Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения специальности 351400 «Прикладная информатика ( в сфере сервиса )»
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие Ростов-на-Дону 2003 Печатается по решению кафедры экономической информатики, 494.94kb.
- Пособие предназначено для студентов специальности «Прикладная информатика (в экономике)», 1911.82kb.
- Практикум для студентов очной и заочной форм обучения по специальностям 080801., 2139.66kb.
- Учебное пособие для студентов очной, очно-заочной и заочной форм обучения (дистанционное, 929.04kb.
- С. В. Чувиков Метрология и сертификация программного обеспечения Учебное пособие, 1298.56kb.
- Учебное пособие для студентов заочной формы обучения Санкт-Петербург, 1247.83kb.
- Учебное пособие канд экон наук, доцент кафедры управления О. А. Соловьева Троицк 2008, 2909.51kb.
- Учебно-методический комплекс для студентов заочного обучения специальности Прикладная, 81.9kb.
- Учебное пособие 28365942 Москва 2008 ббк 66., 2986.28kb.
- Лекции по нейроанатомии учебное пособие Для студентов очной и заочной форм обучения, 1482.86kb.
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).
- Общие сведения о структурной организации, классификации, хронологии разработки
и основных характеристиках вычислительных машин и систем
1.1. Теоретические и технические предпосылки разработки электронных вычислительных устройств
Предшественниками вычислительных машин были механические и электромеханические счетные устройства. Одним из первых прототипов механической счетной машины была суммирующая машина, сконструированная знаменитым французским ученым Блезом Паскалем в 1642 году. В этой машине, состоящей из движущихся дисков с прорезями, при суммировании чисел использовалась десятичная система исчисления. Известны и более ранние описания и чертежи подобных суммирующих машин. В 1673 году выдающийся немецкий математик и философ Готфрид Лейбниц усовершенствовал машину Паскаля, что позволило перемножать и делить числа. Существенным достижением стала разработка петербургским инженером Вильгодтом Однером в 1874 году так называемого механического «арифмометра», который мог производить четыре основных арифметических действия. Конструкция «арифмометров» неоднократно совершенствовалась, и эта механическая счетная машина достаточно эффективно использовалась для широкого круга практических расчетов вплоть до 70-х годов XX века.
Одной из первых технических предпосылок современных автоматически работающих вычислительных машин следует считать идею английского математика Чарльза Бэббиджа, который в 1822 году предложил проект машины для решения дифференциальных уравнений. Для повторения операций в ходе вычислений в машине Бэббиджа использовалась энергия пара, таким образом, процесс работы был автоматизирован и проходил без участия человека. В дальнейшем Бэббиджом была предложена модель так называемой «аналитической машины», которая имела много основных черт современных вычислительных машин. Эта машина включала устройство ввода информации, блок управления, запоминающее устройство и устройство вывода результатов. Аналитическая машина Бэббиджа могла выполнять набор инструкций, который был записан на «перфокартах» – прямоугольных картонных карточках с определенным набором отверстий, соответствующих выполняемой инструкции.
Практическая реализация и дальнейшее развитие идей Бэббиджа были осуществлены американским изобретателем Германом Холлеритом. В 1890 году им было сконструировано электрическое перфокарточное устройство для решения статистических задач. На перфокартах кроме инструкций хранились также данные. Вычислительная машина Холлерита была для своего времени весьма производительным устройством обработки информации. В 1896 году ее автор основал корпорацию по производству подобных электромеханических вычислительных устройств, которая после ряда преобразований превратилась в 1924 году во всемирно известную и процветающую до сих пор корпорацию по производству компьютеров IBM (International Business Machines).
Наряду с механическими и электромеханическими вычислительными машинами получило развитие направление так называемых аналоговых вычислительных машин, в которых обработка информации происходит с помощью специально подобранного физического процесса, моделирующего вычисляемую закономерность. В аналоговых вычислительных машинах обрабатываемая информация представляется в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины: электрического тока, напряжения, угла поворота механизма и т. п. Простейшей аналоговой вычислительной машиной являются механические часы. Первыми аналоговыми машинами были устройства, в которых главными элементами являлись интегрирующие и дифференцирующие устройства, позволяющие практически мгновенно вычислять интеграл и производную заданной функции, отслеживая ее изменение во времени. На аналоговых машинах эффективно решаются математические задачи, содержащие несложные дифференциальные уравнения. Однако точность вычислений на этих машинах относительно низкая (с погрешностью до 1–2%), а повышение точности связано со значительным ростом стоимости вычислений. Кроме того, круг задач, которые может решать аналоговая машина, строго ограничен рамками тех физических процессов, которые она в состоянии моделировать. В настоящее время аналоговые машины обычно используются в узко специальных целях для управления сложными техническими объектами и при проведении научно-исследовательских работ, а по своему назначению могут быть отнесены к специализированному классу приборов вычислительной техники, и далее нами рассматриваться не будут.
Наибольшее распространение в науке, технике и экономике получили цифровые вычислительные машины с электрическим представлением дискретной (прерывной во времени) информации, которые получили наименование ЭЦВМ (электронная цифровая вычислительная машина) или просто ЭВМ без упоминания об их цифровом характере. В последнее время для обозначения ЭВМ чаще применяется укороченная аббревиатура ВМ (см. Введение), которую мы и будем использовать в дальнейшем изложении.
Основополагающей теоретической предпосылкой для создания вычислительных машин в их современном представлении стала работа английского математика Алана Тьюринга, который в 1936 году заложил основы теории алгоритмов. Публикация Тьюринга стимулировала возникновение абстрактной теории автоматов и во многом определила ее особенности. В своей работе Тьюринг описал абстрактную вычислительную машину, которая получила название машины Тьюринга. Машина Тьюринга представляет собой автоматическое устройство, способное находится в конечном числе внутренних состояний и снабженное бесконечной внешней памятью – лентой. Среди состояний выделяются два: начальное и конечное. Лента разделена на клетки. В каждую клетку может быть записана любая из букв некоторого алфавита. В каждый момент времени машина Тьюринга находится в одном из своих состояний и, рассматривая одну из клеток ленты, воспринимает записанный в ней символ. В неконечном состоянии машина Тьюринга совершает шаг, который определяется ее текущим состоянием и символом на ленте, воспринимаемым в данный момент. Перечисление всех возможных шагов машины Тьюринга называется программой данной машины. Конфигурация машины Тьюринга определяется конкретным заполнением клеток ленты символами и внутренним состоянием, в котором машина находится. Если зафиксировать какую-либо неконечную конфигурацию машины в качестве исходной, то работа машины будет заключаться в последовательном преобразовании исходной конфигурации в соответствии с программой машины до тех пор, пока не будет достигнуто конечное состояние. Хотя Тьюринг не преследовал цели изобретения вычислительной машины, описанные им абстрактные принципы определили ряд особенностей конструктивного исполнения и функционирования современных вычислительных машин. Например, бесконечная лента Тьюринга является явным аналогом оперативной памяти вычислительной машины.
В 1938 году немецкий инженер К. Цузе построил электромеханический цифровой программируемый вычислитель, названный автором Z1. В последнее время именно Z1 называют первым в мире компьютером.
В 1940 году американские инженеры Дж. Атанасов и К. Берри разработали модель полностью электронного вычислительного устройства, в математическую основу функционирования которого были заложены двоичная система исчисления Готфрида Лейбница и символическая логика английского математика XIX века Джорджа Буля (так называемая «Булева алгебра»). Атанасов и Берри применили эти концепции для электронных устройств, в качестве памяти была впервые использована модель Тьюринга.
С 1940 по 1946 год было разработано несколько конструкций работающих и используемых для различных практических целей вычислительных устройств. В основном это были специализированные аппараты, работающие главным образом на принципах электромеханического реле.
Чаще всего годом появления первой электронной вычислительной машины считается 1946 год, когда американцами Джоном Мочли и Преспером Эккертом была сконструирована цифровая машина ENIAC (Electronic Numeral Integrator and Computer – «электронный цифровой сумматор и вычислитель), работающая на электронных вакуумных лампах. Эта машина во многом была прообразом современных универсальных вычислительных машин.
Огромный вклад в теорию и практику создания ВМ на начальном этапе их развития внес выдающийся американский математик Джон фон Нейман, участвовавший в разработке ENIAC и опубликовавший в 1945 году отчет, в котором были изложены основные принципы построения ВМ, ставшие классическими. Совокупность знаменитых «принципов фон Неймана» породило классическую архитектуру ВМ. В нашей стране в 1947–1948 годах советским ученым С. А. Лебедевым независимо от фон Неймана были сформулированы более детальные и полные принципы построения электронных цифровых вычислительных машин, которые были применены при создании первых отечественных разработок ВМ (см. подраздел 1.3). Однако в силу засекреченности проводимых в СССР в то время работ, связанных с оборонной тематикой, соответствующих публикаций в открытой печати не последовало.
1.2. Структурная организация
и классификация вычислительных машин и систем
Под архитектурой ВМ будем понимать совокупность ее основных функциональных блоков и схем их взаимодействия, определяющих функционально-логическую и структурную организацию вычислительной машины. Понятие архитектуры охватывает наиболее существенные принципы построения и функционирования ВМ. Фундаментальные основы структурной организации ВМ базируются на классических принципах, ключевой идеей которых является хранение в памяти вычислительной машины исполняемой ею программы.
Сущность так называемой «фон-неймановской» концепции вычислительной машины может быть сведена к четырем принципам: двоичного кодирования, программного управления, однородности памяти, адресности.
Согласно принципу двоичного кодирования, вся информация (как данные, так и команды) кодируются двоичными цифрами 0 и 1. Каждый тип информации представляется двоичной последовательностью и имеет свой формат. Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. В числовой информации обычно выделяют поле знака и поле значащих разрядов. В формате команды можно выделить поле кода операции и поле адресов (адресную часть). Код операции представляет собой указание, какая операция должна быть выполнена, и задается с помощью двоичной комбинации. Вид адресной части и число составляющих ее адресов зависят от типа команды: в командах преобразования данных адресная часть содержит адреса объектов обработки (операндов) и результата; в командах изменения порядка вычислений – адрес следующей команды программы; в командах ввода/вывода – номер устройства ввода/вывода. Адресная часть также представляется двоичной последовательностью.
В соответствии с принципом программного управления все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов – команд. Каждая команда предписывает некоторую операцию из набора операций, реализуемых вычислительной машиной. Команды программы хранятся в последовательных ячейках памяти ВМ и выполняются в естественной последовательности, то есть в порядке их расположения в программе. При необходимости, с помощью специальных команд, эта последовательность может быть изменена. Решение об изменении порядка выполнения команд принимается либо на основании анализа результатов предшествующих вычислений, либо безусловно.
Согласно