Вычислительные машины, сети и телекоммуникац. системы_ Пятибратов А.П. и др_УМК_ЕАОИ, 2009 -292с

Международный консорциум «Электронный университет»

Московский государственный университет экономики, статистики и информатики

Евразийский открытый институт

А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы

Учебно-методический комплекс под редакцией профессора Пятибратова А.П.

Москва, 2009

УДК 004

ББК 32.973.202 П 994

Авторы:

Пятибратов Александр Петрович, доктор технических наук, профессор Гудыно Лев Петрович, кандидат технических наук, доцент

Кириченко Александр Аполлонович, кандидат технических наук, профессор.

Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А.

П 994 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СЕТИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ: Учебно-методический комплекс. – М.: Изд. центр ЕАОИ. 2009. – 292 с.

ISBN 978-5-374-00108-2

Излагаются принципы построения, архитектура, функциональная и структурная организация, основные устройства и звенья вычислительных машин, сетей и телекомму- никационных систем. Рассматриваются их программное обеспечение, функционирова- ние и перспективы развития.

Пособие предназначено для студентов и слушателей всех форм обучения с исполь- зованием дистанционных образовательных технологий, а также для преподавателей высших и средних специальных учебных заведений.

Основная цель настоящего учебно-практического пособия – познакомить студентов и специалистов, профессиональная деятельность которых связана с применением ЭВМ и компьютерных сетей, с широким кругом вопросов, касающихся принципов построения и организации функционирования компьютеров, вычислительных сетей и телекоммуни- кационных систем, технологии передачи и обработки информации.

УДК 004

ББК 32.973.202

ISBN 978-5-374-00108-2	© Пятибратов Александр Петрович, 2008
	© Гудыно Лев Петрович, 2008
	© Кириченко Александр Аполлонович, 2008
	© Оформление. Евразийский открытый институт, 2008

Содержание
Введение............................................................................................................................................	4
Тема 1. Принципы построения компьютера ........................................................................	8
1.1. История и тенденции развития вычислительной техники.....................................	8
1.2. Основные характеристики и классификация компьютеров...................................	14
1.3. Принципы построения компьютера.............................................................................	20
1.4. Структурные схемы и взаимодействие устройств компьютера.............................	22
1.5. Кодирование информации.............................................................................................	29
1.6. Вычислительные системы................................................................................................	36
1.6.1. Классификация вычислительных систем..........................................................	36
1.6.2. Архитектура вычислительных систем................................................................	40
1.6.3. Типовые структуры вычислительных систем...................................................	42
1.6.4. Кластеры.....................................................................................................................	47
1.7. Перспективы развития компьютеров............................................................................	50
1.7.1. Альтернативные пути развития элементной базы.........................................	52
Тест ...............................................................................................................................................	54
Тренировочные задания к разделу 1....................................................................................	55
Тема 2. Функциональная и структурная организация ЭВМ ...........................................	56
2.1. Организационное функционирование ЭВМ смагистральной архитектурой........	56
2.2. Организационные работы ЭВМ при выполнении задания пользователя..........	58
2.3. Центральное устройство ЭВМ........................................................................................	60
2.3.1. Состав, устройство и принцип действия основной памяти..........................	60
2.3.2. Центральный процессор ЭВМ..............................................................................	64
2.3.3. Система визуального отображения информации (видеосистемы).............	71
2.4. Периферийные устройства ЭВМ...................................................................................	78
2.4.1. Клавиатура.................................................................................................................	78
2.4.2. Принтеры...................................................................................................................	80
2.4.3. Мультимедийные устройства ввода-вывода.....................................................	82
2.5. Внешние запоминающие устройства (ВЗУ).................................................................	89
2.5.1. Внешние запоминающие устройства (ЗУ) на гибких магнитных дисках.......	89
2.5.2. Накопитель на жестком магнитном диске ........................................................	93
2.5.3. Стример......................................................................................................................	95
2.5.4. Оптические запоминающие устройства ............................................................	96
2.6. Система прерываний ЭВМ...............................................................................................	99
2.7. Инструментальные средства контроля и диагностики ЭВМ..................................	102
Тест................................................................................................................................................	103
Тренировочные задания к разделу 2....................................................................................	103
Тема 3. Программное обеспечение ..........................................................................................	104
3.1. Структура программного обеспечения компьютера................................................	104
3.2. Операционные системы ...................................................................................................	107
3.3. Системы автоматизации программирования.............................................................	113
3.4. Пакеты программ...............................................................................................................	116
3.5. Режимы работы ЭВМ.........................................................................................................	119
Тест................................................................................................................................................	125
Тренировочные задания к разделу 3....................................................................................	127

Тема 4. Характеристика компьютерных сетей .....................................................................		128
4.1. Основные сведения о компьютерных сетях (КС) .......................................................		128
4.2. Эталонная модель взаимодействия открытых систем..............................................		141
4.3. Управление доступом к передающей среде................................................................		141
4.4. Информационная безопасность в компьютерных сетях..........................................		150
4.5. Типы сетевой связи и тенденции их развития............................................................		155
4.6. Линии связи и их характеристики.................................................................................		157
4.7. Передача дискретных данных на канальном уровне...............................................		163
4.8. Передача дискретных данных на неканальном уровне...........................................		170
4.9. Обеспечение достоверности передачи информации...............................................		172
4.10. Маршрутизация пакетов в сетях.................................................................................		176
4.11. Способы коммутации в ТКС........................................................................................		179
4.12. Сети и технологии Х.25 и Frame Relay.......................................................................		184
4.13. Сети и технологии ISDN и SDH ..................................................................................		189
4.14. Сети и технологии АТМ................................................................................................		192
4.15. Спутниковые сети связи................................................................................................		195
Тест	................................................................................................................................................	197
Тренировочные задания к разделу 4....................................................................................		199
Тема 5. Компьютерные ...........................................................сети и сетевые технологии		200
5.1. .........................................................................	Характеристика и особенности ЛКС	200
5.2. ..............................................................	Протоколы и технологии локальных сетей	204
5.3. .............................	Сетевое коммуникационное оборудование локальных сетей	212
5.4. .......................................	Программное обеспечение и функционирование ЛКС	218
5.5. .......................................................	Принципы построения , функции и типы ГКС	225
5.6. ...........................................................	Сеть Internet. Семейство протоколов ТСР /IP	231
5.7. .....................................................................................................	Адресация в ТР - сетях	237
5.8. .............................................................................	Прикладные сервисы сети Internet	241
5.9. .............................................	Клиентское программное обеспечение сети Internet	249
5.10. Функции, характеристики и типовая структура корпоративных
.......................................................................................	компьютерных сетей ( ККС )	252
5.11. .................................................................................Программное обеспечение ККС		259
5.12. ..........................................................................................Сетевое оборудование ККС		263
5.13. ...........................................Развитие компьютерных сетей и телекоммуникаций		267
............................................................	5.13.1 Пути развития компьютерных сетей	267
...............................	5.13.2. Перспективы развития телекоммуникаций в России	270
Тест................................................................................................................................................		275
Тренировочные ....................................................................................задания к разделу 5		276
Заключение......................................................................................................................................		277
Решения ...........................................................................................тренировочных заданий		279
Вопросы .............................................................................................................для повторения		283
Вопросы .......................................................................................................................к экзамену		284
Толковый ..........................................................................................................................словарь		286
Список .......................................................................................рекомендуемой литературы		290

4

Введение

Введение

Электронные вычислительные машины (ЭВМ), или компьютеры (от англ. compute

– вычислять, подсчитывать), – одно из самых удивительных творений человека. Простейшие устройства для облегчения счета появились в глубокой древности, не-

сколько тысячелетий назад. По мере развития человеческой цивилизации они медленно эволюционировали, непрерывно совершенствуясь. Однако только в 40-е годы XX столетия было положено начало созданию вычислительных машин современной архитектуры и с со- временной логикой – современных электронных вычислительных машин. За исторически очень короткий срок компьютеры – благодаря огромным успехам электроники – проделали такой путь в своем техническом совершенствовании, масштабах применения и влияния на человеческое общество, с каким не сравнится никакое другое изобретение человечества, включая атомную энергию и космическую технику. Да и последние не могли бы получить столь мощного развития безиспользования достижений вычислительной техники.

Кратко характеризуя темпы развития вычислительной техники, можно сослаться на образное сравнение в журнале «Сайнтифик Америкэн» (декабрь 1982 г.): «Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как и про- мышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолет «Боинг-767» стоил бы 500 долларов, совершал бы облет земного шара за 20 минут, затрачивая при этом 5 галло- нов (примерно 20 литров) топлива». Приведенные цифры весьма ярко отражают относи- тельное снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ.

Компьютер в первую очередь является машиной – не существующим в природе, а созданным человеком объектом, предназначенным для умножения природных возмож- ностей человека. В отличие от инструментов, приспособлений и механизмов компьютер, как и любая машина, не использует для своего функционирования физическую силу (энергию) человека. При работе слюбой машиной человеквыполняет только функцию управления.

Компьютер является особенной – вычислительной, информационной машиной, усиливающей не физические возможности человека, а его способность к вычислениям, накоплению и обработке информации, выполняющей разного рода вычисления или об- легчающей этот процесс.

Основные функциональные элементы компьютера построены с помощью элек- тронных приборов, с использованием современной наиболее развитой технологии обра- ботки сигналов, на базе применения достижений электроники. Возможно построение вычислительных машин на другой материальной базе: история знает механические, на- ши современники – оптические, а футурологи предсказывают появление биологических вычислительных машин.

По способу представления информации вычислительные машины разделяют на три группы:

•аналоговые вычислительные машины (АВМ), в которых информация представле- на в виде непрерывно изменяющихся переменных, выраженных какими-либо фи- зическими величинами;

•цифровые вычислительные машины (ЦВМ), в которых информация представлена в виде дискретных значений переменных (чисел), выраженных комбинацией дис- кретных значений какой-либо физической величины (цифр);

•гибридные вычислительные машины, в которых используются оба способа пред- ставления информации.

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. Основным дос-

тоинством ЦВМ, определившим их широкое распространение и преобладание среди всех ЭВМ, является то, что точность получаемых с их помощью результатов вычислений не

5

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы

зависит от точности, с которой они сами (т.е. ЦВМ) изготовлены, в отличие от АВМ. Этим объясняется и тот факт, что первое известное аналоговое вычислительное устройство – логарифмическая линейка – появилось лишь в XVII в., тогда как самыми древними циф- ровыми средствами для облегчения вычислений были человеческая рука и подручные предметы – камешки, палочки, косточки и т.п.: «Цифровое» приспособление для счета – абак – был известен уже древним египтянам.

Понятие «вычислительная система» (ВС) появилось позже понятия «вычислитель- ная машина» и является более общим, т. к. в структуре ВС есть нескольких равноправных и взаимодействующих обрабатывающих устройств. Таким образом, классическая вычис- лительная машина представляет собой всего лишь один из возможных видов ВС – одно- процессорную ВС.

ВС – это комплекс технических средств, имеющих общее управление, пред- назначенный для преобразования информации и обеспечивающий автома- тическую обработку данных по заданной программе.

Определение

Важную роль в развитии вычислительной техники, средств обработки информа- ции и управляющих устройств, являющихся основой автоматизации в различных сферах человеческой деятельности, сыграло появление микропроцессоров. Неослабевающий ин- терес к микропроцессорам объясняется такими их свойствами, как низкая стоимость, вы- сокая надежность, компактность и значительные вычислительные и функциональные возможности, позволяющие применять их даже там, где использование средств цифровой обработки информации ранее считалось нецелесообразным.

В любой стране достижение высоких экономических и социальных результатов в значительной степени зависит от масштабов и темпов информатизации общества, ис- пользования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности.

Информатизацию можно рассматривать как процесс преобразования про- изводственно-хозяйственных, научных и социально-бытовых структур путем производства информации, необходимой для выработки и реализации ре- шений, направленных на достижение качественно новых результатов дея-

Определение тельности человека, на базе внедрения и использования средств вычисли- тельной техники, связи и информационных технологий.

Несмотря на различие процессов информатизации в различных областях челове- ческой деятельности, ее объединяют три составляющие: единство основных средств про- изводства (средства вычислительной техники и информации), единство сырья (данные, подлежащие анализу и обработке), единство выпускаемой продукции (информация, ис- пользуемая для управления и совершенствования деятельности человека).

Инфраструктура информатизации включает системы коммуникаций, вы- числительных машин и сетей, программное обеспечение этих систем; ин- формационные средства; систему подготовки кадров для эксплуатации ап- паратного, программного и информационного обеспечения; экономические и правовые механизмы, обеспечивающие эффективное развитие процесса информатизации.

Ключевая роль в современной инфраструктуре информатизации принадлежит системам телекоммуникаций и компьютерным сетям, в которых сосредоточены новей-

6

Введение

шие средства вычислительной техники, информатики, связи, а также самые прогрессив- ные информационные технологии. Именно они обеспечивают пользователям широкий набор информационно-вычислительных услуг с доступом к локальным и удаленным машинным ресурсам, технологиям и базам данных.

По мере развития сетей с начала 70-х годов расширяется перечень предоставляе- мых ими услуг и повышается их уровень.

7

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы

ТЕМА 1.

Принципы построения компьютера

1.1. История и тенденции развития вычислительной техники

Первые электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились немногим более 50 лет назад. За это время микроэлектроника, вычислительная техника и вся индустрия информатики стали одними из основных составляющих мирового научно-технического прогресса. Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека про- должает расширяться. В настоящее время ЭВМ используются не только для выполнения сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании, здравоохранении, экологии и т.д. Это объясняется тем, что ЭВМ способны обрабатывать любые виды информации: числовую, текстовую, табличную, графическую, звуковую, видеоинформацию.

Первая электронная вычислительная машина ENIAC была построена в 1946 г. в рамках одного научно-исследовательского проекта, финансируемого министерством обороны США. Годом ранее Дж. фон Нейман издал статью, в которой были изложены основные принципы построения компьютеров. В основу проекта был положен макет вы- числителя, разработанный американцем болгарского происхождения Дж. Атанасовым, занимавшимся крупномасштабными вычислениями. В осуществлении проекта принима- ли активное участие такие крупные ученые, как К. Шеннон, Н. Виннер, Дж. фон Нейман и др. С этого момента началась эра вычислительной техники. С отставанием в 10-15 лет стала развиваться и отечественная вычислительная техника.

Математические основы автоматических вычислений к этому времени были уже разработаны (Г. Лейбниц, Дж. Буль, A.Тьюринг и др.), но появление компьютеров стало возможным только благодаря развитию электронной техники. Многократные попытки создания разного рода автоматических вычислительных устройств (от простейших счет до механических и электромеханических вычислителей) не позволяли построить надеж- ные и экономически эффективные машины.

Появление электронных схем сделало возможным построение электронных вы- числительных машин.

Электронная вычислительная машина, или компьютер – это комплекс аппа-

ратных и программных средств, предназначенный для автоматизации под- готовки и решения задач пользователей (рис. 1).

Определение

8

Принципы построения компьютера

Рис. 1. Состав ЭВМ (компьютера)

ЭВМ (компьютер)

Аппаратные средства		Программные средства

Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обра- ботка данных. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных ра- бот, программисты, операторы. Как правило, время подготовки задач во много раз пре- вышает время их решения.

Компьютеры являются универсальными техническими средствами автоматизации вычислительных работ, то есть они способны решать любые задачи, связанные с преобра- зованием информации. Однако подготовка задач к решению на ЭВМ была и остается до настоящего времени достаточно трудоемким процессом, требующим от пользователей во многих случаях специальных знаний и навыков.

Для снижения трудоемкости подготовки задач к решению, более эффективного использования отдельных технических, программных средств и ЭВМ в целом, а также об- легчения их эксплуатации каждая ЭВМ имеет специальный комплекс программных средств. Обычно аппаратные и программные средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

Структура представляет собой совокупность элементов и их связей. В зависимости от контекста различают структуры технических, программных, аппаратно-программных и информационных средств.

Часть программных средств обеспечивает взаимодействие пользователей с ЭВМ и является своеобразным «посредником» между ними. Она получила название операционная система и является ядром программного обеспече- ния ЭВМ.

Определение

Под программным обеспечением будем понимать комплекс программных средств регулярного применения, предназначенный для создания необходимого сервиса для работы пользователей.

Программное обеспечение (ПО) отдельных ЭВМ и вычислительных систем (ВС) может сильно различаться составом используемых программ, который определяется классом используемой вычислительной техники, режимами ее применения, содержанием вычислительных работ пользователей и т.п. Развитие ПО современных ЭВМ и ВС в зна- чительной степени носит эволюционный и эмпирический характер, но можно выделить закономерности в его построении.

Рассмотрим основные вехи и тенденции развития компьютеров, их аппаратных и программных средств (табл. 1).

9

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы

Таблица 1

Автоматизация подготовки и решения задач на ЭВМ

Поко-			Этапы подготовки и решения задач
	Постановка	Выбор		Программи-	Организац.	Получение	Решение за-
ления	задачи	алгоритма		рование на	вычислит.	машин.	дачи
ЭВМ				Вх языке	процесса	программы
I	П О	Л Ь З		О В А	Т Е	Л Ь	Аппаратура
II	П О Л	Ь З О		В А Т	Е Л Ь	Прог.	Аппаратура
						средства
III	П О Л Ь	З О В А Т		Е Л Ь		Програм.	Аппаратура
						обеспечен.
IV	П О Л Ь	З О В А Т		Е Л Ь	Прогр	аммное	Аппаратура
					обеспечен	ие
V	ПОЛЬЗО	ВАТЕЛЬ		Про	граммное		Аппаратура
				обеспе	чение
VI

В общем случае процесс подготовки и решения задач на ЭВМ предусматривает обязательное выполнение следующей последовательности этапов:

1)формулировка проблемы и математическая постановка задачи;

2)выбор метода и разработка алгоритма решения;

3)программирование (запись алгоритма) с использованием некоторого алгоритми- ческого языка;

4)планирование и организация вычислительного процесса – порядка и последова- тельности использование ресурсов ЭВМ и ВС;

5)формирование «машинной программы», то есть программы, которую непосредст- венно будет выполнять ЭВМ;

6)собственно решение задачи – выполнение вычислений по готовой программе.

По мере развития вычислительной техники автоматизация этих этапов идет снизу

вверх.

На пути развития электронной вычислительной техники можно выделить четыре по- коления ЭВМ, отличающихся элементной базой, функционально-логической организацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристиками, степенью доступа к ЭВМ со стороны пользователей. Смене поколений сопутствовало изменение основных технико-эксплуатационных и технико- экономических показателей ЭВМ и в первую очередь таких, как быстродействие, емкость па- мяти, надежность и стоимость. При этом одной из основных тенденций развития было и оста- ется стремление уменьшить трудоемкость подготовки программ решаемых задач, облегчить связь операторов с машинами, повысить эффективность использования последних. Это дик- товалось и диктуется постоянным ростом сложности и трудоемкости задач, решение которых возлагаетсянаЭВМвразличныхсферахприменения.

Возможности улучшения технико-эксплуатационных показателей ЭВМ в значи- тельной степени зависят от элементов, используемых для построения их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение в первую оче- редь, как правило, характеризуется используемой элементной базой.

Основным активным элементом компьютеров первого поколения являлась элек- тронная лампа, остальные компоненты электронной аппаратуры – это обычные резисто- ры, конденсаторы, трансформаторы. Для построения оперативной памяти уже с середи-

10