Предисловие

Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения специальности 351400 «Прикладная информатика (в сфере сервиса)», изучающих дисциплину «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации», и разработано с целью обеспечения обучающихся и преподавателей систематизированным учебным материалом по теоретическим и практическим основам аппаратного обеспечения вычислительной техники и телекоммуникационных технологий.

Дисциплина «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» является одной из ключевых при подготовке специалистов в области информационных технологий. Это связано с тем, что предметами изучения указанной дисциплины являются способы и технические средства автоматической (или автоматизированной) обработки, хранения и транспортировки (передачи) информации, без которых информационные процессы были бы практически не реализуемы. Полнота знаний о классах, видах, параметрах, характеристиках, а также основах построения и функционирования технических средств способствует созданию работоспособных, рациональных и эффективных информационно-коммуникационных систем для различных приложений.

В учебном пособии представлены сведения о структурной организации, классификации, хронологии разработки и характеристиках вычислительных машин и систем, рассмотрены принципы работы, конструктивное исполнение и важнейшие параметры основных функциональных устройств вычислительной техники, приведена классификация вычислительных сетей по различным признакам, изложены базовые понятия стандартизованных моделей сетевого взаимодействия, описаны виды и характеристики физических телекоммуникационных сред, методы и способы передачи информации по линиям связи. Существенное внимание уделено рассмотрению новых технических решений в сферах разработки и внедрения микропроцессоров, запоминающих устройств, высокопроизводительных многопроцессорных и многомашинных вычислительных комплексов, беспроводных технологий связи, способов удаленных и глобальных сетевых соединений.

Освоение представленного учебного материала позволит получить базовые фундаментальные знания в динамично развивающихся областях вычислительной техники и информационно-коммуникационных технологий.

Изложенные в учебном пособии сведения могут найти применение при изучении ряда смежных дисциплин специальности 351400 «Прикладная информатика (в сфере сервиса)», а также соответствующих разделов в дисциплинах «Информатика», «Информационные технологии», «Информационные системы» других специальностей.

Учебное пособие подготовлено кандидатом технических наук, доцентом, проректором ОГИС по информационным технологиям С. Ф. Храпским.

Автор

Введение

Важнейшее направление современного мирового развития – интенсивное внедрение и широкое практическое использование информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) во всех сферах жизнедеятельности человеческого общества. Аппаратной основой (платформой) ИКТ являются технические средства (ТС) обработки и передачи информации. ТС обработки информации традиционно именуются средствами вычислительной техники. ТС передачи (транспортировки) информации носят название коммуникационных технических средств (или технических средств связи). ТС на профессиональном жаргоне называют Hardware (дословно с англ. – «твердое изделие») в отличие от сущности Software (дословно с англ. – «мягкое изделие»), представляющую собой программное обеспечение (ПО) ИКТ. В общем случае ТС не могут функционировать без ПО, а программное обеспечение реализует свои функции только посредством ТС. Поэтому фактическая реализация ИКТ предполагает совместное использование и взаимодействие ТС и ПО, что находит свое отражение в объединенном термине Hard&Soft (дословно с англ. – «твердое и мягкое»). Настоящее учебное пособие ограничено рамками рассмотрения именно технических средств (Hardware).

Главнейшим и наиболее значимым техническим средством ИКТ (а точнее – целой совокупностью технических средств) безусловно является так называемая вычислительная машина (ВМ). В словосочетании «вычислительная машина» термин «машина» сохраняет свое традиционное толкование как некоторое техническое устройство, облегчающее трудовую деятельность человека (в данном случае – умственную деятельность) по обеспечению его жизненных потребностей. Прилагательное «вычислительная» уже давно переросло свое дословное толкование и к настоящему времени под обработкой информации понимают не только «вычисления» (в узком смысле этого слова), а гораздо более широкий спектр операций с (или над) информацией, таких как сбор, ввод, формализация, фильтрация, сортировка, хранение, накопление, защита, преобразование, выдача информации (и этот список типовых операций может быть продолжен). Поэтому современная трактовка указанного прилагательного предполагает именно такое его широкое толкование. Существует несколько близких по определению формулировок понятия «вычислительная машина». В дальнейшем изложении будем иметь ввиду наиболее общее определение этого понятия, представленное в специальном стандарте терминов и определений в области систем обработки информации (ГОСТ 15971-90): «вычислительная машина – это комплекс технических средств, создающих возможность автоматизации обработки информации по заданному алгоритму и получения результата в необходимой форме». Поня­тие алгоритма согласно формулировке стандарта ISO 2382/1-84 Международной организации стандартов (ISO – International Standards Organization) представляет собой «конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций». Алгоритм решения той или иной задачи на ВМ имеет вид некоторой программы последовательных действий (вычислений). В соответствии с тем же стандартом ISO 2382/1-84, программа для ВМ – это «упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке». В результате реализации программы на ВМ порождается вычислительный процесс. Синонимом русскоязычного термина «вычислительная машина» является распространенный иноязычный термин «компьютер» (от «computer» – вычислитель). В утратившей в последнее время популярность аббревиатуре «ЭВМ» (электронная вычислительная машина) подчеркивался факт построения основных функциональных устройств ВМ на базе электронных компонентов, что для современных машин очевидно.

Понятие «вычислительная система» (ВС) имеет множество существенно различных толкований, например: «набор устройств автоматической или автоматизированной обработки информации», «одиночная вычислительная машина (компьютер) с ее программным обеспечением и внешним (периферийным) оборудованием», «совокупность нескольких взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин (компьютеров), организованная для совместного выполнения процессов обработки информации». В соответствии с наиболее распространенным определением (последним из представленных выше) формальное отличие ВС от ВМ выражается в количестве процессоров или машин. Такая множественность позволяет реализовать в ВС эффективную параллельную обработку информации. Однако современные ВМ даже с одним процессором также обладают определенными средствами распараллеливания вычислительного процесса. Более того, разработанные в последнее время двухъядерные процессоры еще больше стирают грань между ВМ и ВС согласно упомянутому определению. В связи с этим представляется более четким определение вычислительной системы как некоторой совокупности вычислительных машин, организованной путем объединения их коммуникационной средой. Таким образом, в состав ВС наряду с ВМ входят коммуникационные технические средства.

При относительно удаленном размещении ВМ, входящих в состав ВС (например, от размещения в пределах одной комнаты до размещения на разных континентах), вычислительную систему классифицируют как распределенную ВС. За таким типом ВС исторически закрепился более распространенный термин – вычислительная сеть (синоним – компьютерная сеть). Вычислительные сети создаются для эффективного предоставления различных информационно-вычислительных услуг пользователям сети в результате обеспечения быстрого и надежного доступа к аппаратным, программным и информационным ресурсам, распределенным в этой сети. Так как связь между компонентами вычислительной сети может, как правило, осуществляться на больших расстояниях, в названии технических средств связи это подчеркивается наличием приставки «теле» (переводится как словосочетание «на расстоянии»), то есть телекоммуникационные средства, или просто телекоммуникации – средства, обеспечивающие «связь на расстоянии». В настоящем учебном пособии предметом рассмотрения являются не все известные технические средства связи, а именно телекоммуникации вычислительных систем. Однако следует подчеркнуть, что в результате существенной эволюции и ярко выраженной конвергенции средств вычислительной техники и средств связи, вычислительные сети все чаще строятся на базе общих для всех видов связи телекоммуникационных средств.

К настоящему времени основным элементом ВС разных типов по-прежнему остается вычислительная машина. При этом, с одной стороны, ВМ можно рассматривать как вырожденную реализацию ВС. С другой стороны, вычислительные системы обычно строятся из традиционных ВМ и их компонентов. Поэтому рассмотрение организации, построения, функционирования и характеристик ВС следует начать с рассмотрения структурной организации, основ функционирования и базовых характеристик вычислительных машин и их компонентов (устройств).