 Модель OSI. Сетевой уровень модели OSI. Понятие уровня, их наименование и расположение, взаимодействие между уровнями. Характеристи­ка сетевого уровня.

Рисунок модель OSI

Эталонная модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, 1978г), была описательной схемой, созданной организацией ISO. Эта эталонная модель предоставила производителям оборудования набор стандартов, которые обеспечили большую совместимость и более эффективное взаимодействие различных сетевых технологий и оборудования, производимого многочисленными компаниями во всем мире. Эталонная модель OSI определяет сетевые функции, выполняемые каждым ее уровнем.

 Уровень 3 — сетевой уровень – предназначен для определения пути передачи данных. На этом уровне происходит маршрутизация пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и «заторов» в сети.

Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю. Работающие на этом уровне устройства (маршрутизаторы – передача данных между различными сегментами сети).

Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:

·               - IP - протокол Internet

·               - IPX - протокол межсетевого обмена

Маршрутизатор — это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и пересылает пакеты  сетевого уровня в сеть назначения.

Сетевой уровень выполняет функции:

1. Создание сетевых соединений и идентификация их портов.

2. Обнаружение и исправление ошибок, возникающих при передаче через коммуникационную сеть.

3.  Управление потоками пакетов.

4. Организация (упорядочение) последовательностей пакетов.

5.  Маршрутизация и коммутация.

6.   Сегментирование и объединение пакетов.

Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю и могут быть разделены на два класса: протоколы с установкой соединения и без него.

· Протоколы с установкой соединения начинают передачу данных с вызова или установки маршрута следования пакетов от источника к получателю. После чего начинают последовательную передачу данных и затем по окончании передачи разрывают связь.

· Протоколы без установки соединения посылают данные, содержащие полную адресную информацию в каждом пакете. Каждый пакет содержит адрес отправителя и получателя. Далее каждое промежуточное сетевое устройство считывает адресную информацию и принимает решение о маршрутизации данных. Письмо или пакет данных передается от одного промежуточного устройства к другому до тех пор, пока не будет доставлено получателю. Протоколы без установки соединения не гарантируют поступление информации получателю в том порядке, в котором она была отправлена, т.к. разные пакеты могут пройти разными маршрутами. За восстановления порядка данных при использовании сетевых протоколов без установки соединения отвечают транспортные протоколы.

Все сетевые устройства работают на сетевом уровне кроме концентраторов, коммутаторов 1 и 2 уровня , репитетеров, мостов.

3.6 Модель OSI. Транспортный уровень модели OSI. Понятие уровня, их наименование и расположение, взаимодействие между уровнями. Характеристи­ка транспортного уровня.

Рисунок модель OSI

Эталонная модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, 1978г), была описательной схемой, созданной организацией ISO. Эта эталонная модель предоставила производителям оборудования набор стандартов, которые обеспечили большую совместимость и более эффективное взаимодействие различных сетевых технологий и оборудования, производимого многочисленными компаниями во всем мире. Эталонная модель OSI определяет сетевые функции, выполняемые каждым ее уровнем.

Именно он обеспечивает надежную передачу данных от одного абонента в сети другому. То что выполняет работу транспортного уровня называется транспортным агентом. Подобно тому, как сетевой уровень имеет два вида сервиса: ориентированный на соединения и нет, транспортный так же имеет сервис, ориентированный на соединения и без соединений. Основная функция транспортного уровня - принять данные от сеансового уровня, разбить их при необходимости на небольшие части, передать их сетевому уровню и гарантировать, что эти части в правильном виде прибудут по назначению Кроме того, все это должно быть сделано эффективно и таким образом, чтобы изолировать более высокие уровни от каких-либо изменений в аппаратной технологии.

Схожесть сетевого и транспортного - надо поверх сетевого пустить еще один уровень, который позволит исправлять качество сетевого уровня. Если транспортному уровню придет сообщение, что соединение на сетевом уровне неожиданно было разорвано, то он может установить новое сетевое соединение с помощью которого выяснить что произошло, какие данные были переданы.

Транспортный уровень предназначен для передачи пакетов через коммуникационную сеть. На транспортном уровне пакеты разбиваются на блоки.

На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Работа транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням модели (прикладному и сеансовому) передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

Транспортный уровень определяет адресацию физических устройств (систем, их частей) в сети. Этот уровень гарантирует доставку блоков информации адресатам и управляет этой доставкой. Его главной задачей является обеспечение эффективных, удобных и надежных форм передачи информации между системами. Когда в процессе обработки находится более одного пакета, транспортный уровень контролирует очередность прохождения пакетов. Если проходит дубликат принятого ранее сообщения, то данный уровень опознает это и игнорирует сообщение.

В функции транспортного уровня входят:

1.   Управление передачей по сети и обеспечение целостности блоков данных.

2.   Обнаружение ошибок, частичная их ликвидация и сообщение о неисправленных ошибках.

3.   Восстановление передачи после отказов и неисправностей.

4.   Укрупнение или разделение блоков данных.

5.   Предоставление приоритетов при передаче блоков (нормальная или срочная).

6.   Подтверждение передачи.

7.   Ликвидация блоков при тупиковых ситуациях в сети.

Начиная с транспортного уровня, все вышележащие протоколы реализуются программными средствами, обычно включаемыми в состав сетевой операционной системы.

Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня включают в себя:

-  TCP (Transmission Control Protocol) протокол управления передачей стека TCP/IP;

-  UDP (User Datagram Protocol) пользовательский протокол дейтаграмм стека TCP/IP;

-  NCP (NetWare Core Protocol) базовый протокол сетей NetWare;

-  SPX (Sequenced Packet eXchange) упорядоченный обмен пакетами стека Novell;

-  TP4(Transmission Protocol)–протокол передачи класса 4.

3.7 Методы доступа к среде переда­чи данных. CSMA/CD, CSMA/CA, Маркерный метод. Расшифровка аббревиатуры, понятие несущей, ее назначе­ние, суть коллизий и причины их возникновения, формальный алгоритм метода и его особенности.

Метод доступа CSMA/CD - Множественный метод доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий.

Принцип работы метода.

Все компьютеры прослушивают кабель стремясь обнаружить передаваеммые данные(трафик). Если кабель свободен компьютер начинает передовать данные . Пока кабель не освободится не один компьютер не передаёт данные. Для обнаружение коллизии ПК, передовая данные, продолжает прослушивать кабель. В случае возникновения коллизии компьютер преостанавливает передачу данных на случайный интервал времени а затем вновь пытается войти в сеть.

CSMA/CD – состязательный метод т.к Пк конкурирует между сабой за право передовать данные.

Достоинства метода:

Хорошо распространённый метод современных сетевых технологий.

Высокая скорость передачи данных несмотря на состезательный метод.

Недостатки:

Способность обнаруживать коллизии ограничевает область действия этого метода- при длинне кабеля свыше 2.5 км механизм обнаружения коллизии становится неэффективным.

Метод недопустим при энтенсивном трафике.

После возникновени коллизии возобнавления передачи данных может привести к новой коллизии потомучто несколько компьютеров будут пытаться повторно войти в сеть. Такое лавинообразное наростание повторных передач может пролизовать работу сети.

Несущей называется рабочая частота среды, служащая для передачи данных. При наличии несущей можно утверждать, что в сети происходит пересылка данных. В противном – среда свободна. Коллизией называется «столкновение» информации в среде, возникающее при передаче её одновременно с двух и более направлений. При этом нарушаются характеристики передаваемых данных, и информация становится «нечитабельной».

Метод доступа CSMA/CA - Множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий.

Принцип работы.

Пакет особого типа(маркер) церкулирует по кольцу от компьютера к компьютеру. Что бы послать данные в сеть любой из компьютеров должен дождаться прихода свободного маркера и захватить его. Передающий компьютер присоеденяет к маркеру пакет с данными, с адресом получателя и отправляет его дальше по кольцу. Данные проходят через каждый компьютер пока не окажутся у того чей адрес совпадает с адресом получателя . После этого принимающий компьютер посылает передающему сообщение где подтверждает факт приёма данных. Получив потдверждение передающий компьютер возвращиает свободный маркер в сеть.

Достоинства:

Высокая скорость передачи.

Отсутствие коллизии.

Основное отличие его состоит  в том, что после повторного прослушивания среды на наличие несущей в случае её отсутствия, в сеть подаётся специальный короткий сигнальный кадр данных, который извещает всех участников сети о том, что данный компьютер монополизирует среду на передачу одного информационного кадра. После прохождения сигнального кадра ни один из компьютеров не имеет права отправлять в сеть информацию, пока компьютер, который монополизировал сеть, не отправит свой информационный кадр.

Маркерный метод доступа

Обычно используется в топологии кольцо. По кольцу от одного РС к другому ходит специальный короткий кадр, именуемый маркером. Каждый компьютер, желающий передать информацию, должен дождаться маркера и только после этого он может начать пересылку информации.

Для контроля за целостностью маркера используется один из абонентов (так называемый активный монитор). Его аппаратура ничем не отличается от остальных, но его программные средства следят за временными соотношениями в сети и формируют в случае необходимости новый маркер. Активный монитор выбирается при инициализации сети, им может быть любой компьютер сети.Активный монитор (АМ) – компьютер, который следит за прохождением маркера через сеть.  Если активный монитор по какой то - то причине выходит из строя, то включается специальный механизм, посредством которого другие абоненты (запасные мониторы) принимают решение о назначении нового активного монитора.

Маркер представляет собой управляющий пакет, содержащий всего три байта (рис.2.1): байт начального разделения (SD - Start Delimiter), байт управления доступом (AC - Access Control) и байт конечного разделителя (ED - End Delimiter). Начальный разделитель и конечный разделите представляют собой не просто последовательность нулей и единиц, а содержат импульсы специального вида. Благодаря этому данные разделители нельзя спутать ни с какими другими байтами пакетов.

Формальный алгоритм метода

Ожидание маркера. После прихода маркера РС анализирует наличие информации для передачи. Изъятие маркера и замена его информационным кадром, отправляемым по кольцу. Кадр следует до компьютера-приёмника информации, компьютеры, которым этот кадр не предназначен, пересылают его дальше (логически кольцо, физически звезда, ПК если не ему отправляет на модуль множественного доступа). Получение компьютером-приёмником предназначенного ему кадра. Анализ кадра на наличие ошибки: 2 флага ББД (бит безошибочной доставки) и ФБД (бит доставки), если пришел без обоих флагов, то комп выключен, отдает маркер. Если без ББД, то отправляет пакет снова. Если без БД, повтора не будет, б/сообщено, что в сети неполадки.

Компьютер – источник, получивший вернувшийся кадр с двумя признаками и имеющий информацию для отправки в сеть, не имеет права воспользоваться этой возможностью, а должен послать в сеть маркер. Посылка информационного кадра ему будет дозволена только тогда, когда маркер снова вернётся к нему по кольцу. Таким образом достигается равная возможность доступа к сети всем компьютерам, независимо от их «внутренних» характеристик.

3.8 Протокол IP версии 4, версии 6. Назначение, характеристики, особенности, недостатки и достоинства протоколов.

IPv4. Формат IP-адреса определен в IP-протоколе, основная функция которого – передача данных через набор объединенных компьютерных сетей. Выбор пути передачи данных называется маршрутизацией.

Каждый IP-адрес в нем состоит из 32 бит и представлен в виде четырех чисел по 8 бит, разделенных точками.

A класс: 1.0.0.0/8 — 126.0.0.0/8 провайдеры

B класс: 128.0.0.0/16 — 191.255.0.0/16 оч крупные сети

C класс: 192.0.0.0/24 — 223.255.255.0/24 локальные

D класс: 224.0.0.0 — 239.255.255.255  -  мультикаст

E класс: 240.0.0.0 — 247.255.255.255  -  зарезервировано

Локальная сеть:

192.168.0.0

172.16.0.0-172.31.0.0

10.0.0.0

IPv6.

В IPv6 длина IP-адреса расширена до 128 бит, поэтому число доступных идентификаторов увеличивается практически до бесконечности.

Кроме того, в новом протоколе был улучшен формат заголовка пакета данных. Ряд его полей, которые существовали в IPv4, не вошли в IPv6, часть из них стала необязательной, а некоторые были усовершенствованы. При этом в заголовке IPv6 появилось несколько новых полей. С их помощью можно задать хосту-отправителю приоритет для своих пакетов

Еще одна важная особенность IPv6 заключается в том, что в нем реализована возможность шифрования данных и поддерживается сервис качества обслуживания, особенно необходимый для мультимедийных трансляций.

Формат заголовка IPv6:

-поле 1: 4 бита номер версии протокола.

- поле 2: 4 бита – под приоритеты.

- Поле 3: 24 бита – метка потока.

- поле 4: 16 бит – размер поля данных.

- поле 5: 8 бит – идентифицируют тип заголовка, который следует за заголовком ip 6 версии.

-поле 6: 8 бит – предельное число шагов (время жизни пакета)

- поле 7: 128 бит – адрес отправителя

- поле 8: 128 бит – адрес получателя.

Архитектура: записывается в 16-ой системе, каждые 4 знака разделяются двоеточием.

Существует несколько форм представления адресов IPv6, включая глобальный уникальный адрес провайдера, географический адрес.

В IPv6 существует три различных типа адресов Unicast, Multicast и Anycast. C Unicast все просто, он определяет конкретный уникальный хост в сети. Multicast же идентифицирует группу хостов или интерфейсов, при отправке пакета на этот адрес, он доставляется на каждый хост группы. Anycast тоже объединяет несколько хостов, но имеет от Multicast существенное отличие, пакет посланный на Anycast адрес доставляется только ближайшему к отправителю участнику группы.(адрес страны).

В версии IPv6 не вводятся классы адресов сетей, вместо этого предполагается использовать бесклассовую технологию CIDR (Classless Inter-Domain Routing). Эта технология заключается в назначении каждому провайдеру непрерывного диапазона в пространстве IP-адресов. При таком подходе все адреса сетей каждого провайдера имеют общий префикс, так что маршрутизация на магистралях Internet может осуществляться на основе префиксов, а не полных адресов всех сетей конечных абонентов. Локализация адресов позволяет уменьшить объем таблиц в маршрутизаторах всех уровней, а, следовательно, ускорить работу маршрутизаторов и повысить пропускную способность Internet. Деление IP-адреса на номер сети и номер узла в технологии CIDR происходит не на основе нескольких старших бит (класса сети А, В или С), а на основе маски переменной длины, назначаемой провайдером.

3.9 Протоколы DNS, DHCP, DDNS. Назначение, характеристики, особенности, недостатки и достоинства протоколов.

Отображение символьных адресов на IP-адреса: служба DNS

DNS (Domain Name System) - это распределенная база данных, поддерживающая иерархическую систему имен для идентификации узлов в сети Internet. Служба DNS предназначена для автоматического поиска IP-адреса по известному символьному имени узла. Спецификация DNS определяется стандартами RFC 1034 и 1035. DNS требует статической конфигурации своих таблиц, отображающих имена компьютеров в IP-адрес.

Протокол DNS является служебным протоколом прикладного уровня.

Имена этих доменов должны следовать международному стандарту ISO 3166. Для обозначения стран используются трехбуквенные и двухбуквенные аббревиатуры, а для различных типов организаций используются следующие аббревиатуры:

com - коммерческие организации (например, microsoft.com);

edu - образовательные (например, mit.edu);

gov - правительственные организации (например, nsf.gov);

org - некоммерческие организации (например, fidonet.org);

net - организации, поддерживающие сети (например, nsf.net).

Пример полного DNS-имени : citint.dol.ru.

3 сценария разрешения имени в DNS:

браузер отправил известному ему DNS-серверу рекурсивный запрос — в ответ на такой тип запроса сервер обязан вернуть «готовый результат», то есть IP-адрес, либо пустой ответ и код ошибки NXDOMAIN;

• DNS-сервер, получивший запрос от браузера, последовательно отправлял нерекурсивные запросы, на которые получал от других DNS-серверов ответы, пока не получил ответ от сервера, ответственного за запрошенную зону;

• остальные упоминавшиеся DNS-серверы обрабатывали запросы нерекурсивно (и, скорее всего, не стали бы обрабатывать запросы рекурсивно, даже если бы такое требование стояло в запросе).

Прямая DNS зона - зона хранения записей соответствия доменного имени ip адресу.

Обратная DNS зона - зона хранения записей соответствия ip адреса доменному имени.

Виды записей DNS:

SOA запись - запись описания зоны.

NS запись - доменное имя авторитативного сервера.

A запись - соответствие доменного имени ip адресу.

PTR запись - соответствие ip адреса доменному имени.

CNAME запись - соответствие одного доменного имени другому.

MX запись - соответствие доменного имени доменным именам почтовых серверов.

Автоматизация процесса назначения IP-адресов узлам сети - протокол DHCP

DHCP разработан на базе Bootstrap Protocol (BOOTP), системы для автоматического получения информации о конфигурации BOOTP-клиентом от BOOTP-сервера при начальной загрузке.

DHCP (англ. Dynamic Host Configuration Protocol — протокол динамической конфигурации узла) — это сетевой протокол, позволяющий компьютерам автоматически получать IP-адрес и другие параметры, необходимые для работы в сети TCP/IP. Для этого компьютер обращается к специальному серверу, называемому серверу DHCP. Сетевой администратор может задать диапазон адресов, распределяемых среди компьютеров. Это позволяет избежать ручной настройки компьютеров сети и уменьшает количество ошибок. Протокол DHCP используется в большинстве крупных сетей TCP/IP.

Назначение IP-адресов узлам сети даже при не очень большом размере сети может представлять для администратора утомительную процедуру. Протокол DHCP освобождает администратора от этих проблем, автоматизируя процесс назначения IP-адресов.

Достоинство DHCP сервера - облегчает труд системного администратора по настройке клиентских рабочих станций.

Недостаток DHCP сервера - если в сети появится еще один DHCP сервер то он может нарушить работу первого и в следствие клиенты не смогут получить ip адреса.

Есть 3 способа получения IP адреса на DHCP сервере:

Динамическое - получение ip адреса с арендой на определный срок. -

Автоматическое  - получение ip адреса без ограничения срока.

Смешанное - совмещение методов динамического и автоматического получения ip адреса. Пример : резервирование определенных ip адресов.

Динамический DNS (DDNS) — технология, позволяющая информации на DNS-сервере обновляться в реальном времени, и (по желанию) в автоматическом режиме. Она применяется для назначения постоянного доменного имени устройству (компьютеру, сетевому накопителю) с динамическим IP-адресом. Это может быть IP-адрес, полученный по DHCP. Другие машины в Интернете могут устанавливать соединение с этой машиной по доменному имени и даже не знать, что IP-адрес изменился.

Динамическая DNS так же часто применяется в локальных сетях, где клиенты получают IP-адрес по DHCP, а потом регистрируют свои имена в локальном DNS-сервере.

3.10 Протокол ARP. Протокол ARP, его назначение, ARP- таблицы, ARP- вопросы и ответы. Широковещательные запро­сы. RARP, его назначение, RARP-серверы, RARP-ответы и запросы. ICMP, его назначение, основные сообщения протокола. Диагностические команды, понятие времени жизни пакета.

Для отображения IP-адресов в Ethernet адреса используется протокол ARP (Address Resolution Protocol - адресный протокол). Отображение выполняется только для отправляемых IP-пакетов, так как только в момент отправки создаются заголовки IP и Ethernet.

Формат пакета ARP

IP-адрес      Ethernet-адрес

223.1.2.1        08:00:39:00:2F:C3

ARP-таблицы.

ARP используется для определения соответствия IP-адреса адресу Ethernet. Отображение осуществляется только в момент отправления IP-пакетов, так как только в этот момент создаются заголовки IP и Ethernet. Отображение адресов осуществляется путем поиска в ARP-таблице. Упрощенно, ARP-таблица состоит из двух столбцов. Таблица соответствия необходима, так как адреса выбираются произвольно и нет какого-либо алгоритма для их вычисления. Если машина перемещается в другой сегмент сети, то ее ARP-таблица должна быть изменена. Когда отправитель определил IP-адрес получателя, то на основании ARP-таблицы определяется его MAC-адрес.Между MAC- и IP-адресами устанавливается соответствие, которое используется при инкапсуляции данных.Таблицу ARP можно посмотреть, используя команду arp, с ключом –a.

ARP-запросы.

ARP-таблица заполняется автоматически. Если нужного адреса в таблице нет, то в сеть посылается широковещательный запрос типа "чей это IP-адрес?". Все сетевые интерфейсы получают этот запрос, но отвечает только владелец адреса. При этом существует два способа отправки IP-пакета, для которого ищется адрес: пакет ставится в очередь на отправку или уничтожается. В первом случае за отправку отвечает модуль ARP, во втором случае модуль IP, который повторяет посылку через некоторое время. MAC-адрес широковещания имеет вид FF-FF-FF-FF-FF-FF.

ARP-ответы.

Поскольку пакет ARP-запроса посылается в режиме широковещания, то его принимают все устройства в локальной сети и передают для анализа на сетевой уровень. Если IPадрес устройства соответствует IP-адресу получателя, устройство формирует сообщение, называемое ARP-ответом. Полученный таким образом адрес будет добавлен в ARP-таблицу.

RARP.

Протокол RARP обеспечивает определение IP адреса по MAC адресу (например, при загрузке устройства, не имеющего возможности хранить свой собственный IP адрес), т.е. Выполняет функции обратные протоколу ARP. Уникальный MAC адрес обеспечивается изготовителем устройства.

Клиент RARP посылает широковещательный кадр Ethernet с запросом, содержащим MAC адрес целевого узла. В ответ от сервера ожидается RARP пакет (unicast), содержащий соответствующий ему IP адрес.

Все машины в сети принимают запрос, но только те из них, кто отвечает за поддержку RARP, обрабатывают запрос и посылают ответ; такие машины называют серверами RARP.

Протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol) является обязательным стандартом TCP/IP. Используя ICMP, узлы и маршрутизаторы, связывающиеся по протоколу IP, могут сообщать об ошибках и обмениваться ограниченной управляющей информацией и сведениями о состоянии.

Диагностические программы:

1.             Команда Ping - специальная команда для проверки доступности сетевых ресурсов.

2.             Nslookup - основная команда для диагностики проблем, связанных с работой DNS. Эта команда интерактивная, после ее вызова появляется специальная командная строка.

3.             Hostname - одна из основных утилит TCP/IP. Она выводит имя системы, на которой запущена команда.

3.11 Протоколы TCP, UDP. Назначение, характеристики, особенности, недостатки и достоинства протоколов.

Протокол UDP - User Datagram Protocol  - протокол пользовательских дейтаграмм.

Протокол UDP является протоколом негарантированной доставки. Он не требует и не предполагает сохранение информации о ранее отправленных данных. Поэтому протокол UDP не требует установления соединения с получателем и называется протоколом «без установления соединения». Существует множество ситуаций, в которых этот тип соединения является более удобным, чем режим гарантированной доставки. Передача данных без установления виртуального соединения предпочтительна для приложений, для которых требуется более высокая скорость обмена данными без контроля доставки.

Характеристики UDP:

· Функционирует на транспортном уровне моделей OSI и TCP/IP

· Обеспечивает приложениям доступ к сетевому уровню без дополнительных затрат на механизм надежной доставки

·  Это протокол без установления соединения.

·     Обеспечивает ограниченное выявление ошибок

·   Осуществляет негарантированную доставку данных

· Не содержит функций восстановления данных

Заголовок UDP

Пример: простая передача эл. почты

Протокол TCP (Transmission Control Protocol — протокол управления передачей) является надежным протоколом транспортного уровня. Для поддержки надежности доставки протокол TCP устанавливает соединение между компьютерами. В начале процесса происходит обмен информацией о возможностях получателя и согласование исходных параметров. Эти параметры затем используются для отслеживания передачи данных, в процессе активности соединения.

Когда компьютер-отправитель передает данные, он присваивает им номер последовательности. Затем получатель посылает ответ с подтверждением, содержащим следующий ожидаемый номер последовательности. Этот обмен номерами последовательности и номерами подтверждения позволяет протоколу обнаруживать потери, дублирование или ошибочность данных. TCP является сложным протоколом транспортного уровня.

Характеристики TCP:

· Является протоколом транспортного уровня стека TCP/IP

· Обеспечивает приложениям доступ к сетевому уровню

·   Является протоколом с установлением соединения

·       Работает в дуплексном режиме

·    Поддерживает выявление ошибок

·    Упорядочивает пакеты данных

·     Поддерживает подтверждение доставки

· Поддерживает функции восстановления данных

Заголовок TCP

Пример: отправка по почте с уведомлением о получении

3.12 Маршрутизация, протоколы маршрутизации. Суть процесса, особенности, протоколы их недостатки и достоинства.

Сети соединяются с помощью маршрутизаторов.

Маршрутизатор – устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Для того, чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач (прыжков) между сетями, каждый раз выбирая подходящий маршрут.

Задачи маршрутизации:

1. Проблема выбора наилучшего пути –

2. Выбор маршрута по другим критериям – надежность, безопасность.

Алгоритмы маршрутизации:

1 – маршрутизация на основе вектора расстояния – Один из наиболее популярных алгоритмов - определяется направление (вектор) и расстояние до каждого канала в сети. Этот алгоритм построен на идеях алгоритмов нахождения кратчайшего пути. Он используется в протоколе RIP (Routing IP).

2 – Маршрутизация по состоянию канала (OSPF) – выбор кратчайшего пути.

Данный алгоритм поддерживает БД с информацией о топологии сети.

3 – гибридный подход (1 и 2).

Протоколы маршрутизации :

1)             Внутренний протокол маршрутизации RIP

Этот протокол маршрутизации предназначен для сравнительно небольших и относительно однородных сетей. Маршрут характеризуется вектором расстояния до места назначения. Предполагается, что каждый маршрутизатор является отправной точкой нескольких маршрутов до сетей, с которыми он связан. Описания этих маршрутов хранится в специальной таблице, называемой маршрутной.

Основное преимущество алгоритма вектора расстояний - его простота. В  процессе работы маршрутизатор общается только с соседями, периодически обмениваясь с ними копиями своих таблиц маршрутизации. Получив информацию о возможных маршрутах от всех соседних узлов, маршрутизатор выбирает путь с наименьшей стоимостью и вносит его в свою таблицу.

Недостатки RIP:

 - ограничивает размер RIP-системы четырнадцатью промежуточными маршрутизаторами в любом направлении.

- широковещательная рассылка векторов расстояний каждые 30 секунд ухудшает пропускную способность сети. - RIP требует много времени для восстановления связи после сбоя в маршрутизаторе (минуты). В процессе установления режима возможны циклы.

2) OSPF – с выбором кратчайшего пути. Маршрутизация на основе состояния канала более сложна, чем RIP, и требует от маршрутизатора больших усилий, но ее оценка сравнительной эффективности маршрутов более точна, а также она имеет более высокую скоростьконвергенции (обновления таблиц маршрутизации на всех маршрутизаторах), чем RIP. Дополнительно OSPF уменьшает количество широковещательных передач, вырабатываемых протоколом маршрутизации, так как при возникновении изменений в конфигурации в сети другим маршрутизаторам посылаются только обновления, в отличие от RIP, который периодически передает всю таблицу маршрутизации.

BGP (англ. Border Gateway Protocol, протокол граничного шлюза) — основной протокол динамической маршрутизации в Интернете.

Протокол BGP предназначен для обмена информацией о достижимости подсетей между автономными системами (АС), то есть группами маршрутизаторов под единым техническим управлением, использующими протокол внутридоменной маршрутизации для определения маршрутов внутри себя и протокол междоменной маршрутизации для определения маршрутов доставки пакетов в другие АС. Передаваемая информация включает в себя список АС, к которым имеется доступ через данную систему. Выбор наилучших маршрутов осуществляет исходя из правил, принятых в сети.

BGP является протоколом прикладного уровня и функционирует поверх протокола транспортного уровня TCP (порт 179). После установки соединения передаётся информация обо всех маршрутах, предназначенных для экспорта. В дальнейшем передаётся только информация об изменениях в таблицах маршрутизации. При закрытии соединения удаляются все маршруты, информация о которых передана противоположной стороной.

Протокол RIP с течением времени перетерпел значительную эволюцию: от классового (classful) протокола маршрутизации (RIP-1) к бесклассовому протоколуRIP второй версии (RIP-2).Усовершенствования протокола RiP-2 включают в себя:

- способность переносить дополнительную информацию о маршрутизации пакетов;

- механизм аутентификации для обеспечения безопасного обновления таблиц маршрутизации;

- способность поддерживать маски под-сетей;

Расщепление горизонта (англ. split horizon) — метод предотвращения петель маршрутизации.

Суть метода: если информация о маршруте к A лежит через B, то B не должен посылать обновления о маршруте обратно к A, где A, B — маршрутизаторы. Расщепление горизонта не позволяет распространять неверную информацию о маршрутизации и уменьшает объём передаваемых служебных сообщений. Обычно применяется в дистанционно-векторных протоколах маршрутизации.

Метрика — это значение, которое присваивается IP-маршруту, для конкретного сетевого интерфейса, и определяет затраты, связанные с использованием этого маршрута. Например показатель может быть важных с точки зрения скорости, прыжков или задержки. Автоматическое назначение метрики — это новая функция в Windows XP, который автоматически настраивает метрики локальные маршруты, основанные на скорости соединения. Автоматическое назначение метрики включена по умолчанию и он может также быть настроен вручную назначить определенный показатель.

3.13 VLAN стандарта IEEE 802.1Q. Назначение VLAN. Значение и строение тега, процессы тегирование и передачи трафика по стандар­ту IEEE 802.1Q.

VLAN (Virtual Local Area Network) — группа устройств, имеющих возможность взаимодействовать между собой напрямую на канальном уровне, хотя физически при этом они могут быть подключены к разным сетевым коммутаторам. И наоборот, устройства, находящиеся в разных VLAN'ах, невидимы друг для друга на канальном уровне, даже если они подключены к одному коммутатору, и связь между этими устройствами возможна только на сетевом и более высоких уровнях.

В современных сетях VLAN — главный механизм для создания логической топологии сети, не зависящей от её физической топологии. VLAN'ы используются для сокращения широковещательного трафика в сети. Имеют большое значение с точки зрения безопасности, в частности как средство борьбы с ARP-spoofing'ом.

802.1Q- VLAN на базе меток (тегов) использует дополнительное поле кадра для хранения информации о принадлежности к VLAN. Стандарт IEEE 802.1q определяет изменения в структуре  Ethernet кадра, позволяющие передавать информацию о VLAN по сети.

Преимущества:

 - гибкость и удобство настройки и изменений

- позволяет активировать алгоритм связующего дерева на всех портах

 - позволяет взаимодействовать устройствам различных производителей

- для связи между VLAN-ми потребуется маршрутизатор, но для доступа к одному серверу он не понадобится.

 - один порт может принадлежать разным VLAN-ам.

Определения:

- tagged – маркирование кадра – добавление информации о принадлежности к VLAN.

- VLAN ID (vid)- идентификатор VLAN, его номер

 - port VLAN ID (PVID)- идентификатор порта VLANа.

Каждый порт настраивается как маркированный или немаркированный.

Маркированный кадр

Идентификатор протокола – (значение 8100) – определяет, что кадр содержит тег протокола 802.1q.

Приоритет передачи от 0 до 7. 7 –наивысший приоритет.

CFI - используется для совместимости между сетями Ethernet и Token Ring, FDDI/

Правило продвижения кадра

Если кадр не содержит информацию о VLANе, то коммутатор добавляет тег с VLAN ID= PVID.

Если кадр содержит информацию о VLAN, принадлежность VLANу равна его ID, тег в кадре не изменяется.

3.14 Протокол GVRP, Q-in-Q VLAN; Стандарт IEEE 802.lv. Назначение и характеристика функции GVRP (динамические VLAN). Назначение и характеристика функции Q-in-Q VLAN (Double VLAN). Стандарт IEEE 802.1V Классификация VLAN по протоколам и портам.

Протокол регистрации GVRP определяет способ, посредством которого коммутаторы обмениваются информацией о сети VLAN, чтобы автоматически зарегистрировать членов VLAN на портах во всей сети.

Главная цель GVRP — позволить коммутаторам автоматически обнаружить информацию о VLAN, которая иначе должна была бы быть вручную сконфигурирована в каждом коммутаторе. Этого можно достичь использованием GVRP — распространить идентификаторы VLAN по локальной сети.

Протокол GVRP использует сообщение GVRP BPDU рассылаются данные пакеты на МАС-адреса.

BPDU может содержать:

- регистр порта

-удаление VLAN с конкретного порта

- удаление всех зарегистрированных на порте VLAN-ов

Требования повторного динамического оповещения статической настройки VLAN.

Q-in-Q VLAN (802.1 AD)- double VLAN, который является расширением 802.1 Q.

Позволяет расширить маркированный кадр Ethernet еще одним тегом. Позволяет провайдерам оказывать услуги пользователям, в сетях которых уже присутствуют VLANы, что позволяет избежать совпадения номеров VLANов и разграничить трафик клиентов внутри сети.

Существует 2 типа реализации QinQ:

802.1v - Классификация VLAN по протоколам и портам

Позволяет объединять узлы в сети VLAN на основе поддерживаемых ими протоколов. При определении членствов в VLANе стандарт классифицирует немаркированный кадр по типу протокола и порту.

Формат тега 802.1v аналогичен формату 802.1Q.

В формате определены следующие правила классификации входящих кадров:

- при поступлении на порт немаркированного (нетегированного) кадра коммутатор осуществляет проверку заголовка канального уровня, а также тип протокола выше лежащего уровня. Если тип протокола соответствует типу 802.1v, то добавляется тег с VLAN ID. Если не совпадает, то добавляется в VLAN ID= порт VLAN ID.

- при поступлении маркированного кадра значение VLAN ID не меняется.

3.15 Протокол STP. Протокол связующего дерева. Назначение и принцип работы. Роли и состояние портов.

Spanning Tree Protocol – протокол покрывающего дерева (сделать избыточные связи не доступными). Основной задачей STP является устранение петель в топологии произвольной сети Ethernet, в которой есть один или более сетевых мостов, связанных избыточными соединениями. STP решает эту задачу, автоматически блокируя соединения, которые в данный момент для полной связности коммутаторов являются избыточными.

STP относится ко второму уровню модели OSI. Протокол описан в стандарте IEEE 802.1d.

Построение дерева:

Каждый коммутатор имеет уникальный идентификатор (bridge id). Каждый порт коммутатора имеет идентификатор порт ID и стоимость пути.

Выбор корневого моста: Процесс вычисления связующего дерева начинается с выбора корневого моста, от которого строится дерево. В качестве корневого моста выбирается коммутатор с наименьшим значением bridge id. Длина его 8 байт: 2 байта – приоритет, 6 байт – МАС-адрес управ.блока коммутатора. Сначала сравниваются значения приоритетов (по умолчанию 32768), если приоритеты одинаковы, то сравниваются по МАС-адресу (выбирается наименьший МАС-адрес).

Выбор корневого порта: после того, как корневой мост выбран, оставшиеся коммутаторы определяют стоимость пути до корня. Стоимость рассчитывается как суммарное время на передачу до корня. Выбирается путь с наименьшей стоимостью.

Определение назначенных портов: Назначенный порт функционирует как единственный порт коммутатора, т.е. принимает пакеты от сегмента и передает их в направлении корневого моста через корневой порт. Назначенный порт определяется путем сравнения стоимости пути от сегмента до корня. Корневой мост имеет все назначенный порты.

После выбора корневых и назначенных портов, остальные порты переходят в состояние bloking, они передают только пакеты BPDU, т.об.

·               В процессе нормальной работы корневой коммутатор генерирует BPDU, остальные коммутаторы принимают их корневыми портами, ретранслируют назначенными. Если в течение 20 секунд, по умолчанию, корневой порт любого коммутатора не получит BPDU от рута, он инициализирует процедуру перестроения.

BPDU (Bridge Protocol Data Unit) - фрейм (единица данных) протокола управления сетевыми мостами, IEEE 802.1d, базируется на реализации протокола STP (Spanning Tree Protocol). Используется для исключения возможности возникновения петель в сетях передачи данных при наличии в них многосвязной топологии.

Изменение топологий.

Коммутатор отправляет bpdu с уведомлением о топологии в случае следующих событий:

- не корневой мост получает сообщение TCN BPDU  на свой назначенный порт

- после истечения времени forward delay, порт переходит в состояние forwarding, но коммутатор уже имеет назначенный порт для данного сегмента.

- порт находившийся в состоянии forwarding или листинг переходит в состояние заблокирован. В случае проблем связи

- коммутатор становится корневым.

Состояния портов

Чуть раньше мы упомянули состояние блокировки порта, теперь поговорим о том, что это значит, и о других возможных состояниях порта в STP. Итак, в обычном (802.1D) STP существует 5 различных состояний:

• блокировка (blocking): блокированный порт не шлет ничего. Это состояние предназначено, как говорилось выше, для предотвращения петель в сети. Блокированный порт, тем не менее, слушает BPDU (чтобы быть в курсе событий, это позволяет ему, когда надо, разблокироваться и начать работать)

• прослушивание (listening): порт слушает и начинает сам отправлять BPDU, кадры с данными не отправляет.

• обучение (learning): порт слушает и отправляет BPDU, а также вносит изменения в CAM- таблицу, но данные не перенаправляет.

• перенаправление\пересылка (forwarding): этот может все: и посылает\принимает BPDU, и с данными оперирует, и участвует в поддержании таблицы mac-адресов. То есть это обычное состояние рабочего порта.

• отключен (disabled): состояние administratively down, отключен командой shutdown. Понятное дело, ничего делать не может вообще, пока вручную не включат.

3.16 Протокол RSTP. Rapit Spanning Tree Protocol. Назначение и принцип работы. Роли и состояние портов. Отличие от STP.

Протокол Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) является развитием протокола STP и в

настоящее время определен в стандарте IEEE 802.1D-2004 (ранее был определен в стандарте IEEE 802.1w-2001). Он был разработан для преодоления отдельных ограничений протокола STP, связанных с его производительностью. Протокол RSTP значительно ускоряет время сходимости коммутируемой сети за счет мгновенного перехода корневых и назначенных портов в состояние продвижения.

RSTP может работать с оборудованием, поддерживающим STP, однако все

преимущества от его использования будут потеряны.

Состояния портов

Чуть раньше мы упомянули состояние блокировки порта, теперь поговорим о том, что это значит, и о других возможных состояниях порта в STP. Итак, в обычном (802.1D) STP существует 5 различных состояний:

• блокировка (blocking): блокированный порт не шлет ничего. Это состояние предназначено, как говорилось выше, для предотвращения петель в сети. Блокированный порт, тем не менее, слушает BPDU (чтобы быть в курсе событий, это позволяет ему, когда надо, разблокироваться и начать работать)

-прослушивание (listening): порт слушает и начинает сам отправлять BPDU, кадры с данными не отправляет.

-обучение (learning): порт слушает и отправляет BPDU, а также вносит изменения в CAM- таблицу, но данные не перенаправляет.

-перенаправление\пересылка (forwarding): этот может все: и посылает\принимает BPDU, и с данными оперирует, и участвует в поддержании таблицы mac-адресов. То есть это обычное состояние рабочего порта.

-отключен (disabled): состояние administratively down, отключен командой shutdown. Понятное дело, ничего делать не может вообще, пока вручную не включат.

Существенным их отличием является способ перехода портов в состояние продвижения и то,каким образом этот переход влияет на роль порта в топологии. RSTP объединяет состояния Disabled, Blocking и Listening, используемые в STP, и создает единственное состояние Discarding (Отбрасывание), при котором порт не активен.

Роли портов:

- Корневой порт

- Назначенный порт

- Альтернативный порт

- Резервный порт

Альтернативный и резервный соответствует состоянию заблокирован в СТП. Альтернативный маршрут аналогичен маршруту корневому и заменяет последний в случае неполадок. Резервный порт предназначен для резервирования пути предоставляемого назначенного портом, т.е. это путь до сегмента сети, а не до корня.

Принцип работы: выбирается корневой коммутатор (англ. root switch), к которому, каждый из участвующих в построении дерева коммутатор, ищет кратчайший маршрут (с учётом пропускной способности канала) через соседние коммутаторы (или напрямую). Линии, не попавшие в маршрут, переводятся в режим ожидания и не используются для передачи данных пока работают основные линии. В случае выхода из строя основных линий, ожидающие линии используются для построения альтернативной топологии, после чего одна из линий становится активной, а остальные продолжают находиться в режиме ожидания.

Формат бпдю: формат протокола бпдю рстп и бпдю стп аналогичен, за исключением следующего:

В поле версия протокола = 2,

в поле флаг бпдю СТП использует 2 бита которые определяют изменения топологии, РСТП использует все 8 бит:

1 бит – флаг изменения топологии,

2 бит – флаг предложения,

3 и 4 бит – роли порта,

5 бит – флаг изучения,

6 – флаг продвижения,

7 – флаг соглашения,

8 – флаг подтверждения.

РСТП  имеет доп. поле 1 байт, для информации по протоколу СТП.

Быстрый переход в состояние продвижения.

В РСТП порт переходит в состояние продвижения значительно быстрее. Он больше не зависим от настроек таймеров, В РСТП входят 2 новых понятия, граничный порт и тип соединения. граничным объявляется порт, подключенный к сегменту в котором не могут быть созданы петли. Граничный порт теряет свой статус при получении пакета бпдю. При работе РСТП назначенный порт переходит в состояние продвижения быстро, в соединениях типа точка – точка, порты удовлетворяющие следующим условиям автоматически признаются как порты П2П (точка-точка). Условия: порт принадлежит агрегируемому каналу, на порту включена функция авто согласования и она определена в полнодуплексный режим работы, полнодуплексный режим работы был настроен администратором. Администратор в ручную может настроить значение порта, что он принадлежит точка-точка.

На рисунке показан процесс работы механизмов работы и соглашений. Коммутаторы А и Б соединены точка-точка. А является корнем. Коммутатор А посылает бпдю с предложением себя в качестве назначенного моста этого сегмента. Коммутатор Б назначает корневым порт который получил данное бпдю и переводит все остальные в назначенные состояния. Предположим что в коммутаторе Б 3 и 5 порты граничные, а 4 назначенный, 3 и 5 попадают под условия синхронизации. Что бы находиться в режиме синхронизации. 4 порт нужно заблокировать.

Совместимость с STP.

Протокол и оборудование RSTP полностью совместимы с STP. Коммутаторы автоматически преобразуют BPDU в формат 802.1d, однако при совместимости с STP преимущество быстрой сходимости RSTP теряется.

3.17 Протокол MSTP. Протокол связующего дерева Multiple Spanning Tree Protocol. Назначение и принцип работы. Роли и состояние портов. Понятие региона. Типы связующих деревьев.

MSTP (Multi Spanning Tree Protocol) в отличие от предыдущих версий протокола поддерживает возможность создания отдельного связующего дерева для каждой VLAN настроенной в сети. Первоначально описывался стандартом 802.1s, позже был добавлен стандарт 802.1q-203, совместим с протоколами RSTP и STP.

MSTP делит сеть на регионы MST, каждый из которых может содержать множество деревьев с независимой друг от друга топологией.

Для того чтобы 2 и более коммутаторов принадлежали одному региону MST они должны обладать одинаковой конфигурацией MST.

Конфигурация включает такие параметры как номер ревизии MSTP, имя региона, карту привязки копии дерева.

Протокол MSTP определяет следующие виды деревьев:

·               Internal Spanning Tree (IST) – специальная копия дерева, которая по умолчанию существует в каждом MST регионе. IST имеет номер 0 – Instance 0. Она может отправлять и получать кадры BPDU и служит для управления топологией в регионе. По умолчанию все ВЛС одного региона привязаны к IST. Если в регионе создано несколько MSTI, то ВЛС, неассоциированные с ними, остаются привязаны к IST. Динамические VLAN по протоколу GVRP также ассоциируются с IST.

·               CST – единое связующее дерево, вычисленное с помощью протоколов STP, RSTP, MSTP и объединяющее все регионы MST.

·               CIST – единое связующее дерево, объединяющее CST и IST каждого региона.

·               SST – мост, поддерживающий единственное связующее дерево.

По умолчанию все VLAN данного MST региона назначены в IST.

Роли портов MSTP.

Протокол MSTP определяет роли портов, к-е участвуют в процессе вычисления дерева. Порты бывают корневые(ближайшие к мосту), назначенные(на корневом мосту), альтернативные(резервные).

Дополнительно возможно присвоение роли мастера порта. Состояние портов совпадает с RSTP.

Состояния портов

Чуть раньше мы упомянули состояние блокировки порта, теперь поговорим о том, что это значит, и о других возможных состояниях порта в STP. Итак, в обычном (802.1D) STP существует 5 различных состояний:

• блокировка (blocking): блокированный порт не шлет ничего. Это состояние предназначено, как говорилось выше, для предотвращения петель в сети. Блокированный порт, тем не менее, слушает BPDU (чтобы быть в курсе событий, это позволяет ему, когда надо, разблокироваться и начать работать)

• прослушивание (listening): порт слушает и начинает сам отправлять BPDU, кадры с данными не отправляет.

• обучение (learning): порт слушает и отправляет BPDU, а также вносит изменения в CAM- таблицу, но данные не перенаправляет.

• перенаправление\пересылка (forwarding): этот может все: и посылает\принимает BPDU, и с данными оперирует, и участвует в поддержании таблицы mac-адресов. То есть это обычное состояние рабочего порта.

• отключен (disabled): состояние administratively down, отключен командой shutdown. Понятное дело, ничего делать не может вообще, пока вручную не включат.

3.18 Функции QoS. Модели QoS. Приоритезация пакетов. Механизм предотвращения перегрузок Контроль полосы про­пускания.

Качество обслуживания (QoS).

Можно выделить 3 модели QoS:

1)             Негарантированная доставка данных

2)             Интегрированные услуги – подразумевает резервирование сетевых ресурсов для трафика чувствительного к задержкам

3)             Дифференцированное обслуживание – предполагает разделение трафика на классы с выделением каждому классу определенной полосы

802.1p

На каждом коммутаторе возможны от 4 до 8 аппаратных очередей приоритета для каждого порта.

Приоритет 0 – номер очереди 1.

Приоритет 1 – номер очереди 0.

Приоритет 2 – номер очереди 0.

Приоритет  3 – номер очереди 1.

Приоритеты 4,5 – номер очереди 2.

Приоритеты 6,7 – номер очереди 3.

Управление перегрузками

Механизм FIFO – механизм обслуживания очереди

Очередь приоритета со строгим режимом: 4 приоритетные очереди – пока очередь с высшим приоритетом не закончится, трафик из низшей не передается.

Алгоритм кругового обслуживания – обеспечивает обработку очередей в соответствии с назначенным приоритетом, предоставляя низкоприоритетным очередям канал связи.

Механизм предотвращения перегрузок – процесс выборочного отбрасывания пакетов в случае, когда очередь достигла определенной длины.

Протокол RED.

Это алгоритм произвольного раннего обнаружения. Отбрасывает поступающие пакеты вероятностно на основе оценки среднего размера очереди. Средний размер сравнивается со значениями максимальной и минимальной. Если средний размер превысил минимальное значение, то пакеты начинают отбрасываться с некоторой вероятностью. Интенсивность отбрасывания пакетов прямо пропорциональна среднему размеру очереди. При достижении максимума отбрасываются все пакеты.

SRED.

Расширенная версия протокола RED. Выполняет вероятностное отбрасывание «окрашенных» пакетов. Пакеты «окрашиваются» в 3 цвета, 3 значения приоритета: зеленый высший приоритет, желтый средний, красный низший. Для каждого цвета создается своя очередь и свое минимальное и максимальное значение.

Контроль полосы пропускания.

Подразумевает два механизма: ограничение трафика – служит для ограничения скорости трафика получаемого и отправляемого с интерфейса коммутатора (когда эта функция активна, администратор задает пороговое значение для каждого порта. Трафик, скорость которого или равна значению – передается, иначе – обрабатывается в соответствии с политикой(отбрасываться или помечаться приоритетом)) и выравнивание трафика – вносит задержку в передачу трафика, что критично для некоторых видов сервиса, но более лоялен к TCP соединениям, но на данное время практически не применяется.

Основным средством для выравнивания трафика является алгоритм «корзина маркеров». Алгоритм подразумевает наличие следующих параметров:

• согласование скорости передачи;

• согласование размеров всплеска;

• расширенный размер всплеска.

В зависимости от метода фильтрации пакетов QoS работает на разных уровнях модели OSI:

• по типу протокола - прикладной уровень модели OSI.

• по номеру порта - транспортный уровень модели OSI.

• по содержимому пакета - сетевой уровень модели OSI.

3.19 Функции обеспечения безопас­ности и надежности, ACL. IEEE 802.1 х. MAC-based Access Control (MAC). WEB-based Access Control (WAC). Guest VLAN Списки управления доступом (ACL) назначение и возможности.

Протокол 802.1x не поддерживает работу на агрегированных каналах.

Роли:

Клиент – рабочая станция, которая запрашивает доступ к локальной сети и сервисам коммутатора и отвечает на запросы коммутатора. На рабочей станции должно быть установлено клиентское ПО для 802.1x.

Сервер аутентификации – выполняет фактическую аутентификацию клиента, проверяет подлинность клиента и информирует коммутатор предоставлять или не предоставлять доступ к локальной сети.

Аутентификатор– управляет физическим доступом к сети, основываясь на статусе аутентификации клиента. Работает в качестве посредника (прокси).

Коммутатор, который поддерживает сервер RADIUS, отвечает за инкапсуляцию и деинкапсуляцию кадров EAP. Инициатором процесса аутентификации может быть как клиент, так и коммутатор.

Авторизация по портам - Port-Based 802.1x: в случае авторизации одного из клиентов, подключенных ко второму коммутатору, все остальные клиенты получат доступ автоматически.

Авторизация по MAC-адресам – MAC-Based 802.1x: аутентификация множества клиентов на одном физическом порту коммутатора. При данной аутентификации проверяется не только логин и пароль, но и мак-адреса клиента и количество подключенных в данный момент, мак-адресов. Если превышен лимит изучаемых мак-адресов, то новые клиенты будут блокироваться.

Web-Based Authentication (WAC) функция, специально разработанная для аутентификации пользователя при попытке доступа к сети через коммутатор. Это альтернативный вариант аутентификации на основе портов по отношению к IEEE802.1X. Процесс аутентификации использует протокол HTTP. Когда пользователи хотят открыть WEB-страницу (например, http://www.google.com) посредством WEB-браузера (например, IE) и коммутатор обнаруживает HTTP-пакеты и то, что порт не аутентифицирован, тогда браузер отобразит окно с запросом имени пользователя/пароля. Если пользователь вводит правильные данные и проходит процесс аутентификации, это означает, что порт аутентифицирован, и пользователь имеет доступ к сети.

802.1xGuestVLAN.

Используется для создания VLAN с ограниченными правами для пользователей не прошедших аутентификацию.

AccessControlList (Списки управления доступом) –мощное средство фильтрации потоков данных без потери производительности, т.к.  проверка содержимого пакетов выполняется на аппаратном уровне.

Списки управления доступом (Access Control List, ACL) являются мощным средством

фильтрации потоков данных без потери производительности, т.к. проверка содержимого пакетов выполняется на аппаратном уровне. Фильтруя потоки данных, администратор может ограничить типы приложений, разрешенных для использования в сети, контролировать доступ пользователей к сети и определять устройства, к которым они могут подключаться.

Также ACL могут использоваться для определения политики QoS, путем классификации

трафика и переопределения его приоритета.

·               Принцип работы ACL:               

3 основных профиля доступа:

1. Профиль Ethernet:

-проверка на VLAN;

-проверка на MAC: источника и назначения;

-проверка на 802.1р;

-тип Ethernet.

2. Профиль IP:

-проверка на VLAN;

-маска IP источника

-маска IP назначения;

-DSCP (поле в IP-пакете, позволяющее назначить сетевому трафику различные уровни обслуживания);

-протоколы TCP, IGMP, UDP;

-номер порта TCP\UDP.

3. Профиль фильтрации по содержимому пакета (PacketContentFiltering)

Процесс создания профиля доступа:

1. Анализ задач фильтрации и определение типа профиля;

2. Определение стратегии фильтрации;

3. Определение маски профиля доступа.

Маска профиля доступа используется для указания какие биты значений полей IP-адрес, MAC-адрес, порт TCP\UDP должны проверяться в пакете данных, а какие игнорироваться.

3.20 Стекирование коммутаторов. Объединение коммутаторов в физический стек, роли коммутаторов, топологии.

Функции управления коммутаторами.

·               Физическое стекирование

·               Виртуальное стекирование

При физическом стекировании коммутаторы представляют собой одно логическое устройство, передача данных между коммутаторами ведется в полнодуплескном режиме, всем коммутаторам присваивается один ip-адрес, для управления используется командная строка, веб-интерфейс, телнет, протокол SNMP. Ip-адрес присваивается только одному мастеру-коммутатору.

Стекирвоание бывает двух типов: кольцевое и линейное.

Преимущества кольцевой топологии:

·               Отказоустойчивость

·               Определение оптимального пути передачи пакетов

·               Использование полной полосы пропускания стека

В линейной топологии:

·               Данные передаются в одном направлении

·               Выход из строя одного коммутатора нарушает работу стека

Механизмы стекирования:

1)             RMT – обеспечивает непрерывную работу стека при выходе какого-либо устройства из строя, а также при замене, добавлении, удалении коммутаторов и позволяет автоматически назначить нового мастер-коммутатора

2)             CDT – позволяет объединить несколько физических портов разных коммутаторов стека в один агрегированный канал

3)             SmartRoute– позволяет копировать таблицы коммутации, хранимые на мастер-коммутаторе на все устройства стека

В стэке каждому коммутатору присваивается определенная роль, она может быть назначена администратором или автоматически. Существует 3 роли:

·               Основной мастер – является основным устройством стэка, назначает идентификаторы устройства, синхронизирует командные настройки, назначается путем присваивания высшего приоритета или автоматически в процессе выборов.

·               Резервный мастер – дублирует основной мастер в случае выхода того из строя.

·               Ведомый (slave) – все остальные коммутаторы в стэке.

После того как все коммутаторы будут объединены в стэк, они собирают информацию о соседях: приоритет и мак-адрес. По умолчанию приоритет 32. Основным мастером становится коммутатор с наивысшим приоритетом, если приоритеты равны, то выбирается с наименьшим мак-адресом. Всем остальным, кроме мастеров, будет присвоен порядковый номер BoxID.

3.21 Функции Port Security, IMPB. Назначение и возможности функций.

PortSecurity позволяет настроить какой-либо порт коммутатора так, чтобы доступ к сети через него мог осуществляться только определенными устройствами.

3 режима работы:

·               - постоянный;

·               - удалить при истечении времени;

·               - удалить при сбросе настроек.

1) Постоянный.

Занесенные в таблицу коммутации MAC-адреса никогда не устаревают, даже если истекло время установленное таймером AgingTime (время старения) или коммутатор был перезагружен.

2) удалить при истечении времени. Занесенные в таблицу коммутации MAC-адреса устареют после истечения времени, установленного AgingTime, затем будут удалены.

3) удалить при сбросе настроек. MAC-адреса удаляются при сбросе настроек коммутатора.

Функция IP-MAC-PORT-BINDING (IMPB - разработка компании  D-Link) позволяет контролировать доступ компьютеров в сеть на основе их IP, MAC адресов, а также порта подключения.

Режимы работы IMPB:

- ARP-mode (режим по умолчанию), коммутатор анализирует ARPпакеты и сопоставляет MACадрес в ARPзапросе с предустановленной администратором связкой IP-MAC (белым листом).

- ACL-mode. Коммутатор на основе предустановленного белого листа создает правила ACL.

- DHCP Snooping mode – используется коммутатором для динамического создания записи IP-MACна основе анализа DHCP-пакетов и привязки их к портам, на которых включена функция IMPB.

Режимы работы порта:

- Strictmode–по умолчанию заблокирован порт, прежде чем передать пакет порт отправит этот пакет на CPUдля проверки с белым листом.

- Loosemode– в этом режиме порт по умолчанию открыт и будет в последствии заблокирован, если через него пройдет первый недостоверный пакет.

Strictmode – проверяет все IP и ARPпакеты, а Loosemode – ARP и BroadCast

3.22 Многоадресная рассылка, Функ­ция IGMP Snooping. Функция IGMP Snooping назначение и возможности.

Многоадресная рассылка.

Способы отправки пакетов:

·               Одноадресная передача – поток данных, передающийся от узла отправителя на индивидуальный ip-адрес конкретного узла получателя

·               Широковещательная передача – доставка потока данных от узла отправителя множеству узлов получателей, подключенных к сети, используя широковещательный ip-адрес

·               Многоадресная рассылка – доставка потока данных группе узлов на ip-адрес группы многоадресной рассылки. У этой группы нет географических или физических ограничений. Узлы присоединяются к этой группе при помощи IGMP-протокола, после этого пакеты многоадресной рассылки будут содержать в поле назначения заголовка групповой адрес.

Многоадресная рассылка использует транспортный протокол UDP. Для многоадресной рассылки выделен диапазон класса D от 224.0.0.0 до 239.255.255.255.

От 239.0.0.0 до 239.255.255.255 – это блок административно-ограниченных адресов, данные адреса могут использоваться локально внутри домена.

Протокол IGMP используется для динамической регистрации отдельных узлов в многоадресной группе локальной сети.

Типы сообщений:

·               Запрос о принадлежности к группе

·               Ответ о принадлежности к группе

·               Сообщение о выходе из группы

При передаче многоадресного трафика используются медиа-сервер, посылающий многоадресный поток через все порты на ПК пользователей.

Когда коммутатор 2-го уровня получает многоадресный трафик, то он начинает передавать его на все порты.

Способы управления коммутатора 2-го уровня при многоадресной рассылки:

1)             Создание статических таблиц коммутации для портов, к которым не подключены подписчики многоадресных групп

2)             Настройка функции IGMPSnooping – функция второго уровня, которая позволяет коммутаторам изучать членов многоадресных групп, подключенных к его портам, прослушивая IGMP-сообщения

Пример настройки IGMP Snooping:

1.             Глобально активируем функцию IGMPSnooping

2.             Активизация IGMPSnooping в указанныйvlan

3.             Включение фильтрации многоадресного трафика для узлов, не являющихся подписчиками многоадресной рассылки

Недостатком IGMP является использование UDP портов.

Функция IGMPSnoopingFastLeave – позволяет мгновенно исключить порт из таблицы коммутации IGMP, если получено сообщение о выходе.  

3.23 Протокол SNMP. Функции RMON, Port Mirroring. Назначение протокола SNMP в работе с коммутаторами. Назначение и возможности функций RMON, Port Mirroring.

Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol).

Входит в стек протоколов TCP/IP и позволяет администраторам сетей получать информацию о состоянии устройств сети, обнаруживать и исправлять неисправности и планировать развитие сети. Протокол прикладного уровня OSI.

Компоненты SNMP:

·               SNMP-менеджер – ПО, наблюдающее за сетевыми устройствами и управляющая ими

·               SNMP-агент – программный модуль для управления сетью, который находится на управляемом сетевом устройстве, обслуживает базу управляющей информации и отвечает на запросы менеджера

·               База управляющей информации – совокупность иерархически организованной информации, доступ к которой осуществляется посредством протокола управления сетью

База управляющей информации описывает структуру управляющей информации устройств и состоят из управляемых объектов.

Управляемый объект -  это одна из нескольких характеристик управляющего сетью устройства (имя системы, время, количество интерфейсов, IP-адрес). Обращение к управляемым объектам происходит посредством идентификаторов объектов (OID). Каждый управляемый объект имеет уникальный идентификатор в пространстве имен OID и контролируется агентством IANA.

Пространство имен OIDпредставлено в виде иерархической структуры с корнем без названия. Идентификаторы верхних уровней отданы организациям, контролирующим стандартизацию, а идент-ры низших уровней определяются этими организациями.

Идентификатор представляет собой последовательность целых десятичных цифр, разделенных точкой, и включающих полный путь от корня до управляемого объекта.

Производители сетевого оборудования определяют частные ветви пространства имен OID, куда помещают управляемые объекты для своей продукции.

 Порядок настройки протокола SNMP:

1.  Активировать ф-ию глобально на коммутаторе;

2.  Удалить строки «CSпо умолчанию», а создать свои новые;

3.Задать параметры получателя сообщений ‘Trap’ от агента и активизировать функцию отправки сообщений “Trap”.

Безопасность SMNP

В протоколе SNMP v.1 и v.2c предусмотрена аутентификация пользователей, которая выполняется с помощью строки сообщества (Community string). Строки Community string функционирует подобно паролю, который разрешает удаленному менеджеру SNMP доступ к агенту. Менеджер и агент SNMP должны использовать одинаковые строки Community string, т.к. все пакеты от менеджера SNMP не прошедшего аутентификацию будут отбрасываться. В коммутаторах с поддержкой SNMP v.1 и v.2c используются следующие Community string по умолчанию:

public – позволить авторизованной рабочей станции читать (право «read only») MIB- объекты;

private – позволить авторизованной рабочей станции читать и изменять (право «read/write) MIB-объекты.

RMON(RemouteMonitoring)

Разработана сообществом ETF для поддержки мониторинга и анализа протоколов в ЛВС.

Первая версия RMON основывается на мониторинге информации сетей Ethernet и TokenRing. Её расширением является вторая версия, которая добавила поддержку мониторинга на сетевом уровне и уровне приложений модели OSI.

RMON имеет клиент-серверную архитектуру. Устройства мониторинга называются зондами, на к-х установлено специальное ПО. Зонды выступают в качестве серверов, а приложения сетевого уровня – в качестве клиентов.

Порядок настройки на коммутаторах(как и для SNMP, но в 1м пункте глобально активируем RMON)

PORTMIRRORING – эта функция позволяет копировать кадры, принимаемые и отправляемые портом-источником на целевой порт коммутатора, к которому подключении устройство мониторинга с целью анализа проходящих через порт пакетов. Целевой порт и порт-источник должны принадлежать одной VLAN и иметь одинаковую скорость.

3.24 Многоадресная рассылка, функ­ция IGMP. Назначение многоадресных рассылок. Возможности функции IGMP.

Многоадресная рассылка.

Способы отправки пакетов:

·               Одноадресная передача – поток данных, передающийся от узла отправителя на индивидуальный ip-адрес конкретного узла получателя

·               Широковещательная передача – доставка потока данных от узла отправителя множеству узлов получателей, подключенных к сети, используя широковещательный ip-адрес

·               Многоадресная рассылка – доставка потока данных группе узлов на ip-адрес группы многоадресной рассылки. У этой группы нет географических или физических ограничений. Узлы присоединяются к этой группе при помощи IGMP-протокола, после этого пакеты многоадресной рассылки будут содержать в поле назначения заголовка групповой адрес.

Многоадресная рассылка использует транспортный протокол UDP. Для многоадресной рассылки выделен диапазон класса D от 224.0.0.0 до 239.255.255.255.

От 239.0.0.0 до 239.255.255.255 – это блок административно-ограниченных адресов, данные адреса могут использоваться локально внутри домена.

Протокол IGMP используется для динамической регистрации отдельных узлов в многоадресной группе локальной сети.

Типы сообщений:

·     Запрос о принадлежности к группе

·     Ответ о принадлежности к группе

·      Сообщение о выходе из группы

При передаче многоадресного трафика используются медиа-сервер, посылающий многоадресный поток через все порты на ПК пользователей.

Когда коммутатор 2-го уровня получает многоадресный трафик, то он начинает передавать его на все порты.

Способы управления коммутатора 2-го уровня при многоадресной рассылки:

1)             Создание статических таблиц коммутации для портов, к которым не подключены подписчики многоадресных групп

2)             Настройка функции IGMPSnooping – функция второго уровня, которая позволяет коммутаторам изучать членов многоадресных групп, подключенных к его портам, прослушивая IGMP-сообщения

Пример настройки IGMP Snooping:

1.             Глобально активируем функцию IGMPSnooping

2.             Активизация IGMPSnooping в указанныйvlan

3.             Включение фильтрации многоадресного трафика для узлов, не являющихся подписчиками многоадресной рассылки

Недостатком IGMP является использование UDP портов.

Функция IGMPSnoopingFastLeave – позволяет мгновенно исключить порт из таблицы коммутации IGMP, если получено сообщение о выходе.  

3.25 Технология WI FI. Стандарты семейства IEEE 802.11. Достоинства и недостатки беспроводных линий. Методы автори­зации и шифрования.

Wi-Fi — торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. Под аббревиатурой Wi-Fi (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «высокая точность беспроводной передачи данных») в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам.

Любое оборудование, соответствующее стандарту IEEE 802.11, может быть протестировано в Wi-Fi Alliance и получить соответствующий сертификат и право нанесения логотипа Wi-Fi.

Принцип работы

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка (Ad-hoc), когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой идентификатор сети (SSID (англ.)) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0,1 Мбит/с — наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения. Более подробно принцип работы описан в официальном тексте стандарта.Однако, стандарт не описывает все аспекты построения беспроводных локальных сетей Wi-Fi. Поэтому каждый производитель оборудования решает эту задачу по-своему, применяя те подходы, которые он считает наилучшими с той или иной точки зрения. Поэтому возникает необходимость классификации способов построения беспроводных локальных сетей.

По способу объединения точек доступа в единую систему можно выделить:

· Автономные точки доступа (называются также самостоятельные, децентрализованные, умные)

·Точки доступа, работающие под управлением контроллера (называются также «легковесные», централизованные)

·Бесконтроллерные,(управляемые без контроллера)

По способу организации и управления радиоканалами можно выделить беспроводные локальные сети:

·Со статическими настройками радиоканалов

·С динамическими (адаптивными) настройками радиоканалов

·Со«слоистой»или многослойной структурой радиоканалов

Стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Новые устройства поддерживают более совершенный протокол шифрования данных WPA и WPA2. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало доступной более безопасную схему, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно назначаются пользователями. Многие организации используют дополнительное шифрование (например VPN) для защиты от вторжения. На данный момент основным методом взлома WPA2 является подбор пароля, поэтому рекомендуется использовать сложные цифро-буквенные пароли для того, чтобы максимально усложнить задачу подбора пароля.

В режиме ad-hoc стандарт предписывает лишь реализовать скорость 11 Мбит/сек (802.11b). Шифрование WPA(2) недоступно, только легковзламываемый WEP.

Стандарты Wi-Fi

IEEE 802.11 – базовый стандарт для WLAN, который определяет набор протоколов для самых низких скоростей передачи данных.

IEEE 802.11b – описывает более быстрые скорости передачи и вводит больше технологических ограничений. Этот стандарт широко продвигался со стороны WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) и изначально назывался Wi-Fi.

Используются частотные каналы в спектре 2.4GHz.

Ратифицирован в 1999 году.

Используемая радиочастотная технология: DSSS.

Кодирование:  Barker 11 и CCK.

Модуляции: DBPSK и DQPSK,

Максимальные скорости передачи данных в канале:  1, 2, 5.5, 11 Mbps,

IEEE 802.11a – описывает значительно более высокие скорости передачи чем 11b.

Используются частотные каналы в спектре 5GHz. Протокол Не совместим с 802.11b.

Ратифицирован в 1999 году.

Используемая радиочастотная технология: OFDM.

Кодирование:  Convoltion Coding.

Модуляции: BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

Максимальные скорости передачи данных в канале:  6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps.

IEEE 802.11g – описывает скорости передачи данных эквивалентные 11а.

Используются частотные каналы в спектре 2.4GHz. Протокол совместим с 11b.

Ратифицирован в 2003 году.

Используемые радиочастотные технологии: DSSS и OFDM.

Кодирование:  Barker 11 и CCK.

Модуляции: DBPSK и DQPSK,

Максимальные скорости передачи данных в канале:  

- 1, 2, 5.5, 11 Mbps на DSSS и

- 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps на OFDM.

IEEE 802.11n – самый передовой коммерческий Wi-Fi стандарт, на данный момент. Используются частотные каналы в спектрах 2.4GHz и 5GHz. Совместим с 11b/11a/11g.

Хотя рекомендуется строить сети с ориентацией только на 11n, т.к. требуется конфигурирование специальных защитных режимов при необходимости обратной совместимости с устаревшими стандартами. Это ведет к большому  приросту сигнальной информации и существенному снижению доступной полезной производительности радиоинтерфейса. Собственно даже один клиент 11g или 11b потребует специальной настройки всей сети и мгновенной ее существенной деградации в части аггрегированной производительности.

Сам стандарт 802.11n вышел 11 сентября 2009 года.

Поддерживаются частотные каналы шириной 20MHz и 40MHz (2x20MHz).

Используемая радиочастотная технология: OFDM.

Используется технология OFDM MIMO (Multiple Input Multiple Output) вплоть до уровня 4х4 (4хПередатчика и 4хПриемника). При этом минимум 2хПередатчика на Точку Доступа и 1хПередатчик на пользовательское устройство.