ВВЕДЕНИЕ - eos.ibi.spb.rueos.ibi.spb.ru/umk/5_3/5/print/5_R1_T1.doc · Web viewМы живем в информационную эпоху. Основу современных

МЕЖДУНАРОДНЫЙ БАНКОВСКИЙ ИНСТИТУТINTERNATIONAL BANKING INSTITUTE

Тема 1. Основы построения и функционирования вычислительных машин

и сетейМы живем в информационную эпоху. Основу современных информационных

технологий составляют аппаратные средства компьютерной техники. Современные вычислительные машины и системы являются одним из самых значительных достижений научной и инженерной мысли. Считается, что с начала 1990-х гг. в эволюции вычислительных систем началось 6-е поколение, одной из характерных черт которого стал взрывной рост локальных и глобальных сетей.

Развитие сетевых технологий породило интерес к гетерогенным (неоднородным) вычислениям, когда программа, запущенная на одной рабочей станции, может найти в локальной сети не занятые в данный момент другие станции, после чего вычисления распараллеливаются и на эти простаивающие станции.

Цель темы — сформировать представление об общих принципах построения и архитектурных особенностях вычислительных машин и сетей.

В результате изучения темы студенты должны усвоить: информационно-логические основы вычислительных машин; функциональную и структурную организацию вычислительной машины; типовые вычислительные структуры и архитектуры; архитектурные особенности и организацию функционирования персональных

компьютеров; назначение и классификацию компьютерных сетей; назначение модели OSI и задачи ее уровней.

Оглавление

1.1. Общие принципы построения и архитектуры вычислительных машин ............... 2 1.1.1. Функциональная и структурная организация вычислительной машины ...... 2 1.1.2. Информационно-логические основы вычислительных машин ..................... 3 1.1.3. Физические основы вычислительных процессов ....................................... 10

1.2. Архитектурные особенности и организация функционирования вычислительных машин различных классов ............................................................ 11

1.2.1. Типовые вычислительные структуры ........................................................ 11 1.2.2. Архитектура системы команд .................................................................... 14 1.2.3. Классификация вычислительных машин ................................................... 15

1.3. Персональные компьютеры .............................................................................. 16 1.3.1. Структура персонального компьютера ...................................................... 16 1.3.2. Основные характеристики ......................................................................... 18 1.3.3. Внутренняя память .................................................................................... 19 1.3.4. Внешняя память ........................................................................................ 20 1.3.5. Видеосистема компьютера ........................................................................ 23 1.3.6. Внешние устройства ввода-вывода ........................................................... 24

1.4. Компьютерная сеть — частный случай распределенной вычислительной системы ................................................................................................................... 26

1.4.1. Назначение и классификация компьютерных сетей .................................. 26 1.4.2. Модель OSI ............................................................................................... 28

Выводы ................................................................................................................... 32 Вопросы для самопроверки ..................................................................................... 32

1


1.1. Общие принципы построения и архитектуры вычислительных машин

Термином вычислительная машина обычно обозначают комплекс технических и программных средств, предназначенных для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.

Вычислительная система — совокупность одной или более вычислительных машин или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационно-вычислительных процессов. Формально вычислительная система отличается от вычислительной машины только количеством вычислителей.

В обиходе для обозначения законченного технического устройства, выполняющего функции вычислительной машины или вычислительной системы, более распространен другой термин — компьютер (англ. computer — вычислитель).

1.1.1. Функциональная и структурная организация вычислительной машины

Подавляющее большинство компьютеров построено на основе общих принципов, сформулированных в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом:

программное управление — все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов — команд;

двоичное кодирование — как данные, так и команды кодируются двоичными цифрами 0 и 1;

однородность памяти — команды и данные хранятся в одной и той же памяти и внешне в памяти не различимы (в отличие от гарвардской архитектуры, при которой компьютер имеет отдельную память команд и отдельную память данных);

адресность — память состоит из пронумерованных ячеек, и процессору в произвольный момент доступна любая ячейка, номер которой используется в качестве адреса.

Для реализации этих принципов компьютер должен иметь следующие устройства: арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические

и логические операции; устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения

программ, состоящих из набора команд (инструкций); запоминающее устройство (ЗУ), или память для хранения программ и данных; внешние устройства для ввода-вывода данных.

В современных компьютерах АЛУ и УУ объединяют, как правило, в единое устройство — центральное процессорное устройство (ЦПУ) или центральный процессор.

Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек (имеющих адреса), в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или команды программ.

Команда — это описание операции, которую должен выполнить компьютер. В общем случае команда содержит следующие данные:

код выполняемой операции; указания по определению операндов (или их адресов); указания по размещению получаемого результата.

2


Например, у команды «сложить два числа» операндами являются слагаемые, а результатом — их сумма. А у команды «стоп» операндов нет, результатом является прекращение работы программы. Совокупность команд, выполняемых данным процессором, называется системой команд этого процессора.

Выполнение команды можно проследить по схеме, представленной на рис. 1.1:

Рис. 1.1. Общая схема компьютера с архитектурой Неймана

Жирными стрелками показаны пути и направления движения информационных данных, а простыми стрелками — управляющих сигналов.

Как правило, этот процесс разбивается на следующие этапы: из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд процессора,

выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды;

выбранная команда передается в регистр команд устройства управления (небольшую память, временно хранящую выполняемую команду);

устройство управления расшифровывает адресное поле команды, определяя адреса расположения в памяти операндов;

по сигналам устройства управления операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ в специальные регистры операндов;

УУ расшифровывает код команды и выдает в АЛУ сигнал выполнения соответствующей операции над данными;

результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата.

При выполнении программы все предыдущие этапы повторяются до достижения команды «стоп».

1.1.2. Информационно-логические основы вычислительных машин

Информационно-логические основы построения вычислительных машин охватывают вопросы, связанные с формами и системами представления информационных данных в компьютерах, а также с логико-математическим синтезом вычислительных схем. Последние вопросы представляют интерес в основном для специалистов технического профиля и выходят за рамки изучаемой дисциплины.

Системы счисления. Системой счисления называют совокупность символов и правил их использования для представления чисел.

3


В позиционных системах счисления значение символа (цифры) зависит от ее позиции (места) в числе. Например, в десятичной системе число 444 записано тремя одинаковыми цифрами, но каждая из них имеет свое значение: четыре сотни, четыре десятка и четыре единицы. То есть его можно записать вот так:

444 = 4×100 + 4×10 + 4×1 или 444 = 4×102 + 4×101 + 4×100. Если обозначить цифры числа как a2, a1 и a0 , то любое десятичное трехзначное

число может быть представлено в виде:N = a2×102 + a1×101 + a0×100. Число 10, степени которого используются в этой формуле (и именно столько разных

цифр есть в десятичной системе), называют основанием системы счисления, а степени десятки — весами разрядов.

Вообще выбор в качестве основания позиционной системы именно числа 10 объясняется традицией, а не какими-то особыми свойствами этого числа. С не меньшим успехом можно использовать и любое другое. В общем случае, если основание системы счисления равно p, то число, записанное в этой системе, можно представить в виде:

N = ai×pi+ ... + a2×p2 + a1×p1 + a0×p0, причем каждый из коэффициентов ai … a0 должен быть меньше p.

Пользуясь этой формулой, можно легко перевести число из системы счисления с любым основанием в десятичную. Используемая в компьютерах двоичная система счисления имеет основание p=2, для представления данных применяются всего две цифры: 0 и 1.

Например, если некоторое двоичное число было записано 1011, то получаем:

1×23 + 1×21 + 0×22 + 1×20 = 8 + 0 + 2 + 1 = 1110. 1 0 1 1. Подстрочные цифры у полученного числа 11 обозначают систему счисления:

10 — десятичная система.Чтобы выполнить обратный перевод, нужно последовательно делить нацело

преобразуемое число на основание новой системы счисления, записывая остатки в строку справа-налево. Деление выполняется до тех пор, пока целой частью результата не станет 0. Например, переведем число 14 в двоичную систему:

1) 14 / 2 = 7 (остаток 0);2) 7 / 2 = 3 (остаток 1);3) 3 / 2 = 1 (остаток 1);4) 1 / 2 = 0 (остаток 1).В итоге получаем: 11102 = 1410. Следует отметить, что чем меньше основание системы счисления, тем больше

разрядов требуется для записи того же числа. Наиболее громоздкой получается запись в системе с наименьшим из возможных основанием — двоичной. Однако именно двоичная система используется в компьютерах, т. к. она имеет ряд преимуществ перед другими системами, заключающихся в следующем:

для ее реализации нужны технические устройства с двумя устойчивыми состояниями (есть ток — нет тока, намагничен — не намагничен и т. п.), а не, например, с десятью, — как в десятичной;

4


представление данных посредством только двух состояний более надежно и помехоустойчиво;

возможно применение аппарата булевой алгебры для выполнения логических преобразований информации.

Но то, что удобно для компьютера, оказывается очень неудобным для человека. Запоминать, да и просто безошибочно записывать числа, вроде 1101011001010110, весьма сложно.

Можно было бы переводить их в десятичную систему и обратно. Однако этот перевод довольно трудоемкий. И вот какой нашли выход. Если взять две системы счисления, такие что основание одной будет степенью основания другой (их иногда называют родственными), перевод будет делаться очень быстро, практически, «в уме». В вычислительной технике для компактного представления двоичных чисел используют восьмеричную и (чаще всего) шестнадцатеричную системы счисления: 8 = 23; 16 = 24.

Каждому разряду восьмеричной системы счисления соответствуют три разряда двоичной, каждому разряду шестнадцатеричной — четыре двоичной. Поскольку это соответствие — однозначное, то достаточно помнить (или иметь перед собой) следующую таблицу.

Таблица 1.1Соответствие двоичных кодов шестнадцатеричным кодам

0000 0 0100 4 1000 8 1100 C

0001 1 0101 5 1001 9 1101 D

0010 2 0110 6 1010 A 1110 E

0011 3 0111 7 1011 B 1111 F Так как для шестнадцатеричной записи мало обычных десяти цифр, в ней

используют еще шесть первых букв латинского алфавита (A = 10; B = 11; C = 12; D = 13; E = 14; F = 15).

Например, 25410 = 1111 11102 = FE16;2810 = 1 11002 = 0001 11002 = 1С16.Добавление к записи числа в старших разрядах нулей не меняет его величину,

независимо от системы счисления, но бывает удобным при его преобразовании. Часто для обозначения шестнадцатеричной записи используют символ h, например: FEh, 1Ch, или префикс 0х, например: 0xFE, 0×1C.

Таким образом, компьютер работает только с числами, причем представленными в двоичном коде.

Формы представления чисел. С целью оптимизации занимаемой числами памяти в компьютерах применяются две формы их представления:

естественная форма или форма с фиксированной запятой (точкой); нормальная форма или форма с плавающей запятой (точкой).

Числа с фиксированной запятой: все числа изображаются в виде последовательности цифр с постоянным для всех чисел положением запятой, отделяющей целую часть от дробной.

Например, в десятичной системе счисления имеются 5 разрядов в целой части числа (до запятой) и 5 разрядов в дробной части числа (после запятой); разные

5


числа, записанные в такую разрядную сетку, имеют вид: +00721,35500; +00000,00328; -10301,20260.

Эта форма наиболее проста, естественна, но имеет небольшой диапазон представления. Если в результате выполнения операции получится число, выходящее за допустимый диапазон, то происходит переполнение разрядной сетки, и дальнейшие вычисления теряют смысл. В современных компьютерах естественная форма представления используется как вспомогательная и только для целых чисел.

Числа с плавающей запятой: каждое число изображается в виде двух групп цифр. Первая группа цифр называется мантиссой, вторая — порядком, причем абсолютная величина мантиссы должна быть меньше 1, а порядок — целым числом. Тогда приведенные выше числа будут иметь следующий вид: +0,721355×103; +0,328×10-2; -0,103012026×105.

Данная форма представления имеет огромный диапазон отображения чисел при том же количестве используемых разрядов и является основной в современных компьютерах. Знак числа обычно кодируется двоичной цифрой, при этом код 0 означает знак «+», код 1 — знак «-».

Представление данных в двоичном коде. Все вводимые в компьютер и выводимые из него данные можно разделить на три основных вида: символьные (например, текстовые), изображения (в том числе графические и видеоданные) и звуковые. Каждый вид данных имеет особенности преобразования в числовой двоичный код.

При кодировании любых данных, представимых с помощью ограниченного набора символов — алфавита, достаточно пронумеровать все знаки этого алфавита и затем записывать в память компьютера (и, естественно, обрабатывать) соответствующие номера.

При кодировании текста для каждого его символа отводится обычно по 1 байту. Это позволяет использовать в двоичных кодах 28=256 различных символов. Соответствие между символом и его кодом, вообще говоря, может быть выбрано совершенно произвольно. Однако на практике необходимо иметь возможность прочесть на одном компьютере текст, созданный на другом. Поэтому таблицы кодировок стараются стандартизовать. Практически все использующиеся сейчас таблицы основаны на «американском стандартном коде обмена информацией» ASCII (American Standard Code for Information Interchange). В табл. 1.2 столбец является первой позицией, а строка — второй позицией шестнадцатеричного представления кода символа, находящегося на их пересечении.

Таблица 1.2

6


Таблица кодов ASCII

Основной стандарт для кодирования символов использует первые 128 шестнадцатеричных кодов: 00 — 7F, расширение стандарта — следующие 128 кодов: 80 — FF. Основной стандарт является международным и используется для кодирования управляющих символов, цифр и букв латинского алфавита; в расширении стандарта кодируются символы псевдографики и буквы национального алфавита (естественно, в разных странах разные). Например, для кириллицы сейчас используются пять различных таблиц кодировок:

CP866 (DOS-альтернативная) — при работе с операционными системами DOS и OS/2; в табл. 1.2 — правая половина кодов.

CP1251 (RFC1489) (Windows-1251) — при работе под Windows, в WWW и др. KOI-8R (ISO-IR-111; ГОСТ 19768-74) — старейшая из использующихся кодировок.

Применяется на компьютерах, работающих под управлением операционной системы UNIX, является фактическим стандартом для русских текстов в сети Интернет.

Macintosh Cyrillic — как видно из названия, предназначена для работы со всеми кириллическими языками на Макинтошах.

ISO-8859 — задумывалась как международный стандарт для кириллических текстов, однако на территории России практически не применяется.

Заметим, кстати, что существуют и специальные шрифты (так называемые дингбатсы), которые содержат не буквы, а специальные символы, например, математические или музыкальные; элементы орнаментов, пиктограммы.

Сейчас, когда объем памяти компьютеров чрезвычайно вырос, уже нет нужды экономить при кодировании текста. Можно позволить тратить для хранения текста вдвое больше памяти (выделяя для каждого символа 2 байта). При этом появляется возможность разместить в кодовой таблице — каждый на своем месте — не только буквы европейских алфавитов (латинского, кириллического, греческого), но и буквы арабского, грузинского и многих других языков и даже большую часть японских и китайских иероглифов. Ведь два байта могут хранить уже число от 0 до 65535.

7


Так построена двухбайтная международная кодировка Unicode, которую поддерживают все современные программные средства.

Если символьные данные можно представлять в компьютере при помощи кодировочных таблиц, то графические данные необходимо вводить в компьютер и выводить по точкам. Изображение на экране компьютера (или при печати с помощью принтера) составляется из маленьких «точек» — пикселов (pixel — picture element, элемент картинки). Качество изображения будет тем выше, чем «плотнее» расположены пикселы (т. е. чем больше разрешение устройства вывода), и чем точнее закодирован цвет каждого из них.

Разрешение обычно измеряют в «точках на дюйм» (dpi — Dot Per Inch; 1 дюйм = 25,4 мм). Для разных устройств эта величина примерно следующая:

монитор — около 90 dpi; струйный принтер — 300 dpi и более; лазерный принтер — 300 dpi, 600 dpi и более; фотонаборный аппарат, сканер — 1200 dpi и более.

В простейшем случае каждый пиксел может быть или черным, или белым. Значит, для его кодирования достаточно одного бита. Чтобы получить реальные полутона, для хранения каждого пиксела нужно отводить большее количество разрядов в памяти компьютера. В этом случае черный цвет по-прежнему будет представлен нулем, а белый — максимально возможным числом. Например, при восьмибитном кодировании получится 256 разных значений яркости — 256 полутонов. В этом случае в памяти компьютера для каждого пиксела выделяется 1 байт.

Цветное изображение на мониторе формируется путем сложения в различных пропорциях трех основных цветов: красного, зеленого и синего (RGB = Red-Green-Blue), и нужно хранить информацию о яркости каждой из этих составляющих.

Для получения наивысшей точности цветопередачи достаточно иметь по 256 значений для каждого из основных цветов (вместе это дает 2563 = 224, т. е. более 16 миллионов оттенков; этот режим называют True color — истинный цвет). Во многих случаях можно обойтись несколько меньшей точностью цветопередачи. Если использовать для представления каждой составляющей по 5 бит (тогда для хранения данных пиксела будет нужно не 3, а 2 байта), то удастся закодировать 216 = 32768 цветовых оттенков (режим High color — высококачественный цвет).

Графическое изображение, представленное пикселами, называют растровым. Растровые изображения очень хорошо передают реальные образы. Они замечательно подходят для фотографий, картин и в других случаях, когда требуется максимальная «естественность». Такие изображения легко выводить на монитор или принтер, поскольку эти устройства тоже основаны на растровом принципе. Однако есть у них и ряд недостатков. Растровое изображение высокого качества (с высоким разрешением и большой глубиной цвета) может занимать десятки, и даже сотни мегабайт памяти. Например, один кадр размером 800 на 600 пикселов в режиме True color займет память размером 800х600х24 бит = 1,4 Мбайт. Для обработки растровых изображений нужны мощные компьютеры. Любое изменение размеров неизбежно приводит к ухудшению качества: при увеличении пикселы не могут появиться «из ничего», при уменьшении — часть пикселов будет просто выброшена.

Но есть другой способ представления изображений — объектная (или векторная) графика. В этом случае в памяти хранится не сам рисунок, а правила его построения (например, не все пикселы круга, а команда «построить круг радиусом 30 с центром в точке (50, 135) и закрасить его красным цветом»). Быстродействия современных компьютеров вполне достаточно, чтобы перерисовка происходила почти мгновенно. Достоинства векторной графики:

8


во-первых, и это самое главное, векторное изображение можно как угодно масштабировать, выводить на устройства, имеющие любое разрешение, и всегда будет получаться результат с наивысшим для данного устройства качеством. Ведь картинка каждый раз «рисуется заново», используя столько пикселов, сколько возможно;

во-вторых, в векторном изображении все части (так называемые примитивы) могут быть изменены независимо друг от друга, Любой из них можно увеличить, повернуть, деформировать, перекрасить, даже стереть — остальных объектов это никоим образом не коснется;

наконец, даже очень сложные векторные рисунки, содержащие тысячи объектов, редко занимают более нескольких сотен килобайт, т. е. в десятки, сотни, а то и тысячи раз меньше аналогичного растрового.

Поскольку принцип функционирования векторной графики предполагает использование исключительно объектов с ровными четкими границами, а это сразу выдает их искусственность, то область применения векторной графики довольно ограничена: это чертежи, схемы, стилизованные рисунки, эмблемы и другие подобные изображения.

Звуковые данные, формируемые, например, с помощью микрофона, представляют собой аналоговый процесс, например, изменяющееся с течением времени напряжение. Для компьютерной обработки такой непрерывный (аналоговый сигнал) необходимо преобразовать в последовательность двоичных чисел. Для этого напряжение измеряется через равные промежутки времени, полученные аналоговые дискретные отсчеты преобразуются в двоичный код, последовательность кодов записывается в память компьютера. Этот процесс называется дискретизацией (или оцифровкой), а устройство, выполняющее его, — аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Для того чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование (для него служит цифро-аналоговый преобразователь — ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Работа АЦП и ЦАП

Чем выше частота дискретизации (т. е. количество отсчетов за секунду) и чем больше разрядов отводится для каждого отсчета, тем точнее будет представлен звук. Но, естественно, увеличивается и размер звукового файла. Поэтому в зависимости от характера звука, требований, предъявляемых к его качеству и объему занимаемой памяти, выбирают некоторые компромиссные значения. Например, при записи на компакт-диски используются 16-битные отсчеты при частоте дискретизации 44032 Гц (по теореме Котельникова частота дискретизации должна превосходить наивысшую записываемую частоту сигнала как минимум вдвое). Человек слышит звук с частотами примерно до 20000 Гц. Стандарт на компакт-диски разрабатывался в расчете на весь слышимый диапазон. При работе же только с речевыми сигналами достаточно 8-битных отсчетов при частоте дискретизации 8 кГц. Чтобы можно было понять человеческую речь достаточно передавать звук с частотой до 3000 Гц (это примерно соответствует характеристикам телефонных линий связи).

9


Описанный способ кодирования звуковых данных универсален, он позволяет представить любой звук, преобразовывать его самыми разными способами. Кроме этого, таким методом можно оцифровывать не только звуковые, но и любые другие аналоговые сигналы, например, результаты измерений аналоговых приборов. Однако за универсальность приходится платить большим объемом занимаемой памяти. Так 1 минута музыки будет занимать 44032 Гц x 60 с x16 бит = 5,16 Мбайт.

1.1.3. Физические основы вычислительных процессовВ современных компьютерах физическое представление двоичных кодов нуля

и единицы осуществляется электрическими сигналами, имеющими два различных состояния:

импульс (единица) или его отсутствие (нуль); высокий потенциал (единица) или низкий потенциал (нуль).

При импульсном способе отображения длительность импульса должна быть меньше временного такта машины. При потенциальном способе — потенциал (уровень напряжения) не меняется в течение всего такта работы машины. Форма и амплитуда сигнала при этом во внимание не принимаются, а фиксируется лишь сам факт наличия или отсутствия сигнала.

Чем больше разница между сигналами нуля и единицы, тем выше помехоустойчивость системы передачи или хранения данных, т. к. ошибка возникает только в случае искажения сигнала помехой до такой степени, что сигнал единицы воспринимается следующим функциональным узлом как сигнал нуля или наоборот.

Логических функциональных узлов в цифровой схемотехнике существует достаточно много, но все они разработаны комбинированием трех простейших логических элементов, реализующих три логических действия (табл. 1.3).

Таблица 1.3Простейшие логические элементы

Элемент ИЛИ, реализующий операцию логического сложения (операцию дизъюнкции) — на выходе будет единица, если хотя бы на одном входе присутствует единица

Элемент И, реализующий операцию логического умножения (операцию конъюнкции) — на выходе будет единица, если на всех входах установлены единицы, в остальных случаях на выходе — нуль

Элемент НЕ, реализующий операцию отрицания (инверсии) — преобразует единицу в нуль и наоборот

10


1.2. Архитектурные особенности и организация функционирования вычислительных машин

различных классовТермин «архитектура» часто употребляется как в широком, так и в узком смысле

этого слова. В широком смысле архитектурой вычислительной машины (системы) называется ее описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т. д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов вычислительной машины или системы: процессора (или процессоров), оперативного запоминающего устройства, внешних запоминающих устройств и периферийных устройств.

В узком смысле под архитектурой понимается архитектура системы команд вычислительной машины.

1.2.1. Типовые вычислительные структурыДостоинства и недостатки архитектуры вычислительных машин и систем

изначально зависят от их структуры — способа соединения компонентов. В общем случае существует два типа структур вычислительных машин и два типа структур вычислительных систем.

Структуры вычислительных машин. В настоящее время примерно одинаковое распространение получили два способа построения вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе шины.

Типичным представителем первого способа может служить классическая фон-неймановская вычислительная машина (см. рис. 1.1). В ней между взаимодействующими устройствами (процессором, памятью, устройством ввода-вывода) имеются непосредственные связи. Достоинством такой архитектуры можно считать возможность улучшения состава и характеристик отдельных связей. Недостаток — вычислительные машины с непосредственными связями плохо поддаются реконфигурации.

В варианте архитектуры с общей шиной все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления (рис. 1.3).

11


Рис. 1.3. Структура вычислительной машины на основе общей шины

Наличие общей шины существенно упрощает реализацию вычислительной машины, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Благодаря этим свойствам шинная архитектура получила широкое распространение в персональных компьютерах.

Недостаток шинной архитектуры: в каждый момент времени передавать данные по шине может только одно устройство. Причем основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью.

В целом следует отметить, что при сохранении фон-неймановской концепции последовательного выполнения команд программы шинная структура в чистом виде оказывается неэффективной. Более распространена структура с иерархией шин. При такой структуре кроме магистральной шины может обеспечиваться непосредственная связь между устройствами с наиболее интенсивным обменом, например процессором и памятью. Могут существовать дополнительные шины, объединяющие однотипные устройства ввода-вывода, с последующим выходом на магистральную шину. Эти меры позволяют снизить нагрузку на общую шину и более эффективно расходовать ее пропускную способность.

Структуры вычислительных систем. Понятие «вычислительная система» предполагает наличие нескольких центров обработки данных: процессоров или вычислительных машин, при объединении которых используется один из двух подходов: общая память и распределенная система.

В вычислительных системах с общей памятью (рис. 1.4) имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы через общую шину. Достоинство такой структуры: обмен данными между процессорами не связан с дополнительными операциями и обеспечивается за счет доступа к общим областям памяти. Вычислительные системы с общей памятью называют мультипроцессорными компьютерами. Основные достоинства мультипроцессора:

высокая производительность, которая достигается за счет параллельной работы нескольких процессоров;

отказоустойчивость, т. е. способность к продолжению работы при отказах отдельных процессоров.

12


Рис. 1.4. Структура вычислительной системы с общей памятью

В распределенной структуре вычислительной системы общая основная память отсутствует, каждый процессор или вычислительная машина обладает собственной основной и внешней памятью (рис. 1.5). Обмен данными между составляющими системы обеспечивается с помощью коммуникационной сети посредством обмена сообщениями.

Рис. 1.5. Структура распределенной вычислительной системы

Подобное построение вычислительной системы снимает ограничения, присущие для общей шины, но приводит к дополнительным издержкам на пересылку сообщений между процессорами или машинами.

Более эффективна распределенная система, когда отдельные машины объединяются в кластер. В этом случае они могут иметь общую внешнюю (дисковую) память (рис. 1.6), что ускоряет обращение процессоров к данным.

13


Рис. 1.6. Структура кластера

Все компьютеры кластера работают под управлением специального программного обеспечения, синхронизирующего их работу. Взаимодействие компьютеров осуществляется через общую внешнюю память.

Кластеры применяются для повышения надежности и производительности вычислительных систем.

1.2.2. Архитектура системы командАрхитектура системы команд служит границей между аппаратурой и программным

обеспечением и представляет ту часть системы, которая «видна» программисту. Современные технологии программирования ориентированы на языки высокого

уровня, главная цель которых — облегчить процесс программирования. Однако сложные операторы, характерные для высокоуровневых языков, существенно отличаются от простых машинных операций, реализуемых в большинстве вычислительных машин. Проблема получила название семантического разрыва, а ее следствием становится недостаточно эффективное выполнение программ на вычислительной машине. Пытаясь преодолеть семантический разрыв, разработчики вычислительных машин в настоящее время выбирают один из трех подходов и, соответственно, одну из трех архитектур системы команд:

архитектуру c полным набором команд — CISC (Complex Instruction Set Computer);

архитектуру с сокращенным набором команд — RISC (Reduced Instruction Set Computer);

архитектуру с командными словами сверхбольшой длины — VLIW (Very Long Instruction Word).

В вычислительных машинах с CISC-архитектурой проблема семантического разрыва решается за счет расширения системы команд, семантически аналогичных операторам языков высокого уровня.

Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения (от 8 до16); большое количество машинных команд; разнообразные способы методов адресации операндов; большое количество форматов команд различной разрядности;

14


наличие команд, при выполнении которых обработка совмещается с обращением к памяти.

Признанным лидером в разработке микропроцессоров c CISC-архитектурой считалась компания Intel (семейство процессоров Ix86). Сложность архитектуры семейства Ix86 стала главным фактором, ограничивавшим производительность процессоров на ее основе.

Для процессоров с RISC-архитектурой характерно: большое число регистров общего назначения (32 и более); упрощенный набор команд фиксированной длины и фиксированного формата; раздельное выполнение команд обработки данных и команд работы с памятью; аппаратная реализация выполнения команд.

Реализация сложных команд за счет последовательности из простых, но быстрых RISC-команд оказывается не менее эффективной, чем аппаратный вариант сложных команд в CISC-архитектуре.

В последних микропроцессорах фирмы Intel и AMD широко используются идеи, свойственные RISC-архитектуре, так что многие различия между CISC и RISC постепенно стираются.

Концепция VLIW базируется на RISC-архитектуре, где несколько простых RISC-команд объединяются в одну сверхдлинную команду и выполняются параллельно. Появление параллелизма вычислений позволяет применять VLIW в мультипроцессорных вычислительных системах.

1.2.3. Классификация вычислительных машинВсе разнообразие вычислительных машин по их назначению можно разделить

на три большие группы: персональные компьютеры; многопользовательские компьютеры; специализированные компьютеры.

Персональные компьютеры (ПК, по англ. — PC) — это компьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком.

К персональным компьютерам относятся: карманные персональные компьютеры (КПК) — невероятно быстро

развивающееся направление действительно персональных компьютеров (всегда находящихся вместе с персоной владельца); постепенно превращается в повседневную реальность для многих людей;

портативные компьютеры — Notebook (блокнот, записная книжка) — по размерам он ближе к книге крупного формата, имеет вес около 3 кг, помещается в портфель-дипломат;

обычные настольные компьютеры — домашние и офисные, ориентированные на широкий круг пользователей;

рабочие станции — мощные настольные компьютеры, ориентированные на профессиональных пользователей и оптимизированные для работы в компьютерных сетях.

Многопользовательские компьютеры одновременно обслуживают многих пользователей. К ним относятся:

серверы; кластеры; мейнфреймы.

15


Серверы предназначены для использования в компьютерных сетях для хранения и обработки больших объемов данных. При этом используется так называемая распределенная модель «клиент-сервер», где часть работы выполняет сервер, а часть — пользовательский компьютер. При этом на компьютере-сервере размещаются серверные модули таких распределенных служб.

Кластеры — объединение двух и более серверов (узлов), работающее как один сервер для повышения производительности и надежности.

В случае кластерной организации несколько компьютеров или узлов кластера работают с единой базой данных. В случае отказа одного из таких узлов оставшиеся узлы могут взять на себя задания, выполнявшиеся на отказавшем узле, не останавливая общий процесс работы с базой данных. Производительность системы легко масштабируется, т. е. добавление дополнительных процессоров, объемов оперативной и дисковой памяти и новых узлов в системе может выполняться в любое время, когда это требуется.

Современные серверы и кластеры фактически вытесняют такие многопользовательские компьютеры, как мейнфреймы (синоним понятия «большая универсальная ЭВМ») и суперкомпьютеры, которые и до сегодняшнего дня остаются мощными вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. В архитектурном плане они представляют собой многопроцессорные системы, содержащие один или несколько центральных и периферийных процессоров с общей памятью, связанных между собой высокоскоростными магистралями передачи данных. При этом основная вычислительная нагрузка ложится на центральные процессоры, а периферийные процессоры обеспечивают работу периферийных устройств.

Специализированные компьютеры служат для решения более узкого класса задач или даже одной задачи, требующей многократного решения, и функционируют в особых условиях эксплуатации. Машинные ресурсы специализированных компьютеров часто ограничены. Однако их узкая ориентация позволяет реализовать заданный класс задач наиболее эффективно.

Специализированные компьютеры управляют технологическими установками, работают в операционных или машинах скорой помощи, на ракетах, самолетах и вертолетах, в телекоммуникационных системах, вблизи высоковольтных линий передач или в зоне действия радаров, радиопередатчиков, в неотапливаемых помещениях, под водой на глубине, в условиях пыли, грязи, вибраций, взрывоопасных газов и т. п. Существует много моделей таких компьютеров.

1.3. Персональные компьютерыПрактически любой современный персональный компьютер является

вычислительной системой, т. к. кроме центрального процессора, даже если он один, обладает вспомогательными процессорами (как минимум, в составе видеоадаптера, аудиоадаптера и т. п.), решающими специализированные задачи.

1.3.1. Структура персонального компьютераСтруктура персонального компьютера — это совокупность его функциональных

элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурной схемы. В случае одного центрального процессора реализуется структура с общей шиной (см. рис. 1.3) и наличием иерархии шин: шина обмена с устройствами ввода-вывода (PCI) и, как правило, отдельная шина работы с видеоадаптером (AGP).

16


Физически шина представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов шины разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Центральный процессор (CPU — Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров.

Микропроцессор физически представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены электронные компоненты, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками — выводами микросхемы, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера. Поскольку микропроцессор во время работы сильно нагревается, то на его корпус обычно устанавливают отдельный вентилятор — кулер.

Для того чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter — между, и face — лицо).

Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой. Если интерфейс является общепринятым, например утвержденным на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей (часто в виде отдельной платы), осуществляющие непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к системной шине.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы). Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

В последнее время широко применяется подключение периферийных устройств через USB-порты (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина). На подключение по шине USB рассчитаны многие современные принтеры, сканеры, фотоаппараты, внешние модемы и др. Один порт адресует до 63 устройств. Таким образом, непосредственно к компьютеру может быть подключено только одно периферийное устройство через разъем USB, а все остальное — клавиатура, мышь, модем, принтер и т. д. — соединяются с концентратором, который встроен в системную плату, монитор, клавиатуру или иное USB-устройство. Кроме топологии

17


типа «звезда» (каждый «луч» может достигать 5 м) допускается и последовательное соединение USB-устройств.

Шина USB обеспечивает скорость передачи данных до 12—24 Мбит/с. Все подключенные к шине USB устройства конфигурируются современными операционными системами автоматически.

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру вычислительной машины, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъемов расширения, называемых также слотами расширения (slot — щель, паз).

Следует отметить, что на всех современных материнских платах уже присутствуют контроллеры дисководов, винчестеров, принтера и мыши, а зачастую также — виде-, аудио- и сетевой адаптеры.

1.3.2. Основные характеристики Основными характеристиками персональных компьютеров с пользовательских

позиций являются следующие:1. Быстродействие, производительность, тактовая частота. Единицами измерения быстродействия компьютеров служат:

МИПС (MIPS — Mega Instruction Per Second) — миллион операций в секунду над числами с фиксированной запятой (точкой);

МФЛОПС (MFLOPS — Mega FLoating Operations Per Second) — миллион операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).

Оценка производительности компьютеров всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики компьютеров вместо производительности обычно указывают тактовую частоту центрального процессора в МГц (миллион тактовых импульсов в секунду) или ГГц (миллиард тактовых импульсов в секунду), более объективно определяющую быстродействие компьютера, т. к. каждая операция требует для своего выполнения вполне определенное количество тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой компьютерной (машинной) операции.

На быстродействие компьютера также влияет разрядность процессора и кодовых шин его интерфейса. Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи данных; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность компьютера.

2. Емкость оперативной памяти.Емкость оперативной памяти измеряется чаще всего в мегабайтах (Мбайт или МБ).

Напоминаем: 1 Мбайт = 1024 кбайт = 10242 байт. Следует иметь в виду, что увеличение емкости оперативной памяти в 2 раза, дает повышение производительности компьютера при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.

3. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера). Емкость винчестера измеряется обычно в гигабайтах (1 Гбайт = 1024 Мбайт).

4. Виды и емкость КЭШ-памяти.

18


КЭШ-память — это буферная, не доступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в запоминающих устройствах с меньшим быстродействием.

Современные персональные компьютеры имеют 2—3 уровня КЭШ-памяти: 1—2 уровня находятся внутри микропроцессора и имеют общую емкостью 8—512 Кбайт и более, а также 1 уровень — на системной плате объемом 64—512 Кбайт и более.

Следует иметь в виду, что наличие КЭШ-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20 %.

5. Типы интерфейсов внешних устройств.Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи данных между

узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.

В современном ПК применяются в основном следующие стандарты интерфейсов плат расширения: PCI и AGP. Причем стандарт AGP рассчитан на высокопроизводительные видеоадаптеры.

Контроллеры устройств внешней памяти (винчестер, CD-ROM и т. п.) имеют свои стандарты интерфейсов — SCSI, IDE (ATA), SATA (Serial ATA). Наиболее распространен более дешевый при реализации стандарт IDE, на смену которому разработан стандарт Serial ATA.

6. Параметры видеосистем — влияют на качество видеоизображения и безопасность компьютера для пользователя.

7. Наличие и тип различных дополнительных устройств ввода-вывода: СD-ROM, DVD-ROM, USB-портов, модема, сетевого адаптера и т. д.

8. Состав и характеристики программного обеспечения, вид операционной системы — оказывают значительное влияние на производительность, надежность и другие параметры компьютеров.

1.3.3. Внутренняя память В состав внутренней памяти входят оперативная память (основная память), кэш-

память и специальная память.Оперативная память (ОЗУ — оперативное запоминающее устройство, по англ.

RAM — Random Access Memory) — это быстродействующее запоминающее устройство относительно небольшого объема, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, т. к. когда компьютер выключается, то все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Объем ОЗУ современного ПК обычно составляет 128—512 Мбайт и более. Современные микросхемы памяти устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти, которые пользователь может устанавливать дополнительно.

КЭШ-память (cache), или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объема, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

19


КЭШ-памятью управляет специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в КЭШ-память. При этом возможны как «попадания», так и «промахи». В случае попадания, т. е. если в КЭШ подкачаны нужные данные, то извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в КЭШ-памяти отсутствует, то процессор считывает ее непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

КЭШ-память реализуется на более быстродействующих и дорогих микросхемах, чем ОЗУ.

К устройствам специальной памяти относятся: постоянная и перепрограммируемая постоянная память; память CMOS RAM, питаемая от батарейки; видеопамять.

Постоянная память (ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, по англ. ROM — Read Only Memory) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом «зашивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ данные и команды можно только читать. Перепрограммируемая постоянная память (ППЗУ, Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого.

Назначение постоянной памяти следующее. Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной памяти — модуль BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода), в котором записана совокупность программ, предназначенных для:

автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера;

загрузки операционной системы в оперативную память. Роль BIOS двоякая: с одной стороны, это неотъемлемый элемент аппаратуры

(Hardware), а с другой — важный модуль любой операционной системы (Software).CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным

энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера. Содержимое CMOS изменяется специальной программой SETUP (англ. Set-up — устанавливать), находящейся в BIOS.

Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения, обычно находится на плате видеоадаптера. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею, т. е. одновременно можно и записывать данные в его ячейки, и считывать их. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

1.3.4. Внешняя память Внешняя память (ВЗУ — внешнее запоминающее устройство) предназначена для

длительного хранения программ и данных, целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Данные от ВЗУ к процессору и наоборот циркулируют примерно по следующей цепочке:

20


В состав внешней памяти компьютера входят: накопители на гибких магнитных дисках (НГМД); накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД); накопители на компакт-дисках (CD); накопители DVD; накопители на магнитной ленте (стримеры); flash-накопители и др.

Накопители на гибких магнитных дисках. Гибкий диск, дискета (floppy disk) — устройство для хранения небольших объемов данных (обычно 1,44 Мбайт), представляющее собой гибкий пластиковый диск с магнитным слоем в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения. Это один из первых видов внешней памяти, который в настоящее время уже не устраивает пользователей как по объему записываемых данных, так и по надежности их хранения.

Накопители на жестких магнитных дисках. Если гибкие диски — это средство переноса данных между компьютерами, то жесткий диск — информационный «склад» компьютера.

Винчестер. Накопитель на жестких магнитных дисках (HDD — Hard Disk Drive) или винчестер — это наиболее массовое запоминающее устройство большой емкости, в котором носителями данных являются круглые алюминиевые или стеклянные пластины — платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Винчестер используется для постоянного хранения программ и данных, организованных в файлы.

Винчестеры имеют очень большую емкость: до сотен Гбайт. У современных моделей скорость передачи данных — сотни Мбайт/с. В отличие от дискеты, платтеры винчестера вращаются непрерывно.

Накопители на компакт-дисках. Компакт-диски (CD — Compact Disk) часто называют лазерными или оптическими дисками. В настоящее время они существуют трех типов: CD-ROM, CD-R, CD-RW.

CD-ROM состоит из прозрачной полимерной основы диаметром не более 12 см и толщиной 1,2 мм. Одна сторона покрыта тонким алюминиевым слоем, защищенным от повреждений слоем лака. Двоичные данные представляются последовательным чередованием углублений и основного слоя. Наибольшее распространение получили CD-ROM емкостью 670 Мбайт.

Для работы с CD ROM нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM (CD-ROM Drive), в котором компакт-диски можно менять. Накопители CD-ROM часто называют приводами CD-ROM.

Участки CD, на которых путем наличия и отсутствия углублений записаны символы «0» и «1», отличаются коэффициентом отражения лазерного луча, посылаемого накопителем CD-ROM. Эти отличия улавливаются фотоэлементом, и общий сигнал преобразуется в соответствующую последовательность нулей и единиц. В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых дорожек, а одну — спиральную. В связи с этим угловая скорость вращения диска меняется и скорость передачи данных не постоянная.

Кроме этого, в современных накопителях CD-ROM предусмотрено автоматическое снижение скорости вращения диска, а, следовательно, скорости передачи данных

21


при низком качестве CD. В технических характеристиках накопителя CD-ROM указывается только максимально возможная скорость передачи данных в виде коэффициента умножения относительно скорости накопителя на гибких магнитных дисках, например, 50x означает 50×150 кбайт/c = 7500 кбайт/c.

Запись информации на CD осуществляется как промышленным способом (штамповкой), так и на специальных записывающих устройствах — приводах CD-R и CD-RW.

Аббревиатурой CD-R (CD-Recordable) обозначена технология однократной оптической записи на специальные диски CD-R. При записи CD-R мощным лазерным лучом нагреваются небольшие области слоя красителя диска. Краситель передает тепло смежной с ним подложке, под действием которого она изменяет свои свойства и начинает рассеивать свет. В областях, не нагревающихся лазером, подложка остается прозрачной и при считывании данных пропускает луч. Последний проходит до металлического слоя, отражается от него и через подложку попадает на светочувствительный датчик. Привод CD-R может работать как в режиме записи, так и в режиме считывания как привод CD-ROM. Записанные диски CD-R читаются почти на всех приводах CD-ROM.

Главный недостаток накопителей CD-ROM и CD-R по сравнению с винчестерами — невозможность перезаписи данных.

Аббревиатурой CD-RW (CD-ReWritable) обозначена технология многократной оптической записи и перезаписи на специальные диски CD-RW. Запись на CD-RW (изменение отражающей способности) определяется специальным слоем, который реверсивно изменяет свои характеристики под нагревом лазера, переходя из кристаллического состояния в аморфное и наоборот. Приводы CD-RW могут записывать как CD-RW, так и CD-R диски, а считывать могут со всех типов оптических дисков.

CD-RW диски более «капризны» при чтении, чем CD-R, т. к. изменение отражательных свойств у них меньше. Поэтому считываются только на универсальных CD-ROM приводах, рассчитанных на работу с различными носителями (удовлетворяющих спецификации MultiRead).

Накопители DVD. Этот стандарт был создан с расчетом на то, чтобы заменить разные носители данных сразу в нескольких областях — в индустрии видео, в сфере информационных технологий, в звуковых записях и даже в индустрии игровых картриджей.

DVD (Digital Versatile Disk, ранее Digital Video Disk) — многоцелевой цифровой компакт-диск емкостью от 4,7 до 17 Гбайт. По размерам диски DVD такие же, как и CD, только немного тоньше.

С пользовательской точки зрения программы и данные записаны в формате DVD-ROM аналогично традиционному диску CD-ROM. Только более тонкая технология позволила увеличить емкость диска в семь раз до 4,7 Гбайт. Кроме этого добавление возможности двухсторонней и двухслойной (в глубину) записи дисков позволило достичь емкости диска до 17 Гбайт. Для считывания таких дисков в компьютере должен быть установлен накопитель DVD-ROM, который внешне похож на привод CD-ROM. Причем накопитель DVD-ROM может читать и диски CD-ROM, а также аудио-CD, а DVD-привод нового поколения может читать диски CD-R и CD-RW.

Накопители DVD-ROM могут только читать диски. Для самостоятельной записи DVD-дисков имеются две их разновидности: DVD-R — однократно записываемый диск (аналог CD-R) и DVD-RAM (или DVD+RW) для многократной, стираемой записи (аналог CD-RW). Скорость работы DVD-привода, также как и CD-привода, может быть различной и обозначается с множителем х, однако базовая величина этого множителя не 150 кбайт/с, а 1200 кбайт/с.

22


Накопители на магнитной ленте (стримеры). Стример — устройство для резервного копирования больших объемов информационных данных. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой емкостью в десятки Гбайт. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять данные перед их записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объем сохраняемой информации. Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания данных.

Flash-накопители появились в начале 2000-х гг. и быстро вытеснили гибкие диски как устройства переноса данных. В качестве запоминающего устройства в них используется микросхема ППЗУ объемом в сотни Мбайт — единицы Гбайт. Подключаются к компьютеру, как правило, через USB-порт.

1.3.5. Видеосистема компьютера Видеосистема компьютера содержит три основных компонента:

монитор (называемый также дисплеем); видеоадаптер; программное обеспечение (драйверы видеосистемы).

Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой разверток. Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают видеоизображения — выполняют кодирование и декодирование видеоданных, координатные преобразования, сжатие изображений и др.

Монитор — устройство визуального отображения данных. Размеры экрана монитора могут быть различными, наиболее распространенными являются размеры от 15 до 19 дюймов по диагонали. Чем больше размер экрана, тем больше можно на нем отобразить данных при одинаковом качестве прорисовки мелких деталей.

Большинство мониторов ранее было сконструированы на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), принцип их работы аналогичен принципу работы телевизора. Основным пользовательским параметром такого монитора является частота кадровой развертки — это частота, с которой меняются кадры изображения. Последняя не должна быть ниже 60 Гц, иначе изображение будет мерцать. По современным стандартам эта частота не должна быть менее 85 Гц, а оптимальное значение — 100 Гц. В этом случае текст с экрана читается как с листа бумаги, и глаза оператора быстро не устают.

Наряду с традиционными ЭЛТ-мониторами все шире используются плоские жидкокристаллические (ЖК) мониторы (LCD).

В настоящее время технология этих мониторов основана на применении активной матрицы, которая использует прозрачный экран из транзисторов и обеспечивает яркое, практически не имеющее искажений изображение. Эта технология называется Thin Film Transistor (TFT), т. е. тонкопленочный транзистор.

По компактности такие мониторы занимают в 3—4 раза меньше места, чем мониторы с ЭЛТ и во столько же раз легче; потребляют гораздо меньше электроэнергии и не излучают электромагнитных волн, воздействующих на здоровье людей.

Видеоадаптер — это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея.

Простейший видеоадаптер — адаптер SVGA (Super Video Graphics Array — супервидеографический массив), который может отображать на экране дисплея 800×600 или даже 1024×768 пикселов при 16 миллионах цветов (режим True color). Для хранения такого изображения видеоадаптер снабжен видеопамятью объемом 2

23


—4 Мбайт. В эту память центральным процессором вносятся по мере необходимости изменения, а видеоадаптер непрерывно считывает из памяти данные, которые последовательно пиксел за пикселом отображаются на экране монитора.

С увеличением числа приложений, использующих сложную графику и видео, наряду с традиционными видеоадаптерами широко используются разнообразные устройства компьютерной обработки видеосигналов (которые зачастую размещаются на одной плате с видеоадаптером):

графические (3D) акселераторы (ускорители) — специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор от большого объема операций с видеоданными, т. к. акселераторы самостоятельно вычисляют, какие пикселы отображать на экране и каковы их цвета. Графические акселераторы часто имеют большую эффективность, когда на них установлена большая оперативная память для использования ее в промежуточных вычислениях: 16—64 Мбайт и более;

фрейм-грабберы, которые позволяют отображать на экране компьютера видеосигнал от видеомагнитофона, камеры, лазерного проигрывателя и т. п., с тем, чтобы «захватить» нужный кадр в память и впоследствии сохранить его в виде файла;

TV-тюнеры — видеоплаты, превращающие компьютер в телевизор. TV-тюнер позволяет выбрать любую нужную телевизионную программу и отображать ее на экране в масштабируемом окне. Таким образом можно следить за ходом передачи, не прекращая работу на компьютере.

1.3.6. Внешние устройства ввода-вывода Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных

конструктивных компонентов: системного блока; монитора; внешних (периферийных) устройств ввода-вывода (клавиатуры, манипуляторов, принтера, сканера, устройств мультимедиа и др.).

В системном блоке размещаются: блок питания; системная плата с центральным процессором; модули оперативной памяти; платы расширения (адаптеры); накопители на жестких и гибких магнитных дисках; накопитель CD-ROM и др.

Корпус системного блока может иметь горизонтальную (DeskTop) или вертикальную (Tower — башня) компоновку.

Клавиатура служит для ввода данных в компьютер и подачи управляющих сигналов. Она содержит стандартный набор алфавитно-цифровых клавиш и некоторые дополнительные клавиши — управляющие и функциональные, клавиши управления курсором, а также малую цифровую клавиатуру.

Курсор — символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак. Все символы, набираемые на клавиатуре, немедленно отображаются на мониторе в позиции курсора.

Манипуляторы (мышь, джойстик и др.) — это специальные устройства, которые используются для управления курсором.

Принтер — печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьютера закодированной информации в виде печатных копий текста или графики.

24


Существуют тысячи наименований современных принтеров. Но основных видов два: лазерные и струйные.

Лазерные принтеры работают примерно так же, как ксероксы. Компьютер формирует в своей памяти «образ» страницы текста и передает его принтеру. Информация о странице проецируется с помощью лазерного луча на вращающийся барабан со светочувствительным покрытием, меняющим электрические свойства в зависимости от освещенности. После засветки на барабан, находящийся под электрическим напряжением, наносится красящий порошок — тонер, частицы которого налипают на засвеченные участки поверхности барабана. Принтер с помощью специального горячего валика протягивает бумагу под барабаном; тонер переносится на бумагу и «вплавляется» в нее, оставляя стойкое высококачественное изображение.

Струйные принтеры генерируют символы в виде последовательности чернильных точек. Печатающая головка принтера имеет крошечные сопла, через которые на страницу выбрызгиваются быстросохнущие чернила. Цветные струйные принтеры создают цвета, комбинируя чернила четырех основных цветов — ярко-голубого, пурпурного, желтого и черного.

Еще встречаются матричные принтеры, в которых знаки на бумаге формируются из точек, оставляемых после удара иголок через красящую ленту.

Плоттер (графопостроитель) — устройство, которое чертит графики, рисунки или диаграммы под управлением компьютера. Плоттеры используются для получения сложных конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем. Плоттеры рисуют изображения с помощью пера. Роликовые плоттеры прокручивают бумагу под пером, а планшетные плоттеры перемещают перо через всю поверхность горизонтально лежащей бумаги.

Сканер — устройство для ввода в компьютер графических изображений. Создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера. Если при помощи сканера вводится текст, компьютер воспринимает его как картинку, а не как последовательность символов. Для преобразования такого графического текста в обычный символьный формат используют программы оптического распознавания образов.

Средства мультимедиа. Термин «мультимедиа» образован из слов «мульти» — много, и «медиа» — среда, носитель, средства сообщения. В первом приближении этот термин можно перевести как «многосредность».

Мультимедиа — это собирательное понятие для различных компьютерных технологий, в которых используется несколько информационных сред: графика, текст, видео, фотографии, движущиеся образы (анимация), звуковые эффекты, высококачественное звуковое сопровождение. Мультимедиа-компьютер — это компьютер, снабженный аппаратными и программными средствами, реализующими технологию мультимедиа.

В настоящее время практически любое программное обеспечение опирается на мультимедийность компьютера. Пожалуй, единственной особенностью, дающей право обычному ПК называться мультимедиа-компьютером, является возможность работать с музыкой и звуковыми эффектами, которые обеспечиваются при помощи аудиоадаптера (называемого также звуковая плата) и подключаемых к нему микрофона, усилителя с акустической системой (динамиков или наушников) и другого оборудования.

Область применения мультимедиа-технологий — компьютерные игры, обучающие программные системы, рекламные презентации, «голосовая почта» (voice mail) между компьютерами, озвучивание различных процессов, происходящих в компьютерном оборудовании, таких, например, как отсутствие бумаги в принтере и т. п.

25


Дальнейшее развитие мультимедиа-технологий направлено на создание виртуальной реальности (Virtual Reality, VR). Слово «виртуальный» означает «действующий и проявляющий себя как настоящий». Виртуальная реальность — это высокоразвитая форма компьютерного моделирования, которая позволяет пользователю погрузиться в модельный мир и непосредственно действовать в нем. Зрительные, слуховые, осязательные и моторные ощущения пользователя при этом заменяются их имитацией, генерируемой компьютером при помощи специальных аппаратных средств.

1.4. Компьютерная сеть — частный случай распределенной вычислительной системы

1.4.1. Назначение и классификация компьютерных сетейКомпьютерная сеть — это совокупность компьютеров и телекоммуникационных

средств, обеспечивающих информационный обмен между компьютерами.Компьютерная сеть (называемая еще вычислительной сетью) не имеет «общей»

операционной системы, распределяющей работу между компьютерами в сети, однако практически любые ресурсы сети (дисковое пространство, принтеры, вычислительные ресурсы и т. д.) могут быть разделяемыми по технологии «клиент-сервер». Взаимодействие между компьютерами осуществляется с помощью запросов, формируемых программными модулями — клиентами к программным модулям — серверам. Совокупность клиентских и серверных программных модулей, обеспечивающих совместное использование определенного типа разделяемого ресурса, называется сетевой службой.

Компьютерные сети классифицируются по разным признакам. Часто применяемыми классификационными признаками являются следующие: территория, охваченная сетью; применяемые методы коммутации; применяемые технологии и др.

По территориальному признаку компьютерные сети обычно подразделяются на следующие три типа: локальные, региональные, глобальные.

Локальная компьютерная сеть (Local Area Network, LAN). Такая сеть представляет собой соединение нескольких компьютеров с помощью соответствующих телекоммуникационных средств и программного обеспечения. Слово «локальная» означает, что все соединенные компьютеры находятся, как правило, в одном или в близкорасположенных зданиях. К классу локальных относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, учебных заведений, офисов и пр. Локальные сети отличаются от других сетей не только своей протяженностью, но и спецификой процессов их функционирования.

Региональная компьютерная сеть (Metropolitan Area Network, MAN). Она объединяет локальные компьютерные сети, расположенные в пределах большого города, экономического региона, небольшой страны или группы стран.

Разновидностью региональной компьютерной сети является корпоративная сеть. Корпоративные сети используются, например, для связи центральных офисов или банков со своими филиалами (в том числе в других странах), в государственных информационных системах и др.

Локальные и региональные корпоративные сети являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешен только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в таких сетях непосредственно связана с их профессиональной деятельностью. Этим закрытые сети отличаются от глобальных сетей, ориентированных на обслуживание любых пользователей.

26


Глобальная компьютерная сеть (Global Area Network, GAN). Сеть данного типа объединяет компьютерные сети, расположенные на разных континентах. Одна глобальная сеть может включать другие глобальные сети. Наиболее известной глобальной компьютерной сетью является Интернет (Internet).

По методам коммутации компьютерные сети подразделяются на сети с коммутацией каналов, сообщений, пакетов, а также — на сети с адаптивной коммутацией.

Сеть с коммутацией каналов. В такой сети устанавливается сквозной физический канал связи между компьютером-отправителем и компьютером-получателем сообщения. В начале сеанса связи отправитель посылает специальный сигнал, который перемещается от одного узла коммутации к другому. В результате через некоторое время устанавливается сквозной физический канал связи между отправителем и получателем сообщения. После установления физического канала связи компьютер-получатель посылает об этом отправителю специальный уведомительный сигнал. Получив этот сигнал, отправитель посылает получателю искомое сообщение. Завершение передачи сообщения приводит к разъединению физического канала связи.

Метод коммутации каналов прост в реализации, но дает наибольшую задержку при создании соединения перед передачей сообщения, и приводит к малоэффективному использованию пропускной способности сети. Достоинством этого метода является возможность быстрой передачи по созданному физическому соединению больших массивов данных.

Таким методом работает телефонная сеть общего пользования, через каналы которой осуществляется модемное соединение между компьютерами. Узлами коммутации такой сети являются автоматические телефонные станции (АТС).

Сеть с коммутацией сообщений. В этой сети единый физический канал связи между компьютерами не устанавливается. Формируется так называемый логический канал связи, т. е. указываются адрес компьютера-отправителя, компьютера-получателя сообщения и путь передачи сообщения.

В процессе передачи сообщение, поступившее в узел коммутации, запоминается и ждет до тех пор, пока не освободится канал связи со следующим узлом коммутации. Сообщение в каждый момент времени занимает только часть канала связи — между двумя соседними узлами коммутации. Это повышает пропускную способность сети и уменьшает задержку передачи сообщения.

Таким методом работает, например, электронная почта. Узлами коммутации в этом случае являются почтовые серверы.

Сеть с коммутацией пакетов. При использовании этого метода сообщение разбивается на фрагменты одинаковой длины, каждый из которых снабжается служебной частью — заголовком. В заголовке записываются адрес компьютера-получателя и другие служебные данные, необходимые для доставки фрагмента сообщения через сеть до точки назначения. Фрагмент сообщения с заголовком называется пакетом. Пакеты передаются по сети независимо друг от друга и могут проходить по разным путям.

Преимущества метода коммутации пакетов состоят в следующем: эффективнее используется пропускная способность сети; уменьшается задержка передачи сообщения; увеличивается скрытность передачи, т. к. пакеты передаются по разным

путям. Недостатком данного метода является усложнение программных и технических

средств коммутации. В такой сети узлы коммутации, называемые

27


маршрутизаторами, должны определять маршрут движения по сети до точки назначения каждого пакета.

Сеть с адаптивной коммутацией. В сети с адаптивной коммутацией реализуются достоинства и недостатки различных методов коммутации. Так как при длинных сообщениях более экономичной является коммутация каналов, а при коротких — коммутация пакетов, то в реальных сетях целесообразно совмещение обоих методов. Поэтому более эффективной является адаптивная коммутация, которая предполагает автоматическое переключение методов коммутации каналов и пакетов в зависимости от длины сообщений и уровня загрузки сети.

По применяемым технологиям компьютерные сети обычно делят на локальные и глобальные.

Технологии локальных сетей. В локальных сетях между рабочими станциями и узлами сети обычно небольшие расстояния, поэтому можно использовать относительно недорогое, но высокоскоростное оборудование. Это позволяет не экономить пропускную способность сети и применять простые протоколы обмена данными. Стандартом де-факто для локальных сетей стали различные расширения технологии Ethernet.

Технологии глобальных сетей. В глобальных сетях из-за большой протяженности каналов связи стоимость телекоммуникационного оборудования значительно выше. Кроме этого глобальные сети должны уметь передавать трафик (потоки данных) различного характера: пульсирующий трафик локальных сетей, относительно равномерный трафик IP-телефонии, другой мультимедийный трафик. Как следствие, в этих сетях остро стоит проблема эффективного использования пропускной способности, поэтому используются более сложные механизмы передачи трафика, включающие службу качества обслуживания (Quality of Service, QoS), технологии виртуальных каналов и т. п.

К наиболее известным технологиям глобальных компьютерных сетей относятся сети X.25 (устаревшие), frame relay и ATM. Причем технология ATM (Asynchronous Transfer Mode) была разработана как единый универсальный транспорт для нового поколения сетей с интеграцией услуг (стандартизация началась в 1993 г.). Эта технология самая перспективная и задумана заменить не только технологии глобальных компьютерных сетей, но и технологии локальных сетей.

Компьютерная сеть — продукт эволюции телекоммуникационных и вычислительных систем. По технологическим принципам функционирования различают локальные и глобальные компьютерные сети, однако в настоящее время наблюдается устойчивая тенденция сближения технологий, применяемых в локальных и глобальных компьютерных сетях. Большой вклад в сближение локальных и глобальных сетей внесло доминирующее положение сетевого протокола IP. Этот протокол сегодня используется поверх любых технологий локальных и глобальных сетей — Ethernet, Token Ring, ATM, frame relay — для создания из различных подсетей единой составной сети.

1.4.2. Модель OSIДля осуществления взаимодействия компьютеров друг с другом нужно принять

некие правила коммуникаций. Такие правила должны быть четко определены, чтобы в сети с разнообразными сетевыми устройствами происходил обмен данными. Различные фирмы-производители сетей по-разному разбивают на этапы процедуру передачи сообщений, но всегда руководствуются при этом моделью взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI), которая разрабатывалась с 1977 г., а в 1984 г. была выпущена в качестве международного стандарта. Открытой обычно называют любую систему, которая построена в соответствии с открытыми (общедоступными) спецификациями.

28


Модель OSI не описывает нечто реальное — это концептуальная основа, позволяющая лучше понять сложные механизмы взаимодействия различных устройств в сети. В процессе коммуникаций модель OSI не выполняет никаких функций. Фактическая работа осуществляется программным и аппаратным обеспечением. Модель OSI лишь определяет соответствующие аппаратные средства и программное обеспечение, а также сетевые протоколы, выполняющие данные задачи. Модель имеет следующие семь уровней (рис. 1.7):1. Физический.2. Канальный.3. Сетевой.4. Транспортный.5. Сеансовый.6. Представительный.7. Прикладной (иногда его называют уровнем протокола).

Рис. 1.7. Уровни взаимодействия открытых систем и фрагмент структуры сети

Модель OSI разбивает задачи коммуникаций на более мелкие фрагменты, называемые подзадачами. Реализации протоколов представляют собой компьютерные процессы, относящиеся к этим подзадачам. Конкретные протоколы выполняют подзадачи определенных уровней модели OSI. Когда протоколы группируются вместе для выполнения полной задачи, образуется стек протоколов.

Каждый уровень в стеке протоколов обслуживается нижерасположенным уровнем и реализует сервис для вышерасположенного уровня. Другими словами, уровень N использует сервис нижерасположенного уровня (уровня N—1) и обслуживает вышерасположенный уровень (уровень N+1).

Для обеспечения взаимодействия двух компьютеров на каждом из них должен выполняться один и тот же стек протоколов. Каждый уровень стека протоколов на компьютере взаимодействует со своим эквивалентом на другой машине. При выполнении одинакового стека протоколов компьютеры могут иметь различные операционные системы.

Когда сообщение передается с одной машины на другую, оно проходит вниз по уровням на одной машине, а затем вверх по уровням на другой. Его маршрут представлен на рис. 1.7.

29


При прохождении сообщения вниз по первому стеку каждый уровень (кроме физического) добавляет к нему заголовок. Эти заголовки содержат фрагменты управляющей информации, которая считывается и обрабатывается соответствующим уровнем принимающего стека. При перемещении сообщения вверх по стеку протокола каждый уровень удаляет соответствующий заголовок.

На каждом уровне пакеты данных (сервисные единицы данных) состоят из данных и добавленных вышерасположенными уровнями заголовков. По этой причине на разных уровнях они обычно называются по-разному. Термин «пакет» применяется к сервисной единице данных любого уровня.

Физический уровень. Физический уровень отвечает за передачу битов с одного компьютера на другой. Для него не важен смысл битов. Физический уровень имеет дело с физическим соединением компьютера с сетью, а также с передачей и с приемом сигналов.

Этот уровень определяет физические и электрические детали, например, как представляются 1 и 0, сколько контактов должен иметь сетевой разъем, как синхронизируются данные, и когда сетевой адаптер может (или не может) передавать информационные данные.

Устройства, ассоциированные с физическим уровнем OSI: концентраторы, устройства связи, кабели и кабельная сеть, разъемы и т. п.

На физическом уровне определяются следующие элементы: типы сетевых соединений, включая многоточечные и двухточечные

соединения; физическая топология (схема сети), например шинная, кольцевая или

звездообразная; аналоговая и цифровая передача сигналов, включая различные методы

кодирования данных в аналоговых и цифровых сигналах; синхронизация битов (между отправителем и получателем); мультиплексирование — комбинирование нескольких каналов передачи

данных в один. Канальный уровень. Канальный уровень обеспечивает передачу потока данных

по одному каналу от одного устройства к другому. Он принимает пакеты от сетевого уровня, оформляет их в единицы данных, которые называются кадрами (или фреймами), и предоставляет их физическому уровню для побитной передачи. Канальный уровень добавляет к передаваемым данным управляющую информацию: тип кадра, сведения об отправителе и получателе кадра.

В протоколах канального уровня заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Адреса, используемые на канальном уровне в локальных сетях, часто называют МАС-адресами, в качестве которых используются физические номера сетевых адаптеров.

Канальный уровень распознает кадры, у которых адрес получателя совпадает с идентификатором данного компьютера, и отбрасывает другие пакеты. Канальный уровень устанавливает соединение между компьютерами, обеспечивая передачу данных с коррекцией ошибок.

Канальный уровень определяет также метод доступа к среде передачи данных.Устройствами, обычно ассоциируемыми с канальным уровнем, являются мосты,

коммутаторы и платы сетевого интерфейса.Сетевой уровень. Сетевой уровень принимает решения о маршрутизации

и переадресовывает пакеты на устройства, отстоящие дальше, чем на одно прямое соединение. (Соединение связывает два сетевых устройства и реализуется канальным уровнем. Два устройства, соединенные прямой линией связи, взаимодействуют непосредственно друг с другом без помощи третьего устройства.)

30


В более крупных сетях между двумя оконечными системами имеются промежуточные узлы, и сетевой уровень позволяет транспортному и вышерасположенным уровням передавать данные, не беспокоясь о том, является ли адресат системой, непосредственно смежной с отправителем, или ее отделяет несколько «сетевых переходов» (прямых сетевых связей).

Сетевой уровень транслирует логические сетевые адреса в физические адреса машины. Этот уровень определяет также качество сервиса (например, учитывает приоритет сообщения) и маршрутизирует сообщение, если его можно доставить адресату несколькими путями.

Кроме того, сетевой уровень разбивает большие пакеты на меньшие фрагменты, если размер пакета превышает максимальный размер кадра данных, воспринимаемого канальным уровнем. На приемном конце сеть снова собирает фрагменты в пакеты.

Промежуточные системы, выполняющие только функции маршрутизации, ретрансляции и не обеспечивающие среду для программ пользователя, могут реализовывать только первые три сетевых уровня OSI. На сетевом уровне работают маршрутизаторы (см. рис. 1.7).

Сетевой уровень выполняет несколько важных функций, позволяющих доставить данные получателю. Протоколы данного уровня могут выбирать конкретный маршрут в объединенной сети, избегая избыточного трафика (сетевого обмена), вызванного передачей данных через сетевые сегменты, обращаться к которым нет необходимости.

Таким образом, сетевой уровень служит для поддержки коммуникаций между логически раздельными сетями.

Транспортный уровень. Транспортный уровень гарантирует безошибочную доставку пакетов в нужной последовательности, без потерь и дублирования между сетевыми приложениями. Он разбивает большие сообщения сеансового (следующего) уровня на пакеты (сегменты), передаваемые компьютеру-получателю, и собирает сегменты в сообщения, предоставляемые сеансовому уровню.

Обычно транспортный уровень посылает отправителю подтверждение поступления сообщения.

Сеансовый уровень. Сеансовый уровень позволяет приложениям на отдельных компьютерах совместно использовать соединение. Это называется сеансом. Данный уровень обеспечивает такой сервис, как преобразование имен и защиту, что дает возможность двум программам найти друг друга и установить коммуникации. Сеансовый уровень предоставляет средства управления диалогом, позволяющие фиксировать, какая из взаимодействующих сторон является активной в настоящий момент. Кроме того, сеансовый уровень обеспечивает синхронизацию данных и сохранение состояния. В результате в случае отказа в сети повторно потребуется передать только данные, посланные после отказа.

Представительный уровень. Представительный уровень транслирует данные, конвертируя их из формата сети в формат, ожидаемый компьютером. Этот уровень выполняет также преобразование протоколов, трансляцию данных, уплотнение и шифрование, преобразование наборов символов и интерпретацию команд графики.

Прикладной уровень. Прикладной уровень — это самый верхний уровень модели OSI. Он обеспечивает средства, непосредственно поддерживающие пользовательские приложения, например доступ к базам данных, электронную почту и передачу файлов. Кроме того, он позволяет приложениям на разных компьютерах взаимодействовать друг с другом (как если бы они выполнялись на одной машине). Когда программист пишет приложение, использующее сетевые службы, его программа должна обращаться к данному уровню. В сущности, прикладной

31


уровень — это набор разнообразных сетевых сервисов, предоставляемых конечным пользователям и приложениям.

В настоящее время на практике подавляющее большинство компьютерных сетей строятся на основе стека протоколов TCP/IP — набора взаимоувязанных протоколов, опирающихся на протокол сетевого уровня IP (Internet Protocol) и протокол транспортного уровня TCP (Transfer Control Protocol). Стек протоколов TCP/IP включает только четыре уровня иерархии:

уровень сетевых интерфейсов (объединяющий физический и канальный уровни модели OSI);

уровень межсетевого взаимодействия (сетевой уровень); транспортный уровень; прикладной уровень (объединяющий верхние три программно реализуемые

уровни модели OSI).

Выводы1. В основе построения большинства компьютеров лежат принципы,

сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом: программное управление, двоичное кодирование, однородность памяти и адресность.

2. Информационно-логические принципы построения вычислительных машин основаны на двоичной системе счисления.

3. В общем случае существует два типа структур вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе шины, а также два типа структур вычислительных систем: с общей памятью и распределенная система.

4. Архитектура системы команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая «видна» программисту. Наибольшее распространение получили три архитектуры системы команд: CISC, RISC и VLIW.

5. Несмотря на существование различных классов вычислительных машин и систем, наиболее бурно развиваются персональные компьютеры. Современный персональный компьютер снабжен различными коммуникационными средствами для связи с локальными и глобальными сетями.

6. Основная цель создания компьютерных сетей — возможность предоставления ресурсов различных компьютеров по технологии «клиент-сервер».

7. Взаимодействие компьютеров друг с другом разбивается на этапы (семь уровней), которые описаны моделью взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI).

Вопросы для самопроверки1. В чем разница понятий «вычислительная машина» и «вычислительная

система»? 2. В чем суть принципов фон-неймановской архитектуры

вычислительной машины? 3. Переведите двоичное число 0011010110010101 в десятичную

и шестнадцатеричную системы счисления. 4. Будет ли одинаково отображаться латинский текст в кодировке ASCII

с различными национальными кодовыми таблицами — Windows-1251 и KOI-8R? 5. Какой объем видеопамяти требуется для формирования изображения

с разрешением 1280×1024 пикселей при режиме True color? 6. Какие существуют основные структуры вычислительных машин?

32


7. Какие существуют основные структуры вычислительных систем? 8. Что такое кластер? 9. Каковы особенности процессоров с архитектурой системы команд

CISC? 10. Каковы особенности процессоров с архитектурой системы команд

RISC? 11. Каковы особенности процессоров с архитектурой системы команд

VLIW? 12. Какова классификация вычислительных машин по их назначению? 13. Какова структура персонального компьютера? 14. Каково назначение в компьютере контроллеров (адаптеров)? 15. Какова структура памяти персонального компьютера? 16. В чем суть технологии «клиент-сервер»? 17. Является ли компьютерная сеть вычислительной системой? 18. В чем отличие сетей с коммутацией каналов, сообщений и пакетов? 19. Зачем была разработана модель OSI? 20. Какие задачи решаются на каждом уровне взаимодействия модели

OSI?

33

Documents

ВВЕДЕНИЕ - eos.ibi.spb.rueos.ibi.spb.ru/umk/5_3/5/print/5_R1_T1.doc · Web viewМы живем в информационную эпоху. Основу современных