лекции / Пятибратов А.П.- Вычислительные системы, сети и телекоммуникации / ВВЕДЕНИЕ
.docУДК 004.7(075.8) ББК 32.973.202я73 П99
АВТОРЫ:
А.П. Пятибратов (введение, главы 12 - 17);
Л.П. Гудыно (главы 1-3, 10, 11);
А.А. Кириченко (главы 4-9)
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
Кафедра информатики и программного обеспечения вычислительных систем
Московского государственного университета
экономики, статистики, информатики; С.В. Назаров, доктор техн. наук, профессор
Пятибратов А.П. и др.
П99 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник. -2-е изд., перераб. и доп. / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; Под ред. А.П. Пятибратова - М.: Финансы и статистика, 2004. -512 с.: ил.
ISBN 5-279-02301-9
Описываются принципы построения, архитектура, функциональная и структурная организация, основные устройства и звенья вычислительных машин, систем и телекоммуникационных вычислительных сетей. Рассматриваются их программное обеспечение, функционирование, эффективность и перспективы развития. Во 2-м издании (1-е изд. — в 1998 г.) нашли отражение изменения в классификации средств вычислительной техники, их использовании в системах мультимедиа, в сетевых технологиях и корпоративных сетях.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности « Прикладная информатика в экономике», а также по другим экономическим специальностям.
2404000000 - 032 УДК 004.7(075.8)
—————————————— 299 — 2002 ББК 32.973.202я73
010(01) - 2004
© А.П. Пятибратов,Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко, 1998 ISBN 5-279-02301-9 © А.П. Пятибратов,Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко,2001
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня Россия стоит перед исторической необходимостью перехода от индустриального общества на принципиально новый уровень общественного и экономического развития, определяемого жесткими требованиями современной научно-технической революции. Речь идет о формировании информационного общества и информационной экономики, которые в передовых странах уже получили определенное развитие. Предстоит переосмыслить многие устоявшиеся представления и выработать концепцию построения информационного общества с учетом сложившейся в стране ситуации и принимая во внимание, что стратегия развития экономики и общества неотделима от информатизации.
Для индустриального общества характерными и традиционными являются такие виды ресурсов, как материальные (предметы труда, используемые в процессе производства общественного продукта), природные (объекты, процессы, условия природы, используемые для удовлетворения материальных и духовных потребностей людей), трудовые (люди, обладающие знаниями и навыками для работы в обществе), финансовые (денежные средства, находящиеся в распоряжении государственных или коммерческих структур), энергетические (носители энергии — уголь, нефть, газ, электроэнергия и т.д.).
В информационном обществе, материальной базой которого является информационная экономика, акцент значимости смещается на информационный ресурс, представляющий собой знания, накопленные людьми для социального использования в обществе. Эти знания зафиксированы и материализованы в виде документов, баз данных, баз знаний, алгоритмов, компьютерных программ, произведений литературы, науки, искусства. Информационные ресурсы рассматриваются как стратегические ресурсы страны, региона, организации.
Для каждой страны переход в новую эпоху экономического развития, в основе которой лежит использование многообразных информационных ресурсов, определяется степенью информатизации ее экономики и общества в целом.
Информатизация экономики предполагает не совершенствование технологии на отдельных участках экономической системы, а перевод экономики на принципиально иные основы информационной технологии. В России необходимо параллельно решать проблемы перехода к рыночной экономике и внедрения информационной технологии. Образно говоря, потребуется сразу пройти и через «ад» рыночной экономики, и через «чистилище» информационной экономики.
Достижение высоких экономических и социальных результатов, повышение доли России в мировой экономической системе до полноправного партнерства в значительной степени зависят от масштабов и темпов информатизации общества, использования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности. Информатизацию можно рассматривать как процесс преобразования производственно-хозяйственных, научных и социально-бытовых структур путем производства информации, необходимой для выработки и реализации решений, направленных на достижение качественно новых результатов деятельности человека, на базе внедрения и использования средств вычислительной техники, связи и информационных технологий. Несмотря на различие процессов информатизации в разных областях человеческой деятельности, в единую систему ее объединяют три составляющие: единство основных средств производства (средства вычислительной техники и информатики), единство сырья (данные, подлежащие анализу и обработке), единство выпускаемой продукции (информация, используемая для управления и совершенствования деятельности человека).
Инфраструктура информатизации включает: системы коммуникаций, вычислительных машин и сетей, программное обеспечение этих систем; информационные средства; систему подготовки кадров для эксплуатации аппаратного, программного и информационного обеспечения; экономические и правовые механизмы, обеспечивающие и способствующие эффективному развитию процесса информатизации.
Ключевая роль в современной инфраструктуре информатизации принадлежит системам коммуникаций и вычислительным сетям, в которых сосредоточены новейшие средства вычислительной техники, информатики, связи, а также самые прогрессивные информационные технологии. Именно они обеспечивают пользователям широкий набор информационно-вычислительных услуг с доступом к локальным и удаленным машинным ресурсам, технологиям и базам данных.
На пути развития электронной вычислительной техники (начиная с середины 40-х годов) можно выделить четыре поколения больших ЭВМ, отличающихся элементной базой, функционально-логической организацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристиками, степенью доступа к ЭВМ со стороны пользователей. Смене поколений сопутствовало изменение основных технико-эксплуатационных и технико-экономических показателей ЭВМ, и в первую очередь таких, как быстродействие, емкость памяти, надежность и стоимость. При этом одной из основных тенденций развития было и остается стремление уменьшить трудоемкость подготовки программ решаемых задач, облегчить связь операторов с машинами, повысить эффективность использования последних. Это диктовалось и диктуется постоянным ростом сложности и трудоемкости задач, решение которых возлагается на ЭВМ в различных сферах применения.
Возможности улучшения технико-эксплуатационных показателей ЭВМ в значительной степени зависят от элементов, используемых для построения их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение обычно в первую очередь характеризуется используемой элементной базой.
Основным активным элементом ЭВМ первого поколения являлась электронная лампа, остальные компоненты электронной аппаратуры — это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Для построения оперативной памяти ЭВМ уже с середины 50-х годов начали применяться специально разработанные для этой цели элементы — ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве устройства ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфораторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин), а затем специально для ЭВМ были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстродействующие печатающие устройства.
Машины первого поколения имели внушительные размеры, потребляли большую мощность, имели сравнительно малое быстродействие, малую емкость оперативной памяти, невысокую надежность работы и недостаточно развитое программное обеспечение. В ЭВМ этого поколения были заложены основы логического построения машин и продемонстрированы возможности цифровой вычислительной техники.
На смену лампам в машинах второго поколения (в конце 50-х годов) пришли транзисторы. В отличие от ламповых ЭВМ транзисторные машины обладали большими быстродействием, емкостью оперативной памяти и надежностью. Существенно уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. Значительным достижением явилось применение печатного монтажа. Повысилась надежность электромеханических устройств ввода-вывода, удельный вес которых увеличился. Машины второго поколения обладали большими вычислительными и логическими возможностями.
Особенность машин второго поколения — их дифференциация по применению. Появились машины для решения научно-технических и экономических задач, для управления производственными процессами и различными объектами (управляющие машины).
Наряду с техническим совершенствованием ЭВМ развиваются методы и приемы программирования вычислений, высшей ступенью которых является автоматическое программирование, требующее минимальных затрат труда математиков-программистов. Большое развитие и применение получили алгоритмические языки, существенно упрощающие процесс подготовки задач к решению на ЭВМ. С появлением алгоритмических языков резко сократились штаты «чистых» программистов, поскольку составление программ на этих языках стало под силу самим пользователям.
В период развития и совершенствования машин второго поколения наравне с однопрограммными появились многопрограммные (мультипрограммные) ЭВМ. В отличие от однопрограммных машин, в которых программы выполняются только поочередно, в многопрограммных ЭВМ возможна совместная реализация нескольких программ за счет организации параллельной работы основных устройств машины.
Третье поколение ЭВМ (в конце 60-х — начале 70-х годов) характеризуется широким применением интегральных схем. Интегральная схема представляет собой законченный логический функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме. Благодаря использованию интегральных схем удалось существенно улучшить технические и эксплуатационные характеристики машин. Этому способствовало также применение многослойного печатного монтажа.
В машинах третьего поколения значительно расширился набор различных электромеханических устройств для ввода и вывода информации. Развитие этих устройств носит эволюционный характер: их характеристики совершенствуются гораздо медленнее, чем характеристики электронного оборудования.
Программное обеспечение машин третьего поколения получило дальнейшее развитие, особенно это касается операционных систем. Развитые операционные системы многопрограммных машин, снабженных периферийными устройствами ввода-вывода с автономными пультами абонентов, обеспечивают управление работой ЭВМ в различных режимах: пакетной обработки, разделения времени, запрос-ответ и др.
В машинах третьего поколения существенно расширены возможности по обеспечению непосредственного доступа к ним со стороны абонентов, находящихся на различных, в том числе и значительных (десятки и сотни километров), расстояниях. Удобство общения абонента с машиной достигается за счет развитой сети абонентских пунктов, связанных с ЭВМ информационными каналами связи, и соответствующего программного обеспечения.
Например, в режиме разделения времени многим абонентам предоставляется возможность одновременного, непосредственного и оперативного доступа к ЭВМ. Вследствие большого различия инерционности человека и машины у каждого из одновременно работающих абонентов складывается впечатление, будто ему одному предоставлено машинное время.
При разработке машин третьего поколения применяются различные методы автоматизации проектирования. Основной объем документации, необходимой для монтажа, разрабатывается с помощью ЭВМ.
Для машин четвертого поколения (конец 70-х годов) характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности и быстродействия, снижению стоимости. Это, в свою очередь, оказывает существенное воздействие на логическую структуру ЭВМ и ее программное обеспечение. Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы.
Отчетливо проявляется тенденция к унификации ЭВМ, созданию машин, представляющих собой единую систему. Ярким выражением этой тенденции является создание и развитие ЕС ЭВМ — Единой системы электронных вычислительных машин.
Промышленный выпуск первых моделей ЕС ЭВМ был начат в 1972 г., при их создании были использованы все современные достижения в области электронной вычислительной техники, технологии и конструирования ЭВМ, в области построения систем программного обеспечения. Объединение знаний и производственных мощностей стран-разработчиков позволило в довольно сжатые сроки решить сложную комплексную научно-техническую проблему. ЕС ЭВМ представляла собой непрерывно развивающуюся систему, в которой улучшались технико-эксплуатационные показатели машин, совершенствовалось периферийное оборудование и расширялась его номенклатура.
Кроме указанных выше больших ЭВМ, со второй половины 50-х годов начали развиваться мини-ЭВМ, отличающиеся меньшими функциональными возможностями главным образом из-за ограниченного набора команд и меньшей разрядности чисел, представляющих обрабатываемые данные.
С появлением в США микропроцессоров (1971 г.) начал развиваться новый класс вычислительных машин — микроЭВМ. За короткое время микропроцессоры прошли большой путь развития: от первого поколения 4- и 8-разрядных микропроцессоров, выполненных по р-канальной МОП-технологии, до четвертого поколения 32- и 64-разрядных микропроцессоров.
В настоящее время реализуется программа по разработке в ближайшие 8—10 лет новых типов компьютеров:
• многопроцессорных компьютеров с высокой степенью параллелизма обработки информации;
• компьютеров с нейронными сетями;
• компьютеров, в которых для передачи информации используется
свет.
Появление персональных компьютеров — наиболее яркое событие в области вычислительной техники, это динамично развивающийся сектор отрасли. С внедрением компьютеров решение задач информатизации общества поставлено на реальную основу. Кроме того, потребовался новый подход к организации систем обработки данных, к созданию новых информационных технологий. Возникла необходимость перехода от систем централизованной обработки данных к системам распределенной обработки данных, т.е. к компьютерным (вычислительным) сетям различных уровней — от локальных до глобальных.