Лекции по ВМСС / учебник_введение

УДК 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.

6