Kandaurova_N_Vychislitelnye_sistemy_seti_i_telekommunikatsii

Н.В. Кандаурова, С.В. Яковлев, В.П. Яковлев, В.С. Чеканов

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

Курс лекций и лабораторный практикум

Учебное пособие

2-е издание, стереотипное

Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности

080801 – «Прикладная информатика (по областям)»

Москва Издательство «ФЛИНТА»

2013

УДК 004.7(075.8)

ББК 32.973.202я73

К19

А в т о р ы :

Н.В. Кандаурова – доктор технических наук, профессор; С.В. Яковлев – кандидат технических наук, доцент; В.П. Яковлев – кандидат технических наук, доцент;

В.С. Чеканов – аспирант

Р е ц е н з е н т ы :

Н.И. Червяков – заведующий кафедрой прикладной математики и информатики Ставропольского государственного университета, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ;

В.П. Мочалов – заведующий кафедрой автоматизированных систем обработки информации и управления Северо-Кавказского государственного технического университета, доктор технических наук, профессор

Кандаурова Н.В.

К19 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. (Курс лекций и лабораторный практикум) [ ]: учеб. пособие /

Н.В. Кандаурова, С.В. Яковлев, В.П. Яковлев, В.С. Чеканов. – 2- ., . – М. : ФЛИНТА, 2013. – 344 с. : ил.

ISBN 978-5-9765-1109-5

Впособии описываются принципы построения, архитектура, функциональная

иструктурная организация, основные устройства и звенья

вычислительных машин, систем и телекоммуникационных вычислительных сетей. Рассматриваются их программное обеспечение, функционирование, эффективность и перспективы развития. Лабораторные работы посвящены вопросам анализа и синтеза основных устройств и параметров вычислительных машин, систем и телекоммуникационных вычислительных сетей в целом.

Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов по специальности «Прикладная информатика» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 080801 – «Прикладная информатика (по областям)».

УДК 004.7(075.8)

ББК 32.973.202я73

ISBN 978-5-9765-1109-5	© Н.В. Кандаурова, С.В. Яковлев,В.П.
	Яковлев, В.С. Чеканов, 2011

СОДЕР ЖАНИЕ
Введение......................................................................................................	7
Раздел 1. КУРС ЛЕКЦИЙ.........................................................................	10
Лекция № 1. Принципы построения и архитектура компьютеров .....	10
1.1. Основные характеристики компьютеров ..................................................................	10
1.2. Классификация компьютеров .....................................................................................	11
1.3. Развитие принципов построения компьютеров .......................................................	13
1.4. Функции программного обеспечения компьютеров ................................................	16
1.5. Персональные компьютеры ........................................................................................	17
Литература...........................................................................................................................	20
Лекция № 2. Информационно-логические основы компьютеров ......	22
2.1. Системы счисления.............................................................................................................................................	22
2.2. Представление информации в компьютерах........................................................................................	24
2.3. Арифметические основы компьютеров...................................................................................................	27
2.4. Логические основы компьютеров ...............................................................................	30
Литература...........................................................................................................................	34
Лекция № 3. Элементная база компьютеров.........................................	35
3.1. Классификация элементов и узлов компьютеров.....................................................	35
3.2. Комбинационные схемы .............................................................................................	36
3.3. Схемы с памятью .........................................................................................................	41
3.4. Проблемы и перспективы развития элементной базы ............................................	47
Литература...........................................................................................................................	49
Лекция № 4. Функциональная и структурная организация
компьютеров........................................................................	51

4.1.Общие принципы функциональной и структурной организации компьютеров...51

4.2.Организация функционирования компьютеров с магистральной архитектурой ..51

4.3. Организация работы компьютеров при выполнении задания пользователя ........	54
4.4. Особенности управления основной памятью компьютеров ...................................	56
4.5. Система прерываний компьютеров ...........................................................................	61
Литература...........................................................................................................................	63
Лекция № 5. Центральные устройства компьютеров ..........................	65
5.1. Основная память компьютеров ..................................................................................	65
5.2. Центральный процессор компьютеров......................................................................	70
5.3. Многоядерные микропроцессоры ..............................................................................	77
Литература...........................................................................................................................	79
Лекция № 6. Управление внешними устройствами..............................	81
6.1. Основные принципы управления..............................................................................	81
6.2. Прямой доступ к памяти..................................................................................................................................	85
6.3. Интерфейс системной шины..........................................................................................................................	88
6.4. Интерфейсы внешних запоминающих устройств IBM PC...............................................................	90
Литература...........................................................................................................................	91
3

Лекция № 7. Внешние устройства персональных компьютеров ........	93
7.1. Видеотерминальные устройства ................................................................................	93
7.2. Клавиатура....................................................................................................................	98
7.3. Графический манипулятор «мышь» ...........................................................................	99
7.4. Принтеры......................................................................................................................	100
7.5. Сканеры ........................................................................................................................	102
Литература...........................................................................................................................	104
Лекция № 8. Внешние запоминающие устройства ...............................	106
8.1. Классификация внешних запоминающих устройств ...............................................	106
8.2. Накопители на жестких магнитных дисках...............................................................	107
8.3. Накопители на гибких магнитных дисках.................................................................	108
8.4. Накопители на оптических дисках.............................................................................	110
8.5. Накопители на магнитооптических дисках...............................................................	112
8.6. Цифровые диски DVD .................................................................................................	113
8.7. Флэш-диски ..................................................................................................................	115
Литература...........................................................................................................................	119
Лекция № 9. Системы мультимедиа .......................................................	121
9.1. Назначение и состав систем мультимедиа ................................................................	121
9.2. Анимационные устройства ввода-вывода................................................................	123
9.3. Устройства ввода-вывода звуковых сигналов ..........................................................	128
Литература...........................................................................................................................	132
Лекция № 10. Программное обеспечение ..........................................	133
10.1. Структура программного обеспечения компьютеров ............................................	133
10.2. Операционные системы............................................................................................	135
10.3. Системы автоматизации программирования .........................................................	137
10.4. Пакеты программ .......................................................................................................	139
10.5. Комплекс программ технического обслуживания .................................................	142
Литература...........................................................................................................................	143
Лекция № 11. Вычислительные системы ..............................................	144
11.1. Классификация вычислительных систем ................................................................	144
11.2. Архитектура вычислительных систем.....................................................................	146
11.3. Комплексирование в вычислительных системах...................................................	148
11.4. Типовые структуры вычислительных систем.........................................................	151
11.5. Организация функционирования вычислительных систем ..................................	153
Литература...........................................................................................................................	155
Лекция № 12. Принципы построения телекоммуникационных
компьютерных сетей.........................................................	157
12.1. Характеристика телекоммуникационных компьютерных сетей ..........................	157
12.2. Управление взаимодействием прикладных процессов ..............................................................	161
12.3. Протоколы передачи данных нижнего уровня. Управление доступом к
передающей среде..........................................................................................................................................	163
12.4. Обеспечение безопасности информации в компьютерных сетях..........................................	166
Литература...........................................................................................................................	168

4

Лекция № 13. Телекоммуникационные системы в компьютерных
сетях ....................................................................................	170
13.1. Основные сведения о телекоммуникационных системах......................................	170
13.2. Коммутация в компьютерных сетях.........................................................................	174
13.3. Маршрутизация пакетов в компьютерных сетях....................................................	176
13.4. Защита от ошибок в компьютерных сетях ..............................................................	178
Литература...........................................................................................................................	181
Лекция № 14. Локальные компьютерные сети.......................................	183
14.1. Виды локальных компьютерных сетей ...................................................................	183
14.2. Одноранговые и серверные локальные компьютерные сети ................................	185
14.3. Устройства межсетевого интерфейса ......................................................................	187
14.4. Методы доступа к каналам связи .............................................................................	188
14.5. Протоколы и технологии локальных компьютерных сетей ..................................	191
Литература...........................................................................................................................	193
Лекция № 15. Глобальные компьютерные сети ...................................	195
15.1. Принципы организации глобальных компьютерных сетей ..................................	195
15.2. Системы сетевых коммуникаций .............................................................................	198
15.3. Характеристика сети Internet.....................................................................................	199
15.4. Клиентское программное обеспечение сети Internet ..............................................	204
Литература...........................................................................................................................	206
Лекция № 16. Корпоративные компьютерные сети.............................	208
16.1. Характеристика корпоративных компьютерных сетей ..........................................	208
16.2. Программное обеспечение корпоративных компьютерных сетей ....................................	210
16.3. Сетевое оборудование корпоративных компьютерных сетей...............................	213
16.4. Безопасность корпоративных компьютерных сетей ................................................................	215
Литература...........................................................................................................................	219
Лекция № 17. Эффективность функционирования и перспективы
развития компьютерных сетей ........................................	221
17.1. Понятие эффективности функционирования компьютерных сетей ......................................	221
17.2. Показатели эффективности компьютерных сетей ..........................................................................	222
17.3. Пути повышения эффективности компьютерных сетей ..............................................................	224
17.4. Перспективы развития телекоммуникационных компьютерных сетей...................	228
Литература...........................................................................................................................	232
Раздел 2. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ .........................................	234
Лабораторная работа № 1. Исследование компьютерных систем
счисления................................................................................................	234
Лабораторная работа № 2. Выполнение арифметических операций
в компьютерах в модифицированных обратном и дополнительном
кодах .......................................................................................................	239
Лабораторная работа № 3. Выполнение арифметических операций
в компьютерах над (2-10)-ми кодами чисел. ..........................................	244
Лабораторная работа № 4. Синтез схем фиксации неправильных
тетрад в (2-10)-ом коде. ..........................................................................	247
5

Лабораторная работа № 5. Синтез структурных схем двоичных
дешифраторов. . ..........................................................................................	251
Лабораторная работа № 6. Синтез структурных схем двоичных
шифраторов .................................................................................................	255
Лабораторная работа № 7. Синтез структурных схем компараторов . ......	259
Лабораторная работа № 8. Синтез структурной схемы одноразрядного
полусумматора . ..........................................................................................	263
Лабораторная работа № 9. Синтез структурной схемы одноразрядного
комбинационного сумматора . ...................................................................	267
Лабораторная работа № 10. Синтез структурной схемы многоразрядного
сумматора . ...................................................................................................	272
Лабораторная работа № 11. Синтез асинхронных и синхронных RS-
триггеров и T-триггеров.............................................................................	277
Лабораторная работа № 12. Синтез регистров на RS-триггерах . ..............	282
Лабораторная работа № 13. Синтез схемы n-разрядного суммиру-
ющего счѐтчика . .........................................................................................	287
Лабораторная работа № 14. Синтез схемы суммирующего узла
вычислительной системы ...........................................................................	291
Лабораторная работа № 15. Исследование методов неразрушающего
сжатия информации. ...................................................................................	295
Лабораторная работа № 16. Исследование режимов работы вычисли-
тельной системы. ........................................................................................	302
Лабораторная работа № 17. Расчѐт времени передачи фиксированного
объема информации в ТКС с различными самосинхронизирующими
кодами . ........................................................................................................	308
Лабораторная работа № 18. Расчѐт времени полного цикла опроса/выбора в
спутниковой сети. .......................................................................................	313
Лабораторная работа № 19. Исследование методов помехоустойчивого
кодирования ................................................................................................	317
Лабораторная работа № 20. Расчѐт ѐмкости ОЗУ с матричной организацией
памяти ..........................................................................................................	324
Лабораторная работа № 21. Расчѐт ѐмкости накопителей на жѐстких
магнитных дисках. ......................................................................................	329
Заключение. .....................................................................................................	336
Список использованной литературы ..........................................................	338

ВВЕДЕНИЕ

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации являются в современном обществе самыми востребованными ресурсами. Войдя в человеческую жизнь, компьютеры стали сейчас неотъемлемой частью нашей жизни и деятельности. И хотя первая ЭВМ с автоматическим программным управлением была создана более полувека назад, к настоящему моменту уже насчитывается пять поколений вычислительных машин. Столь бурного развития не претерпевала ни одна технология.

Действительно, если первая ЭВМ «Эниак» (1946 год) занимала площадь около 150 м2, весила более 30 тонн и содержала около 17 тысяч электронных ламп, то сейчас такое количество электронных компонентов 0,15 мкм технологии позволяют разместить в срезе человеческого волоса.

Уже давно вычислительные системы, сети и телекоммуникации выполняют не столько вычисления, сколько преобразования информации (накопление, хранение, организацию, толкование информации), то есть представляют собой информационные системы.

Тем не менее, еще и сейчас в литературе часто используются традиционные, исторически сложившиеся их названия. Что касается толкования понятия «вычислительная система», то в литературе имеются различные ее определения. В данном пособии будем придерживаться следующего определения.

Вычислительная система – совокупность одного и более компьютеров или процессоров, программного обеспечения и периферийного оборудования, организованная для совместного выполнения информационновычислительных процессов.

Для индустриального общества характерными являются такие виды ресурсов, как материальные, природные, трудовые, финансовые и энергетические.

В информационном обществе акцент значимости смещается на информационный ресурс, представляющий собой знания, накопленные людьми для социального использования в обществе. Эти знания зафиксированы и материализованы в виде документов, баз данных, баз знаний, алгоритмов, компьютерных программ, произведений литературы, науки и искусства.

Инфраструктура информатизации включает: вычислительные машины

исети, системы их коммуникаций и программное обеспечение этих систем; информационные средства; систему подготовки кадров для эксплуатации аппаратного, программного и информационного обеспечения; экономические

иправовые механизмы, обеспечивающие и способствующие эффективному развитию процесса информатизации.

Ключевая роль в современной инфраструктуре информатизации

принадлежит вычислительным системам, сетям и телекоммуникациям, в которых сосредоточены новейшие средства вычислительной техники, информатики, связи, а также самые прогрессивные информационные

7

технологии. Именно они обеспечивают пользователям широкий набор информационно-вычислительных услуг с доступом к локальным и удаленным машинным ресурсам, технологиям, базам данных и знаний.

Возможности улучшения технико-эксплуатационных показателей компьютеров в значительной степени зависят от элементов, используемых для построения их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение обычно в первую очередь характеризуется используемой элементной базой.

За 60 лет развития электронной вычислительной техники можно выделить (как уже было сказано) пять поколений ЭВМ (компьютеров), отличающихся элементной базой, функционально-логической организацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристиками, степенью доступа к компьютерам со стороны пользователей.

Информация, которой оперируют компьютеры, называется данными, а территориально распределенные и соединенные линиями связи компьютеры, занимающиеся обработкой данных, в общем случае представляют собой распределенную систему обработки данных или сеть компьютеров. Линия связи – это либо телефонная линия, либо другая среда передачи данных: витая пара, волоконно-оптическая линия связи, коаксиальный кабель, радиолиния и т.п. Совокупность различных линий связи и каналообразующей аппаратуры представляется как телекоммуникационная среда, обеспечивающая удаленное взаимодействие компьютеров.

Курс лекций по дисциплине «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» разработан в соответствии с государственным образовательным стандартом для студентов специальности 080801 – «Прикладная информатика (по областям)».

Влекциях описаны принципы построения, архитектура, функциональная

иструктурная организация, основные устройства и звенья вычислительных машин, систем и телекоммуникационных вычислительных сетей.

Рассматривается их программное обеспечение, функционирование, эффективность и перспективы развития. Принципиальные положения иллюстрируются примерами аппаратной реализации фирм IBM, Intel, AMD и др., а также механизмами наиболее распространенных ОС: Windows, UNIX, NetWare и др.

Лекции содержат современный материал по многоядерным микропроцессорам, флэш-дискам и кэш-памяти.

В лекциях в простой, сжатой и доходчивой форме изложены основные теоретические материалы по дисциплине, поэтому курс лекций является одним из основных учебных пособий по изучению теоретическо го материала.

На лабораторных занятиях предлагается получить навыки исследования компьютерных систем счисления и выполнения арифметических операций в специальных кодах, синтеза комбинационных схем (дешифраторов, шифраторов, компараторов, различных сумматоров), а

8

также синтеза схем с памятью (триггеров, регистров, счѐтчиков). Комбинационные схемы и схемы с памятью являются основными узлами, из которых состоят вычислительные машины и системы, вычислительные сети и системы телекоммуникаций.

Лабораторные работы посвящены также расчѐтам времени передачи фиксированного объема информации в телекоммуникационных системах с различными самосинхронизирующими кодами и времени полного цикла опроса/выбора в спутниковой сети, исследованиям режимов работы компьютеров и методов неразрушающего сжатия информации, помехоустойчивому кодированию с помощью корректирующего кода Хэмминга и расчѐтам ѐмкости оперативной и дисковой памяти.

Все лабораторные работы содержат контрольные вопросы, на которые необходимо ответить студенту для получения зачѐта по каждой лабораторной работе.