Архитектура ЭВМ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ ОШСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УЗГЕНСКИЙ КОЛЛЕДЖ ТЕХНОЛОГИИ И ОБРАЗОВАНИЯ

ИМЕНИ АКАДЕМИКА Б.МУРЗУБРАИМОВА

Кафедра «ЕСТЕСТВЕННО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДИСЦИПЛИНЫ»

ПРОГРАММА ОБУЧЕНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

– SYLLABUS для студентов

По дисциплине: «Архитектура ЭВМ»

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Специальность: «230109 Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем»

г. Узген

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ ОШСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УЗГЕНСКИЙ КОЛЛЕДЖ ТЕХНОЛОГИИ И ОБРАЗОВАНИЯ

ИМЕНИ АКАДЕМИКА Б.МУРЗУБРАИМОВА

Кафедра «ЕСТЕСТВЕННО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДИСЦИПЛИНЫ»

Утверждаю Одобрено

заместитель директора по учебной работе на заседании учебно-методического

______________________ совета колледжа, протокол №_____

«____» ____________ 202_г. «_____» _________ 202_г.

Учебно-методический комплекс

по дисциплине «Архитектура ЭВМ»

форма обучения – очная

Распределение объема учебной нагрузки по учебному плану:

Специальность	Сем.	Кр.час	Всего	Ауд	Лек.	Прак.	КР	СРС	Экз.	Зач.
230109 Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем	3				24	36

Рассмотрено на заседании кафедры, протокол № ____ ______________20____г.

Зав.кафедрой _____________________ Абдуллаева Р.А

Разработала:______________________преп. Калчаева З.И.

г. Узген

Раздел 1. Общие положения.

Аннотация дисциплины: рассмотрены базовые вопросы организации ЭВМ: функциональная организация ЭВМ, системы команд и командный цикл. Большое внимание уделено арифметическим основам ЭВМ, принципам построения различных устройств и их взаимодействию. Обсуждаются вопросы построения микропроцессорных систем.

1.1.Цель преподавания дисциплины:

Основной целью дисциплины «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем» для специализации 230110 «Программное обеспечение вычислительной техники и компьютерных сетей» является ознакомление учащихся с основами построения современных электронных вычислительных машин (ЭВМ), принципами работы их составных частей и взаимодействия между ними.

1.2. Задачи преподавания дисциплины:

В задачи дисциплины «Архитектура ЭВМ и вычислительных систем» для специализации «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» входят:

• Ознакомить учащихся с принципами построения ЭВМ;

• Ознакомить учащихся с принципами организации вычислительных систем;

• Ознакомить учащихся со способами представления и обработки данных в ЭВМ.

В результате освоения учебной дисциплины студент должен

уметь:

• определять оптимальную конфигурацию оборудования и характеристик устройств для конкретных задач;

• идентифицировать основные узлы персонального компьютера, разъёмы для подключения внешних устройств;

• обеспечивать совместимость аппаратных и программных средств вычислительной техники.

знать:

• построение цифровых вычислительных систем и их архитектурные особенности;

• принципы работы основных логических блоков системы;

• параллелизм и конвейеризацию вычислений;

• классификацию вычислительных платформ;

• принципы вычислений в многопроцессорных и многоядерных системах;

• принципы работы кэш-памяти;

• методы повышения производительности многопроцессорных и многоядерных систем;

• основные энергосберегающие технологии.

В результате освоения учебной дисциплины студент должен овладевать: Общими компетенциями:

ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Организовывать собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 3. Решать проблемы, оценивать риски и принимать решения в нестандартных ситуациях.

ОК 4. Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии для совершенствования профессиональной деятельности.

ОК 6. Работать в коллективе и в команде, обеспечивать её сплочение, эффективно обращаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Ставить цели, мотивировать деятельность подчинённых, организовывать и контролировать их работу с принятием на себя ответственности за результат выполнения заданий.

ОК 8. Ставить цели, мотивировать деятельность подчинённых, организовывать и контролировать их работу с принятием на себя ответственности за результат выполнения заданий

ОК 9. Быть готовым к смене технологий в профессиональной деятельности

ПК 1.2. Обрабатывать динамический информационный контент

ПК 1.3. Осуществлять подготовку оборудования к работе

ПК 1.4. Настраивать и работать с отраслевым оборудованием обработки информационного контента.

ПК 1.5. Контролировать работу компьютерных, периферийных устройств и

телекоммуникационных систем, обеспечивать их правильную эксплуатацию

ПК 3.3. Проводить обслуживание, тестовые проверки, настройку программного обеспечения отраслевой направленности.

ПК 4.1. Обеспечивать содержание проектных операций.

ПК 4.4. Определять ресурсы проектных операций.

Общая трудоемкость учебной дисциплины (при очной форме обучения)

составляет 84 часов:

- лекция –60;

- практика – 24.

Пререквизиты: информатика и программирование, объектно-ориентированное программирование.

Постреквизиты: интерфейсы информационных систем, разработка программных приложений, а также для прохождения учебной и производственной практики.

Методы изучения курса

Лекции;

Практические занятия;

Самостоятельная работа;

Тесты.

2. Система оценки знании студентов

Таблица 1

2.1 Распределение рейтинговых баллов по видам контроля

№ вариантов	Вид итогового контроля	Виды контроля	%
1.	Экзамен	Итоговый контроль	100
		Текущий контроль	100

Таблица 2

2.2. Оценка знаний студентов

Оценка	Буквенный эквивалент	Рейтинговый балл (в процентах %)	В баллах
Отлично	А	95-100	5
	А-	90-94	-5
Хорошо	В+	85-89	+4
	В	80-84	4
	В-	75-79	-4
Удовлетворительно	С+	70-74	+3
	С	65-69	3
	С-	60-64	-3
	D+	55-59	+2
	D	50-54	2
Неудовлетворительно	F	0-49	-2

Таблица 3

2.3. Тематический план курса

№	Наименование темы	Лекции
1	Начальные сведения об ЭВМ	2
2	Функциональная организация ЭВМ	2
3	Поколения ЭВМ. Классификация ЭВМ	2
4	Основные принципы функционирования компьютеров	2
5	Основные блоки ПК	2
6	Центральные(внутренние) устройства ПК	2
7	Программное обеспечение вычислительных систем.	4
8	Организация компьютерной сети	4
9	Инсталляция и настройка серверной операционной системы Windows Server	2
10	Сетевая безопасность	2
Итого:		24

2.4. Тематический план курса

№	Наименование темы	практика
1	Архитектура компьютера	4
2	«Изучить состав системного блока современного компьютера»	4
3	Структура современного компьютера	4
4	Основы языка ассемблера	4
5	Работа с операционными системами семейства GNU/Linux Структура каталогов в GNU/Linux	4
6	Инсталляция и настройка серверной операционной системы Windows Server	4
7	Сетевая безопасность	4
8	Монтаж материнской платы	4
9	Центральные и внешние кустройства	4
		36

Тестовые задания по дисциплине «Архитектура ЭВМ»

1. В каком году появилась первая ЭВМ?

а) 1823;

б) 1946;

в) 1951;

г) 1949.

2. Что из перечисленного не относится к программным средствам?

а) системное программирование;

б) драйвер;

в) процессор;

г) текстовые и графические редакторы.

3. Файлом называется:

а) набор данных для решения задачи;

б) поименованная область на диске или другом машинном носителе;

в) программа на языке программирования для решения задачи;

г) нет верного ответа.

4. Первоначальной смысл английского слова «компьютер»?

а) вид телескопа;

б) электронный аппарат;

в) электронно – лучевая трубка;

г) человек, производящий расчеты.

5. Кто является основоположником отечественной вычислительной техники?

а) С.А Лебедев;

б) М.В Ломоносов;

в) П.Л. Чебышев;

г) Н.И. Лобачевский.

6.Архитектура компьютера — это:

а) техническое описание деталей устройств компьютера;

б) Техническое описание деталей устройств для ввода или вывода информации;

в) описание программного обеспечения для работы компьютера;

г) описание устройства и принципов работы компьютера, достаточное для понимания пользователя.

7. На какой электронной основе созданы машины первого поколения?

а) транзисторы;

б) электронно – вакуумные лампы;

в) зубчатые колесо;

г) реле.

8. Кто разработал основные принципы цифровых вычислительных машин?

а) Блез Паскаль;

б) Лейбниц;

в) Чарльз Беббидж;

г) Джон фон Нейман.

9. Какое поколение машин позволяет нескольким пользователям работать с одной ЭВМ?

а) Первое;

б) второе;

в) третье;

г) четвертое.

10. Для машин какого поколения требовалась специальность «оператор ЭВМ»?

а) Первое поколение;

б) второе поколение;

в) третье поколение;

г) четвертое поколение.

11. Функция периферийных устройств:

а) хранение информации;

б) обработка информации;

в) ввод и вывод информации;

г) управление работой компьютера по заданной программе.

12. В каком поколении машин появились первые операционные системы?

а) в первом;

б) в втором;

в) в третьем;

г) в четвертом.

13. Модем – это устройство для:

а) хранения информации;

б) обработки информации в данный момент времени;

в) передачи информации в данный момент времени;

г) вывода информации на печать.

14. Первым использовал двоичную систему исчисления:

а) Джон фон Нейман;

б) Блез Паскаль;

в) Лебедев;

г).Конрад Цузе.

15. Принтер может быть:

а) матричный; лазерный; струйный;

б) механический, кинескопный, плазменный, проекционный;

в) монофонический, стереофонический;

г) сенсорный, слайдер, ракушка.

16. В каком поколении появились микропроцессоры?

а) в первом;

б) в втором;

в) в третьем;

г) в четвертом.

17. Что такое компьютер:

а) универсальное устройство для записи и чтения информации;

б) электронное устройство для обработки информации;

в) универсальное, электронное устройство для хранения, обработки и передачи информации;

г) часовые устройство для обработки информации;

18. Во время исполнения прикладная программа хранится:

а) в видеопамяти;

б) в процессоре;

в) на жестком диске;

г) в ПЗУ.

19. Какое устройство обладает наибольшой скоростью обмена информацией?

а) CD – ROM дисковод.

б) жесткий диск;

в) дисковод для гибких дисков;

г) микро - схемы оперативной памяти.

20. Процессор обрабатывает информацию:

а) десятичной системе счисления;

б) в двоичном коде;

в) на языке Бейсик;

г) в текстовом виде.

21. Какое устройство в компьютере служит для обработки информации?

а) манипулятор “мышь”;

б) процессор;

в) клавиатура;

г) монитор.

22. Компьютер – это:

а) устройство для работы с текстами.

б) электронное вычислительное устройство для обработки чисел.

в) устройство для хранения информации любого вида.

г) много функциональнное электронное устройство для работы с информацией.

23. Для долговременного хранения информации служит:

а) оперативная память;

б) процессор;

в) внешний носитель;

г) дисковод.

24. Персональный компьютер не будет функционировать, если отключить:

а) диковод;

б) оперативную память;

в) мышь;

г) принтер.

25. По назначению регистры различаются…?

а) Аккумулятор, флаговые, общего назначения;

б) Индексные, указательные;

в) Сегментные, управляющие;

г) Все варианты верны

26. Для машин … поколения потребовалась специальность «оператор ЭВМ»:

а) первого

б) третьего

в) второго

г) четвертого

27. Мышь – это:

а) устройство вывода информации;

б) устройство ввода символьной информации;

в) устройство ввода манипуляторного типа;

г) устройство хранения информации.

28. Укажите понятие, характерное для струйного принтера:

а) низкое качество печати;

б) лазерный луч;

в) чернила;

г) печатающая головка со стержнями.

29. Во время исполнения программа находится:

а) в буфере обмена;

б) на клавиатуре;

в) в оперативной памяти;

г) на жестком диске.

30. Для переноса информации используют:

а) дискету;

б) оперативную память;

в) дисковод;

г) процессор.

31. Характерным свойством ОЗУ является:

а) энергозависимость;

б) энергонезависимость;

в) перезапись информации;

г) долговременное хранение информации.

32. В каком направлении от монитора вредные излучения максимальны?

а) от экрана вперед;

б) от экрана назад;

в) от экрана вниз;

г) от экрана вверх.

33. Наименьшая адресуемая часть оперативной памяти:

а) бит;

б) килобайт;

в) файл;

г) байт.

34. Первые ЭВМ были созданы в:

а) 40-е гг.;

б) 50-е гг.;

в) 70-е гг.;

г) 80-е гг.

35. Завершает ввод команды клавиша:

а) Shift;

б) Backspace;

в) пробел;

г) Enter.

36. Знаки препинания печатаются:

а) с клавишей Shift;

б) простым нажатием на клавишу;

в) с клавишей Alt;

г) с клавишей CTRL.

37. Укажите устройство компьютера, выполняющее обработку информации:

а) внешняя память;

б) монитор;

в) процессор;

г) клавиатура.

38. Назначение клавиши Backspace:

а) ввод команды;

б) удаление символа слева от курсора;

в) печать заглавных символов;

г) переход в начало страницы.

39. Общим свойством машины Беббиджа, современного компьютера и человеческого мозга является способность обрабатывать:

а) числовую информацию;

б) текстовую информацию;

в) звуковую информацию;

г) графическую информацию.

40. Сканер – это:

а) устройство обработки информации;

б) устройство хранения информации;

в) устройство ввода информации с бумаги;

г) устройство вывода информации на бумагу.

Основные источники

1. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем: учебник / Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: ФОРУМ: ИНФРАМ, 2018. - 511 с. - (Среднее профессиональное образование). http://znanium.com/catalog/product/944312

2. Электротехника с основами электроники: учеб. пособие / А.К. Славинский, И.С. Туревский. - М. : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2018. -448 с. - (Среднее профессиональное образование). http://znanium.com/catalog/product/944352

3. Разработка и макетирование микропроцессорных систем: Учебное пособие /Береснев А.Л., Береснев М.А. - Таганрог:Южный федеральный университет, 2016. - 106 с.: ISBN 978-5-9275-2168-5 http://znanium.com/catalog/product/994665

4. Архитектура ЭВМ и вычислительные системы: учебник / В.В. Степина. -

М.: КУРС: ИНФРА-М, 2018. - 384 с. - (Среднее профессиональное

образование). http://znanium.com/catalog/product/942816

II. Дополнительные источники

1. Проектирование цифровых устройств: учебник / А.В. Кистрин, Б.В. Костров, М.Б. Никифоров, Д.И. Устюков. - М.: КУРС: ИНФРА-М, 2018. - 352 с. - (Среднее проф. образование) http://znanium.com/catalog/product/952272

Тема 1. Начальные сведения об ЭВМ

1. История развития вычислительной техники.

2. Цифровые и аналоговые вычислительные машины.

3. Иерархическое описание ЭВМ

С тех пор как человечество осознало понятие количества, разрабатывались и применялись различные приспособления для отображения количественных эквивалентов и операций над величинами. Отбросив рассмотрение "доисторических" с точки зрения вычислительной техники средств (кучки камней, счеты и т. д.), рассмотрим кратко историю развития вычислительных машин.

Пожалуй, первой реально созданной машиной для выполнения арифметических действий в десятичной системе счисления можно считать счетную машину Паскаля. В 1642 г. Б. Паскаль продемонстрировал ее работу. Машина выполняла суммирование чисел (восьмиразрядных) с помощью колес, которые при добавлении единицы поворачивались на 36 и приводили в движение, следующее по старшинству колесо всякий раз, когда цифра 9 должна была перейти в значение 10. Машина Паскаля получила известность во многих странах, было изготовлено более 50 экземпляров машины.

Впрочем, еще до Паскаля машину, механически выполняющую арифметические операции, изобразил в эскизах Леонардо да Винчи (1452—1519). Суммирующая машина по его эскизам выполнена в наши дни и доказала свою работоспособность.

В средние века (расцвет механики) было предложено и выполнено много различных вариантов арифметических машин: Морлэнд (1625—1695), К. Перро (1613—1688), Якобсон, Чебышев и др. Первую машину, с помощью которой можно было не только складывать, но и умножать и делить, разработал Г. Лейбниц (1646—1716). Однако большинство подобных машин изготавливались авторами в единичных экземплярах. Удачное решение инженера В. Однера, разработавшего колесо с переменным числом зубьев, позволило почти век серийно выпускать арифмометры (например, "Феликс" Курского завода "Счетмаш"), являвшиеся основным средством вычислений вплоть до эпохи ПЭВМ и калькуляторов.

Все упомянутые выше механизмы обладали одной особенностью - могли автоматически выполнять только отдельные действия над числами, но не могли хранить промежуточные результаты и, следовательно, выполнять последовательность действий.

Первой вычислительной машиной, реализующей атематическое выполнение последовательности действий, можно считать разностную машину Ч. Беббеджа (1792—1871). В 1819 г. он изготовил ее для расчета астрономических и морских таблиц. Машина обеспечивала хранение необходимых промежуточных значений и выполнение последовательности сложений для получения значения функции. В дальнейшем Беббедж предложил так называемую аналитическую машину, предназначенную для решения любых вычислительных задач.

При желании в аналитической машине Беббеджа можно найти прообразы всех основных устройств современной ЭВМ: арифметическое устройство ("мельница"), память ("склад"), устройство управления (на перфокартах), позволяющее выбирать различные пути решения в зависимости от значений исходных данных и промежуточных результатов. Проект аналитической машины Беббеджа так и не был реализован - из-за несоответствия идеи и элементной базы.

Даже выпускаемые большими сериями электрические релейные машины Холлерита (1860—1929) - табуляторы - не произвели переворота в средствах обработки информации, хотя и широко использовались для обработки статистической информации вплоть до 70-х годов прошлого века.

Идеи аналитической машины Беббеджа были использованы в релейных машинах, выпускавшихся в 30-40-х годах XX века. Теоретической основой разработки релейно-контактных схем явился аппарат булевой алгебры, который в дальнейшем использовался для синтеза схем ЭВМ. Однако и электрические реле как элементная база вычислительной техники не удовлетворяли потребностям этой техники по всем основным параметрам (быстродействие, надежность, потребляемая мощность, стоимость, габариты и др.).

Все приведенные ранее факты относятся к истории так называемой цифровой вычислительной техники, в которой информация представлена в дискретной форме (в форме чисел, кодов, знаков). Однако большинство физических величин может принимать значение из непрерывного множества - континуума. Существуют вычислительные устройства, оперирующие непрерывной информацией (пример - логарифмическая линейка, где информация представлена отрезками длины). Существует и целый класс электронных вычислительных машин - так называемые аналоговые, информация в которых представляется непрерывными значениями электрического напряжения или тока. Принцип работы таких машин - в построении электрических цепей, процессы в которых описываются теми дифференциальными уравнениями, которые требуется решить.

За свою полувековую историю ЭВМ из единичных экземпляров инструментов ученых превратились в предмет массового потребления. Спектр применения ЭВМ в современном обществе чрезвычайно широк, причем именно область применения накладывает основной отпечаток на характеристики ЭВМ. Поэтому в большинстве подходов к классификации ЭВМ именно область применения является основным параметром классификации.

Наряду с упомянутыми классами ЭВМ широкого применения в всегда выкались машины, которые можно было считать специализированными. Это, во-первых, так называемые супер ЭВМ, выпускаемые в единичных экземплярах и предназначенные для решения задач, недоступных для серийной вычислительной техники. Для ряда применений создавались специализированные ЭВМ, архитектура и структура которых оптимизировалась под решение конкретной задачи. Ту же задачу можно было решить и на универсальной ЭВМ подходящего класса, но со значительно более низкими показателями качества. В то же время решение других задач на специализированной ЭВМ было либо невозможно, либо крайне неэффективно.

Еще одним важным явлением, проявившимся при развитии третьего поколения ЭВМ, стало появление семейств ЭВМ.

В рамках одного семейства, объединенного общими архитектурными, структурными, а иногда - и конструктивными решениями, выпускались несколько (иногда - более десятка) классов ЭВМ: малые, средние, "полусредние", большие, очень большие и т. д.

Общими для большинства семейств являются:

• внутренний язык, что позволяет осуществлять совместимость программ на уровне машинных кодов (IBM-360, ЕС ЭВМ) либо системы команд, обладающие совместимостью "снизу вверх" (PDP-11), когда старшие представители семейства реализуют все команды младших моделей плюс еще не- которые команды;

• форматы данных;

• форматы записи на внешний носитель;

• интерфейс, что позволяет иметь единую номенклатуру внешних устройств для всех представителей семейства;

• преемственность программного обеспечения (как правило, та же совместимость "снизу вверх").

Для решения конкретной задачи пользователь подбирал соответствующий экземпляр семейства, а по мере усложнения задачи осуществлялся переход на более старшие модели семейства, причем уже отлаженные на младших моделях программы, как правило, не требовали доработки.

3. Иерархическое описание ЭВМ.

ЭВМ как сложная система может быть адекватно описана на нескольких уровнях с применением различных языков описания на каждом из уровней.

Принципы структурного описания предполагают введение следующих понятий:

- система - совокупность элементов, объединенных в одно целое для достижения определенных целей. Для полного описания системы следует определить ее функции и структуру;

- структура системы - фиксированная совокупность элементов системы и связей между ними;

- элемент - неделимая часть системы, структура которого не рассматривается, а определяются только его функции.

Функции системы стремятся описывать в математической форме, иногда в словесной (содержательной форме). Структура системы может быть задана в виде графа или эквивалентных ему математических форм (матриц). Инженерной формой задания структуры является схема (отличается от графа только формой). Различным уровням представления систем соответствуют различные виды схем.

Свойства системы не являются простой суммой свойств входящих в нее элементов; за счет организации связей между элементами приобретается новое качество, отсутствующее в элементах. Например, радиокомпоненты логические элементы сумматор.

Для сложных систем характерно, что функция, реализуемая системой, не может быть представлена как композиция функций, реализуемых наименьшими элементами системы (иначе говоря, функцию сложной системы нельзя адекватно описать на одном языке). Действительно, функционирование ЭВМ нельзя описать лишь на языке электрических процессов, в ней происходящих. Функции ЭВМ как системы выявляются лишь при рассмотрении ин- формационных и логических аспектов ее работы.

Поэтому в описании сложных систем используют несколько форм описания (языков) функций и структуры - иерархию функций и структуры. Иерархический подход к описанию сложных систем предполагает, что на высшем уровне иерархии система рассматривается как один элемент, имеющий входы и выходы для связи с внешней средой. В этом случае функция не может быть задана подробно и представляется как отображение состояний входов на состояние выходов системы.

Чтобы раскрыть устройство и порядок функционирования системы, глобальная функция и сама система разделяются на части - функции и структурные элементы следующего более низкого уровня иерархии и т. д. до тех пор, пока функции и структура системы не будут раскрыты полностью, с необходимой степенью детализации.

В этом случае элемент - это, прежде всего, удобное понятие, а не физическое свойство, т. к. один и тот же физический объект может рассматриваться как элемент на одном уровне иерархии и как система - на другом (более низком) уровне.

Тема 2. Функциональная организация ЭВМ

1. Функциональная организация ЭВМ.

2. Командный цикл процессора

3. Система команд процессора

4. Форматы команд.

5. Способы адресации и система операций

Термин "функциональная организация ЭВМ" часто используют в качестве синонима (в некотором смысле) более широкого термина - "архитектура ЭВМ", который, в свою очередь, трактуется разными авторами несколько в различных смыслах. Наиболее близким к трактовке автора может служить определение термина "архитектура ЭВМ", данное. Приведем это определение.

Архитектура ЭВМ - это абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию.

Понятие архитектуры ЭВМ является комплексным и включает в себя:

- структурную схему ЭВМ;

- средства и способы доступа к элементам структурной схемы;

- организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ;

- набор и доступность регистров;

- организацию и способы адресации памяти;

- способы представления и форматы данных ЭВМ;

- набор машинных команд ЭВМ;

- форматы машинных команд;

- обработку нештатных ситуаций (прерываний).

В рамках данной книги мы, в основном, будем рассматривать перечисленные выше вопросы.

1. Командный цикл процессора

Командой называется элементарное действие, которое может выполнить процессор без дальнейшей детализации. Последовательность команд, выполнение которых приводит к достижению определенной цели, называется программой.

Команды программы кодируются двоичными словами и размещаются в памяти ЭВМ. Вся работа ЭВМ состоит в последовательном выполнении команд программы. Действия по выбору из памяти и выполнению одной команды называются командным циклом.

В составе любого процессора имеется специальная ячейка, которая хранит адрес выполняемой команды - счетчик команд или программный счетчик. После выполнения очередной команды его значение увеличивается на единицу (если код одной команды занимает несколько ячеек памяти, то содержимое счетчика команд увеличивается на длину команды). Таким образом осуществляется выполнение последовательности команд. Существуют специальные команды (передачи управления), которые в процессе своего выполнения модифицируют содержимое программного счетчика, обеспечивая переходы по программе. Сама выполняемая команда помещается в регистр команд - специальную ячейку процессора.

Во время выполнения командного цикла процессор реализует такую последовательность действий:

1. Извлечение из памяти содержимого ячейки, адрес которой хранится в программном счетчике, и размещение этого кода в регистре команд (чтение команды).

2. Увеличение содержимого программного счетчика на единицу.

3. Формирование адреса операндов.

4. Извлечение операндов из памяти.

5. Выполнение заданной в команде операции.

6. Размещение результата операции в памяти.

7. Переход к п. 1.

Пункты 1, 2 и 7 обязательно выполняются в каждом командном цикле, остальные могут не выполняться в некоторых командах. Если длина кода команды составляет несколько машинных слов, то пп. 1 и 2 повторяются.

Фактически вся работа процессора заключается в циклическом выполнении пунктов 1 - 7 командного цикла. При запуске машины в счетчик команд аппаратно помещается фиксированное значение - начальный адрес программы (часто 0 или последний адрес памяти; встречаются и более экзотические способы загрузки начального адреса). В дальнейшем содержимое программного счетчика модифицируется в командном цикле. Прекращение выполнения командных циклов может произойти только при выполнении специальной команды "СТОП"

Разнообразие типов данных, форм их представления и действий, которые необходимы для обработки информации и управления ходом вычислений, порождает необходимость использования различных команд - набора команд. Каждый процессор имеет собственный вполне определенный набор команд, называемый системой команд процессора. Система команд должна обладать двумя свойствами - функциональной полнотой и эффективностью.

Функциональная полнота - это достаточность системы команд для описания любого алгоритма. Требование функциональной полноты не является слишком жестким. Доказано, что свойством функциональной полноты обладает система, включающая всего три команды (система Поста): присвоение 0, присвоение 1, проверка на 0. Однако составление программ в такой системе команд крайне неэффективно.

Эффективность системы команд - степень соответствия системы команд назначению ЭВМ, т. е. классу алгоритмов, для выполнения которых предназначается ЭВМ, а также требованиям к производительности ЭВМ. Очевидно, что реализация развитой системы команд связана с большими затратами оборудования и, следовательно, с высокой стоимостью процессора. В то же время ограниченный набор команд приводит к снижению производительности и повышенным требованиям к памяти для размещения программы. Даже простые и дешевые современные микропроцессоры поддерживают систему команд, содержащую несколько десятков (а с модификациями - сотен) команд.

Система команд процессора характеризуется тремя аспектами: форматами, способами адресации и системой операций.

Форматы команд.

Под форматом команды следует понимать длину команды, количество, размер, положение, назначение и способ кодировки ее полей.

Команды, как и любая информация в ЭВМ, кодируются двоичными словами, которые должны содержать в себе следующие виды информации:

• тип операции, которую следует реализовать в данной команде (КОП);

• место в памяти, откуда следует взять первый операнд (А1);

• место в памяти, откуда следует взять второй операнд (А2);

• место в памяти, куда следует поместить результат (A3)

Каждому из этих видов информации соответствует своя часть двоичного слова - поле, а совокупность полей (их длины, расположение в командном слове, способ кодирования информации) называется форматом команды. В свою очередь, некоторые поля команды могут делиться на подполя. Формат команды, поля которого перечислены выше, называется трехадресным (рис. 2.1, а).

а

б

в

г

Рис. 2.1. Форматы команд: а - трехадресный; б - двухадресный;

в - одноадресный; г - безадресный

Команды трехадресного формата занимают много места в памяти, в то же время далеко не всегда поля адресов используются в командах эффективно. Действительно, наряду с двухместными операциями (сложение, деление, конъюнкция и др.) встречаются и одноместные (инверсия, сдвиг, инкремент и др.), для которых третий адрес не нужен. При выполнении цепочки вычислений часто предыдущей операнда используется в качестве операция для следующей. Более того, нередко встречаются команды, для которых операнды не определены (СТОП) или подразумеваются самим кодом операций (DAA, десятичная коррекция аккумулятора).

Поэтому в системах команд реальных ЭВМ трехадресные команды встречаются редко. Чаще используются двухадресные команды (рис. 2.1, б), в этом случае в бинарных операциях результат помещается на место одного из операндов.

Для реализации одноадресных форматов (рис. 2.1, в) в процессоре предусматривают специальную ячейку - аккумулятор. Первый операнд и результат всегда размещаются в аккумуляторе, а второй операнд адресуется полем А.

Реальная система команд обычно имеет команды нескольких форматов, причем тип формата определяется в поле КОП.

Способы адресации

Способ адресации определяет, каким образом следует использовать информацию, размещенную в поле адреса команды.

Не следует думать, что во всех случаях в поле адреса команды помещается адрес операнда. Существует пять основных способов адресации операндов в командах.

Прямая - в этом случае в адресном поле располагается адрес операнда. Разновидность - прямая регистровая адресация, адресующая не ячейку памяти, а РОН. Поле адреса регистра имеет в команде значительно меньшую длину, чем поле адреса памяти.

Непосредственная - в поле адреса команды располагается не адрес операнда, а сам операнд. Такой способ удобно использовать в командах с константами.

Косвенная - в поле адреса команды располагается адрес ячейки памяти в которой хранится адрес операнда ("адрес адреса"). Такой способ позволяет оперировать адресами как данными, что облегчает организацию циклов, обработку массивов данных и др. Его основной недостаток - потеря времени на двойное обращение к памяти - сначала за адресом, потом - за операндом.

Разновидность - косвенно-регистровая адресация, при которой в поле команды размещается адрес РОН, хранящего адрес операнда. Этот способ, помимо преимущества обычной косвенной адресации, позволяет обращаться к большой памяти с помощью коротких команд и не требует двойного обращения к памяти (обращение к регистру занимает гораздо меньше времени, чем к памяти).

Относительная - адрес формируется как сумма двух слагаемых: базы, хранящейся в специальном регистре или в одном из РОН, и смещения, извлекаемого из поля адреса команды. Этот способ позволяет сократить длину команды (смещение может быть укороченным, правда в этом случае не вся память доступна в команде) и/или перемещать адресуемые массивы информации по памяти (изменяя базу).

Разновидности - индексная и базово-индексная адресации. Индексная адресация предполагает наличие индексного регистра вместо базового. При каждом обращении содержимое индексного регистра автоматически модифицируется (обычно увеличивается или уменьшается на 1). Базово-индексная адресация формирует адрес операнда как сумму трех слагаемых: базы, индекса и смещения.

Безадресная - поле адреса в команде отсутствует, а адрес операнда или не имеет смысла для данной команды, или подразумевается по умолчанию. Часто безадресные команды подразумевают действия над содержимым аккумулятора. Характерно, что безадресные команды нельзя приме- нить к другим регистрам или ячейкам памяти.

Одной из разновидностей безадресного обращения является использование так называемой магазинной памяти или стека. Обращение к такой памяти напоминает обращение с магазином стрелкового оружия. Имеется фиксированная ячейка, называемая к своей руша стека. При чтении слово извлекается из верхушки, а все остальное содержимое "поднимается вверх" подобно патронам в магазине, так что в верхушке оказывается следующее по порядку слово. Одно слово нельзя прочитать из стека дважды. При записи новое слово помещается в верхушку стека, а все остальное содержимое "опускается вниз" на одну позицию. Таким образом, слово, помещенное в стек первым, будет прочитано последним. Говорят, что стек поддерживает дисциплину LIFO - Last In First Out (последний пришел - первый ушел). Реже используется безадресная память типа очередь с дисциплиной FIFO - First In First Out (первый пришел - первый ушел).

Система операций

Все операции, выполняемые в командах ЭВМ, принято делить на пять классов.

Арифметико-логические и специальные - команды, в которых выполняется собственно преобразование информации.

К ним относятся арифметические операции: сложение, вычитание, умножение и деление (с фиксированной и плавающей занятой), команды десятичной арифметики, логические операции конъюнкции, дизъюнкции, инверсии и др., сдвиги, преобразование чисел из одной системы счисления в другую и такие экзотические, как извлечение корня, решение системы уравнений и др.

Конечно, очень редко встречаются ЭВМ, система команд которых включает все эти команды.

Пересылки и загрузки - обеспечивают передачу информации между процессором и памятью или между различными уровнями памяти (СОЗУ и ОЗУ). Разновидность - загрузка регистров и ячеек константами.

Ввода/вывода - обеспечивают передачу информации между процессором и внешними устройствами. По структуре они очень похожи на команды предыдущего класса. В некоторых ЭВМ принципиально отсутствует различие между ячейками памяти и регистрами внешних устройств (единое адресное пространство) и класс команд ввода/вывода не выделяется, все обмены осуществляются в рамках команд пересылки и загрузки.

Передачи управления - команды, которые изменяют естественный порядок выполнения команд программы. Эти команды меняют содержимое программного счетчика, обеспечивая переходы по программе. Существуют команды безусловной и условной передачи управления. В последнем случае передача управления происходит, если выполняется заданное в коде команды условие, иначе выполняется следующая по порядку команда. В качестве условий обычно используются признаки результата предыдущей операции, которые хранятся в специальном регистре признаков (флажков). Чаще всего формируются и проверяются признаки нулевого результата, отрицательного результата, наличия переноса из старшего разряда, четности числа единиц в результате и др.

Различают три разновидности команд передачи управления:

• переходы;

• вызовы подпрограмм;

• возвраты из подпрограмм.

Команды переходов помещают в программный счетчик содержимое своего адресного поля - адрес перехода. При этом старое значение программного счетчика теряется. В микро ЭВМ часто для экономии длины адресного поля команд условных переходов адрес перехода формируется как сумма текущего значения программного счетчика и относительно короткого знакового смещения, размещаемого

В крайнем случае, в командах условных переходов можно и вовсе обойтись без адресной части - при выполнении условия команда "перепрыгивает" через следующую команду, которой обычно является безусловный переход.

Команда вызова подпрограммы работает подобно команде безусловного перехода, но старое значение программного счетчика предварительно сохраняется в специальном регистре или в стеке. Команда возврата передает содержимое верхушки стека или специального регистра в программный счетчик. Команды вызова и возврата работают "в паре". Подпрограмма, вызываемая командой вызова, должна заканчиваться командой возврата, что обеспечивает по окончании работы подпрограммы передачу управления в точку вызова. Хранение адресов возврата в стеке обеспечивает возможность реализации вложенных подпрограмм.

Системные - команды, выполняющие управление процессом обработки информации и внутренними ресурсами процессора. К таким командам относятся команды управления подсистемой прерывания, команды установки и изменения параметров защиты памяти, команда останова программы и некоторые другие. В простых процессорах класс системных команд немногочисленный, а в сложных мультипрограммных системах предусматривается большое число системных коддом.

Тема 3. Поколения ЭВМ. Классификация ЭВМ

1. Поколения развития компьютерной техники.

2. Классификации компьютерной техники.

Компьютеры могут быть классифицированы по разным признакам, например по габаритам, по областям применения, по быстродействию, по функциям, по этапам создания и еще по многим другим параметрам.

Рассмотрим некоторые из наиболее популярных классификаций:

- по принципу действия. Критерием деления вычислительных машин здесь является форма представления информации, с которой они работают

- аналоговые (АВМ) - вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).

1. Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5%).На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.

2. цифровые (ЦВМ) - вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.

3. гибридные (ГВМ) - вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Наиболее широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации - электронные цифровые вычислительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.

по назначению

1.универсальные (общего назначения) - предназначены для решения самых различных технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах.

2.проблемно-ориентированные - служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам; они обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами. К проблемно-ориентированным ЭВМ можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы

3.специализированные - используются для решения узкого крута задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

по размерам и функциональным возможностям:

1.сверхбольшие (суперЭВМ)

2.большие;

3.малые;

4. сверхмалые (микроЭВМ).

Функциональные возможности ЭВМ обуславливают важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:

- быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;

- разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ;

- номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;

- номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

- типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой (внутри машинного интерфейса);

- способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (много программность);

- типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;

- наличие и функциональные возможности программного обеспечения;

- способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ);

- система и структура машинных команд;

- возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;

- эксплуатационная надежность ЭВМ;

- коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

К суперЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов - десятки миллиардов операций в секунду. Супер-компьютеры используются для решения сложных и больших научных задач (метеорология, гидродинамика и т. п.), в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т.д.

Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейеризации вычислений.

В этих машинах параллельно, то есть одновременно, выполняется множество похожих операций (это называется мультипроцессорной обработкой). Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию.

Что такое конвейерная обработка? Приведем сравнение - на каждом рабочем месте конвейера выполняется один шаг производственного процесса, а на всех рабочих местах в одно и то же время обрабатываются различные изделия на всевозможных стадиях. По такому принципу устроено арифметико-логическое устройство суперкомпьютера. Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами - векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном - выдаёт сразу векторные команды. Векторная аппаратура очень дорога, в частности, потому, что требуется много сверхбыстродействующей памяти под векторные регистры.

Наряду с векторно-конвейерной системой обработки данных существует и скалярная система, основанная на выполнении обычных арифметических операций над отдельными числами или парами чисел. Строго говоря, системы, использующие скалярную обработку данных, по своей производительности уступают супер ЭВМ, но у них наблюдаются тенденции, характерные для высокопроизводительных вычислительных систем: необходимость распараллеливания больших задач между процессорами.

Типовая модель супер ЭВМ должна иметь примерно следующие характеристики:

- высоко параллельная многопроцессорная вычислительная система с быстродействием примерно 100000 МFLOPS;

- емкость: оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти 1-10 Тбайт (1 1000Гбайт);

- разрядность: 64; 128 бит.

Высоко параллельные МПВС имеют несколько разновидностей:

- магистральные (конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных (МКОД или МISD - Мultiple Instruction Single Data);

- векторные МПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными - однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD - Single Instruction Multiple Data);

- матричные МПВС, в которых МП одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных

- многократный поток команд с многократным потоком данных (МКМД или МIМD - Multiple Instruction Multiple Data).

Рис. Условные структуры вычислительных систем:

а) SISD(однопроцессорная);

б) MISD(конвейерная);

в) SIMD(векторная);

г) MIMD(матричная).

В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС:

• структура МIМD в классическом ее варианте (например, в суперкомпьютере ВSP фирмы Burroughs);

• параллельно-конвейерная модификация, иначе, ММISD, т.е. многопроцессорная (Мultiple) МISD-архитектура (например, в суперкомпьютере "Эльбрус 3");

• параллельно-векторная модификация, иначе, МMISD, т.е. многопроцессорная SIMD-архитектура (например, в суперкомпьютере Сrау 2). Наибольшую эффективность показала МSIMD-архитектура, поэтому в современных суперЭВМ чаще всего используется именно она (суперкомпьютеры фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachi и др.).

Первая суперЭВМ была задумана в 1960 г. и создана в 1972 г. (машина ILLIAC IV с производительностью 20 МFLOPS), а начиная с 1974 г. лидерство в разработке суперЭВМ захватила фирма Cray Research, выпустившая ЭВМ Cray 1 производительностью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти 64 Мбайта, а в 1984 г. - ЭВМ Сrау 2, в полной мере реализовавшую архитектуру MSIMD и ознаменовавшую появление нового поколения суперЭВМ. Производительность Сrау 2 - 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти - 2 Гбайта. Классическое соотношение, ибо критерий сбалансированности ресурсов ЭВМ - каждому МFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайта оперативной памяти.

В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперЭВМ начиная от простеньких офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, CrayY-MP C90 фирмы Cray Research, Cyber 205 фирмы Control Data, SХ-3 и SХ-Х фирмы NЕС, VP 2000 фирмы Fujitsu (Япония), VРР 500 фирмы Siemens (ФРГ) и др., производительностью несколько десятков тысяч МFlOPS.

Большие ЭВМ за рубежом чаще всего называют мэйнфреймами (Mainframe). К мэйнфреймам относят, как правило, компьютеры, имеющие следующие характеристики:

• производительность не менее 10 MIPS;

• основную память емкостью от 64 до 1000 Мбайт;

• внешнюю память не менее 50 Гбайт;

• многопользовательский режим работы (обслуживает одновременно от 16 до 1000 пользователей).

Мейнфреймы и до сегодняшнего дня остаются наиболее мощными (не считая суперкомпьютеров) вычислительными системами общего назначения, обеспечивающими непрерывный круглосуточный режим эксплуатации. Они могут включать один или несколько процессоров, каждый из которых, в свою очередь, может оснащаться векторными сопроцессорами (ускорителями операций с суперкомпьютерной производительностью).

В нашем сознании мейнфреймы все еще ассоциируются с большими по габаритам машинами, требующими специально оборудованных помещений с системами водяного охлаждения и кондиционирования. Однако это не совсем так. Прогресс в области элементно-конструкторской базы позволил существенно сократить габариты основных устройств. Наряду со сверхмощными мейн фреймами, требующими организации двухконтурной водяной системы охлаждения, имеются менее мощные модели, для охлаждения которых достаточно принудительной воздушной вентиляции, и модели, построенные по блочно-модульному принципу и не требующие специальных помещений и кондиционер. Основными поставщиками мейнфреймов являются известные компьютерные компании IBM, Amdahl, ICL, Siemens, Nixdorf и некоторые другие, но ведущая роль принадлежит безусловно компании IBM. Именно архитектура системы IBM/360, выпущенной в 1964 году, и ее последующие поколения стали образцом для подражания. В нашей стране в течение многих лет выпускались машины ряда ЕС ЭВМ, являвшиеся отечественным аналогом этой системы. В архитектурном плане мейнфреймы 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 (в терминологии IBM - селекторные, блок-мультиплексные, мультиплексные каналы и процессоры телеобработки) обеспечивают работу с широкой номенклатурой периферийных устройств.

Они предназначены для решения широкого класса научно-технических задач и являются сложными и дорогими машинами. Их целесообразно применять в больших системах при наличии не менее 200 - 300 рабочих мест. Централизованная обработка данных на мэйнфрейме обходится примерно в 5 - 6 раз дешевле, чем распределённая обработка при клиент-серверном подходе. Известный мейнфрейм S/390 фирмы IBM обычно оснащается не менее чем тремя процессорами. Максимальный объём оперативного хранения достигает 342 Терабайт. Производительность его процессоров, пропускная способность каналов, объём оперативного хранения позволяют наращивать число рабочих мест в диапазоне от 20 до 200000 с помощью простого добавления процессорных плат, модулей оперативной памяти и дисковых накопителей. Десятки мейнфреймов могут работать совместно под управлением одной операционной системы над выполнением единой задачи.

К суперкомпьютерам часто относят и серверы.

Сервер-мощный компьютер в вычислительных сетях, который обеспечивает обслуживание подключенных к нему компьютеров и выход в другие сети.

В зависимости от назначения определяют такие типы серверов:

Сервер приложений обрабатывает запросы от всех станций вычислительной сети и предоставляет им доступ к общим системным ресурсам (базам данных, библиотекам программ, принткрам, факсам и др.).

Файл-сервер-для работы с базами данных и использования файлов информации, хранящихся в ней.

Архивационный сервер-для резервного копирования информации в крупных много сервисных сетях. Он использует накопители на магнитной ленте(стриммеры) со сменными картриджами емкостью до 5 Гбайт. Обычно выполняет ежедневное автоматическое архивирование информации от подключенных серверов и рабочих станций.

Факс-сервер-для организации эффективной многоадресной факсимильной связи, с несколькими факсмодемными платами, со специальной защитой информации от несанкционированного доступа в процессе передачи, с системой хранения электронных факсов.

Почтовый сервер-то же, что и факс-сервер, но для организации электронной почты, с электронными почтовыми ящиками.

Сервер печати-для эффективного использования системных принтеров.

Сервер- телеконференций-компьютер, имеющий программу обслуживания пользователей телеконференциями и новостями, он также может иметь систему автоматической обработки видеоизображений и др.

Любой компьютер, если установить на нем соответствуещее сетевое программное обеспечение, способен стать сервером. Кроме того, один компьютер одновременно может выполнять несколько функций-быть, к примеру, почтовым сервером, сервером новостей, сервером приложений и т.д.

Основные направления эффективного применения мэйнфреймов - это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Последнее направление - использование мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных сетей часто отмечается специалистами среди наиболее актуальных.

Малые ЭВМ (мини ЭВМ) - надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возможностями

Мини - ЭВМ (и наиболее мощные из них супермини - ЭВМ) обладают следующими характеристиками:

• производительность - до 100 МIPS;

• емкость основной памяти - 4-512 Мбайт;

• емкость дисковой памяти - 2-100 Гбайт;

• число поддерживаемых пользователей-16-512.

Все модели мини-ЭВМ разрабатываются на основе микропроцессорных наборов интегральных микросхем, 16-, 32-, 64-разрядных микропроцессоров. Основные их особенности: широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения, аппаратная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации, простая реализация микропроцессорных и многомашинных систем, высокая скорость обработки прерываний, возможность работы с форматами данных различной длины.

К достоинствам мини-ЭВМ можно отнести: специфичную архитектуру с большой модульностью, лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность/цена, повышенная точность вычислений.

Мини - ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой.

Наряду с использованием для управления технологическими процессами мини-ЭВМ успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Родоначальником современных мини-ЭВМ можно считать компьютеры РDР-11 (Program Driven Processor - программно-управляемый процессор) фирмы DЕС (Digital Equipment Corporation - Корпорация дискретного оборудования, США), они явились прообразом и наших отечественных мини-ЭВМ - Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ): CM 1, 2,3,4,1400,1700 и др.

Микрокомпьютеры — это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора.

Продвинутые модели микрокомпьютеров имеют несколько микропроцессоров. Производительность компьютера определяется не только характеристиками применяемого микропроцессора, но и ёмкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений и др.

Микрокомпьютеры представляют собой инструменты для решения разнообразных сложных задач. Их микропроцессоры с каждым годом увеличивают мощность, а периферийные устройства - эффективность. Быстродействие - порядка 1 - 10 миллионов операций в сек.

Разновидность микрокомпьютера - микроконтроллер. Это основанное на микропроцессоре специализированное устройство, встраиваемое в систему управления или технологическую линию

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

В класс персональных компьютеров входят различные машины — от дешёвых домашних и игровых с небольшой оперативной памятью, с памятью программы на кассетной ленте и обычным телевизором в качестве дисплея, до сверхсложных машин с мощным процессором, винчестерским накопителем ёмкостью в десятки Гигабайт, с цветными графическими устройствами высокого разрешения, средствами мультимедиа и другими дополнительными устройствами.

Персональный компьютер должен удовлетворять следующим требованиям:

• стоимость от нескольких сотен до 5-10 тысяч долларов;

• наличие внешних ЗУ на магнитных дисках;

• объём оперативной памяти не менее 4 Мбайт;

• наличие операционной системы;

• способность работать с программами на языках высокого уровня;

• ориентация на пользователя-непрофессионала (в простых моделях)

Портативные компьютеры обычно нужны руководителям предприятий, менеджерам, учёным, журналистам, которым приходится работать вне офиса - дома, на презентациях или во время командировок.

Основные разновидности портативных компьютеров:

Laptop (наколенник, от lap - колено и top - поверх). По размерам близок к обычному портфелю. По основным характеристикам (быстродействие, память) примерно соответствует настольным ПК. Сейчас компьютеры этого типа уступают место ещё меньшим.

Notebook (блокнот, записная книжка). По размерам он ближе к книге крупного формата. Имеет вес около 3 кг. Помещается в портфель-дипломат. Для связи с офисом его обычно комплектуют модемом. Ноутбуки зачастую снабжают приводами CD-ROM.

Многие современные ноутбуки включают взаимозаменяемые блоки со стандартными разъёмами. Такие модули предназначены для очень разных функций. В одно и то же гнездо можно по мере надобности вставлять привод компакт-дисков, накопитель на магнитных дисках, запасную батарею или съёмный винчестер. Ноутбук устойчив к сбоям в энергопитании. Даже если он получает энергию от обычной электросети, в случае какого-либо сбоя он мгновенно переходит на питание от аккумуляторов.

Palmtop (наладонник) — самые маленькие современные персональные компьютеры. Умещаются на ладони. Магнитные диски в них заменяет энергонезависимая электронная память. Нет и накопителей на дисках — обмен информацией с обычными компьютерами идет линиям связи. Если Palmtop дополнить набором деловых программ, записанных в его постоянную память, получится персональный цифровой помощник (Personal Digital Assistant).

Таким образом различают следующие классификации компьютерной техники:

• по этапам развития (по поколениям);

• по архитектуре;

• по производительности;

• по условиям эксплуатации;

• по количеству процессоров;

• по потребительским свойствам и т.д.

Четких границ между классами компьютеров не существует. По мере совершенствования структур и технологии производства, появляются новые классы компьютеров, границы существующих классов существенно изменяются.

Тема 4. Основные принципы функционирования компьютеров

1. Общее устройство компьютеров.

2. Применение средств алгебры логики для описания функционирования устройств компьютера.

3. Ассемблер как машинно-ориентированный язык программирования.

Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) - заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.

Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд.

Команда - это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат.

Например, у команды "сложить два числа" операндами являются слагаемые, а результатом - их сумма. А у команды "стоп" операндов нет, а результатом является прекращение работы программы.

Результат команды вырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера.

Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера.

Компьютеры работают с очень высокой скоростью, составляющей миллионы - сотни миллионов операций в секунду.

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:

1. память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;

2. процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);

3. устройство ввода;

4. устройство вывода.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

Основные устройства компьютера и связи между ними представлены на схеме 1. Жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а простыми стрелками - пути и направления передачи управляющих сигналов.

схема 1

Общая схема работы компьютера

Функции памяти:

• приём информации из других устройств;

• запоминание информации;

• выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Функции процессора:

• обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

• программное управление работой устройств компьютера.

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).

Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд).

Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.

Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

• сумматор - регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;

• счетчик команд - регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;

• регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово).

Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации.

Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице:

Байт 0 Байт 1 Байт 2 Байт 3 Байт 4 Байт 5 Байт 6 Байт 7

ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО ПОЛУСЛОВО

СЛОВО СЛОВО

ДВОЙНОЕ СЛОВО

Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских

Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без “счетчика команд”, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Вернемся к понятию команды и проследим их выполнение в компьютере.

Команда - это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.

В общем случае, команда содержит следующую информацию:

• код выполняемой операции;

• указания по определению операндов (или их адресов);

• указания по размещению получаемого результата.

В зависимости от количества операндов, команды бывают:

• одноадресные;

• двухадресные;

• трехадресные;

• переменно адресные.

Команды хранятся в ячейках памяти в двоичном коде.

В современных компьютерах длина команд переменная (обычно от двух до четырех байтов), а способы указания адресов переменных весьма разнообразные.

В адресной части команды может быть указан, например:

• сам операнд (число или символ);

• адрес операнда (номер байта, начиная с которого расположен операнд);

• адрес адреса операнда (номер байта, начиная с которого расположен адрес операнда), и др.

Тема 5 Основные блоки ПК

1.Основные блоки ПК

2. Системный блок

3. Монитор

4. Клавиатура

5. Манипуляторы.

На сегодняшний день подавляющее большинство персональных и домашних компьютеров относятся к классу «IBM PC-совместимых».

Сам этот термин достаточно парадоксален. Ведь фирма IBM – создатель первого в мире подлинно массового персонального компьютера – утратила свое господство в этой области: ныне она серьезно уступает в битве производителей ПК другим фирмам, например, Dell или Compaq.

Поэтому сегодня на Западе все чаще говорят не об «IBM- совместимых компьютерах», а о «платформе WIntel», подразумевая под этим сочетание аппаратного обеспечения – процессоров фирмы Intel и «программной начинки» - операционной системы Windows.

Однако, отдавая дань уважения фирме IBM, впредь будем пользоваться обозначением «IBM-совместимые компьютеры».

Главная заслуга IBM – в выработке и утверждении единого стандарта на основные части компьютера – комплектующие. До этого каждый производитель ПК стремился создать собственное, уникальное «железо» - ведь в результате он становился монополистом на сборку и обслуживание собственных устройств. Однако в итоге рынок был перенасыщен несовместимыми друг с другом аппаратами, для каждого из которых нужно было создавать собственные программы.

В период становления рынка персональных компьютеров устройство каждого ПК было особо охраняемой тайной фирмы-производителя, и ни о каком копировании одной фирмой изделия другой в массовых масштабах просто не могло быть и речи.

Заслуга фирмы IBM и состоит именно в том, что она посягнула на этот казавшийся незыблемым принцип. Главное нововведение, которому и был обязан своей популярностью компьютер IBM PC, - принцип открытой архитектуры: IBM решила не делать свой новый компьютер «вещью в себе», а широко оповестила всех об особенностях его конструкции, поощряя при этом производство совместимых с IBM PC компьютеров других фирм.

Современный IBM-совместимые ПК похож на детский конструктор типа «сделай сам». Каждое из составляющих его устройств можно свободно поменять на другое того же типа, но более совершенное. Благодаря этому становятся возможными две вещи – быстрая сборка компьютера непосредственно «под клиента» в любой, даже самой маленькой компьютерной фирме, а также простая (в большинстве случаев – силами самого пользователя) модернизация же самой маленькой компьютерной фирме, а также простая (в большинстве случаев – силами самого пользователя) модернизация.

Принцип открытой архитектуры

Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:

Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.

Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

Упрощённая блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, изображена на рисунке. Позднее мы познакомимся с этими устройствами.

Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных блоков или узлов:

• системного блока;

• монитора;

• клавиатуры;

• манипуляторов.

Системный блок.

В системном блоке находится вся электронная начинка компьютера:

- материнская (или системная) плата, которая содержит основные компоненты компьютера, определяющие его архитектуру, а именно:

- микропроцессор — для выполнения вычислений и общего управления компьютером;

- математический сопроцессор - для увеличения скорости вычислений с числами большой точности; Математический сопроцессор ускоряет расчеты, использующие операции над числами с плавающей запятой, примерно в 5-15 раз. В процессорах 486DX и PENTIUM сопроцессор уже внедрен в основной процессор и дополнительной установки не требуется.

- память — для постоянного и временного хранения информации;

Выделяют память следующих типов:

1. оперативная память- ОЗУ, RAM (Random Access Memory) для хранения выполняемых программ, исходных данных для обработки, для записи промежуточных и окончательных результатов. При выключении компьютера, перезагрузке, случайных сбоях по питанию все содержимое оперативной памяти стирается. Следовательно, при наборе каких-либо данных, текстов и т.д. надо периодически записывать промежуточные результаты на жесткий диск. Объем памяти измеряется в мегабайтах(Mb) и гигабайтах(Gb)

2. кэш-память - для ускорения доступа к оперативной памяти применяется "сверхбыстрая" статическая память, которая является буфером между очень быстрым процессором и более медленной оперативной памятью.

3. ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - служит для хранения программ внутреннего тестирования устройств, программы настройки конфигурации (SETUP). Совокупность этих микропрограмм называется BIOS (базовая система ввода-вывода), которая реализована в виде микросхемы на материнской плате.

4. MOS - часть микросхемы BIOS, которая питается от специального аккумулятора на системной плате. В ней хранятся параметры конфигурации компьютера (ОЗУ, тип винчестера, флоппи-дисководы и т.д.).

- Chipset - набор сверхбольших микросхем, на которых реализована вся архитектура платы

- Слоты(шины) расширения для установки контроллеров и адаптеров

• накопители информации - для ввода/вывода и хранения информации;

По способу записи и чтения информации на носитель дисковые накопители можно подразделить на:

1. магнитные (жесткий диск, флоппи-дисковод);

2. оптические (CD-ROM, CD-RW, DVD-ROM, DVD-RW - приводы);

3. магнитооптические.

4. контроллеры и адаптеры — устройства, предназначенные для передачи информации от материнской платы к периферийному устройству и обратно;

Существует большое количество различных контроллеров и адаптеров. Самыми распространенными из них являются:

0. видеокарта

1. звуковая карта

2. сетевая карта

3. модем

• блок питания - служит для преобразование напряжения сети 220 В (110 В) в напряжения питания конструктивных элементов компьютера: +12В, +5В и +3,3В.

1. Корпус

2. Соединительные кабели(шлейфы)

3. Видеокарта(Видеоконтроллер)

4. Сетевая плата(Сетевой контроллер)

5. Материнская плата

6. Модуль(плата) ОЗУ типа DIMM

7. Монтажные винты

8. Отвертка

9. Флоппи-дисковод (Накопитель на гибких магнитных дисках)

10. Процессор с вентилятором

11. Винчестер (Накопитель на жестких магнитных дисках)

12. CD.

Монитор. Монитор- устройство для вывода на экран текстовой и графической информации.

В настоящее время используются 2 основных вида мониторов для ПК:

- мониторы на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ, CRT);

- мониторы на жидких кристаллах (ЖК, LCD);

Качество изображения, получаемого на экране монитора, зависит от параметров электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и управляющих ею электронных схем. К основным параметрам относятся: размеры экрана и "зерна" и связанное с ними оптическое разрешение, определяющее количество отображаемой информации и возможную степень ее детализации; скорость обновления изображения (частота кадровой развертки), определяющая степень подавления мерцания. На восприятие изображения оказывает существенное влияние и то, насколько экран черный (от этого зависит контрастность) и плоский (выше естественность, шире угол обзора, меньше бликов).

ЭЛТ-монитор

Принцип работы мониторов на ЭЛТ аналогичен принципу работы телевизора. Основной элемент дисплея — электронно-лучевая трубка.

Её передняя, обращенная к зрителю часть с внутренней стороны покрыта люминофором — специальным веществом, способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов.

Люминофор наносится в виде наборов точек трёх основных цветов - красного, зелёного и синего. Эти цвета называют основными, потому что их сочетаниями (в различных пропорциях) можно представить любой цвет спектра.

Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам. Триада образует пиксел - точку, из которых формируется изображение (англ. pixel - picture element, элемент картинки).

Расстояние между центрами пикселов называется точечным шагом монитора. Это расстояние существенно влияет на чёткость изображения. Чем меньше шаг, тем выше чёткость. Обычно в цветных мониторах шаг составляет 0,28 мм. При таком шаге глаз человека воспринимает точки триады как одну точку "сложного" цвета.

На противоположной стороне трубки расположены три (по количеству основных цветов) электронные пушки. Все три пушки "нацелены" на один и тот же пиксел, но каждая из них излучает поток электронов в сторону "своей" точки люминофора.

Чтобы электроны беспрепятственно достигали экрана, из трубки откачивается воздух, а между пушками и экраном создаётся высокое электрическое напряжение, ускоряющее электроны.

Перед экраном на пути электронов ставится маска - тонкая металлическая пластина с большим количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечивает попадание электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета.

На ту часть колбы, где расположены электронные пушки, надевается отклоняющая система монитора, которая заставляет электронный пучок пробегать поочерёдно все пикселы строчку за строчкой от верхней до нижней, затем возвращаться в начало верхней строки и т.д.

Количество отображённых строк в секунду называется строчной частотой развертки. А частота, с которой меняются кадры изображения, называется кадровой частотой развёртки. Последняя не должна быть ниже 60 Гц, иначе изображение будет мерцать.

Помимо рассмотренных ЭЛТ-мониторов с теневой маской производят еще и мониторы с апертурной решеткой. Структура экрана таких ЭЛТ-мониторов в виде вертикальных чередующихся полос люминофора основных цветов. Вместо теневой маски используется решетка из вертикально натянутых тонких струн. Они имеют определенные преимущества перед мониторами с теневой маской. Среди них - большая яркость (за счет большей прозрачности решетки для электронных лучей), высокая контрастность (так как есть большой запас по яркости, то стекло экрана можно сделать более темным), стабильность свойств в процессе эксплуатации (из-за высокой прозрачности решетки можно ограничиться небольшими токами электронных пучков), плоский экран (он имеет форму не сферы, а цилиндра с большим радиусом кривизны).

Однако они более чувствительны к механическим вибрациям, стоят дороже, зачастую имеют большие проблемы со сведением и, наконец, на экране таких мониторов заметны две (или одна) горизонтальные полосы от стабилизирующих нитей.

Наряду с традиционными ЭЛТ-мониторами в большинстве современных компьютеров используются жидкокристаллические (ЖК) мониторы.

Жидкие кристаллы — это особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения. Меняя с помощью электрического поля ориентацию групп кристаллов и используя введённые в жидкокристаллический раствор вещества, способные излучать свет под воздействием электрического поля, можно создать высококачественные изображения, передающие более 15 миллионов цветовых оттенков. ЖК-монитор.

В LCD-мониторах изображение формируется с помощью матрицы пикселов, состоящих из жидких кристаллов. Отсюда и происходит аббревиатура LCD (Liquid Crystal Display), которая расшифровывается как жидкокристаллический дисплей. Применение жидких кристаллов в качестве основного элемента изображения не случайно: они способны изменять направление поляризации проходящего через них света. И если к кристаллу приложить внешнее напряжение, то направление поляризации изменится. Это позволяет управлять интенсивностью прошедшего света. С обеих сторон от кристалла устанавливаются поляризаторы, причем так, чтобы их оси были расположены под прямым углом друг к другу. Пучок света, пройдя через первый из них, станет линейно поляризованным. Затем в жидкокристаллической ячейке плоскость поляризации света повернется на определенный угол, величина которого будет зависеть от приложенного напряжения. Наконец, роль второго поляризатора заключается в регулировке количества пропускаемого из лучения, если угол между направлением его оси и плоскостью поляризации света постепенно изменять от О до 90°, то поглощение излучения будет увеличиваться. Таким образом можно управлять интенсивностью света (яркостью пикселов). Как известно, для формирования цветного изображения необходимо наличие пикселов трех цветов: красного, зеленого и синего. Поскольку жидкие кристаллы абсолютно прозрачны, то они не могут влиять на цветовые характеристики излучения. Для этой цели применяются фильтры, выделяющие из «белого» излучения ламп подсветки необходимые спектральные компоненты.

Поэтому в современных LCD-панелях каждая точка матрицы состоит из трех пикселов разных цветов. Для управления работой пикселов в них встраиваются электроды с так называемыми тонкопленочными TFT-транзисторами, которые, во-первых, выполнены прозрачными и не влияют на пропускаемое излучение, а, во-вторых, имеют в буквальном смысле слова микроскопические размеры. Они предназначены для быстрого изменения уровня напряжения и его поддержания на электродах ячеек в промежутке между управляющими импульсами. Именно поэтому матрицы с применением TFT-транзисторов называются активными, в отличие от пассивных, электроды в ячейках которых после подачи управляющего сигнала предоставлены сами себе. В результате пассивные матрицы страдают от высокой инерционности, тогда как активные лишены подобного недостатка.

Основные плюсы этой технологии это: во-первых, плазменные мониторы выгодно отличаются от своих конкурентов высокой яркостью и контрастностью изображения; во-вторых, в их габаритах составляющая толщины представляет собой ничтожно малую долю. Основные минусы, не позволяющие использовать эту технологию для производства мониторов, это низкая разрешающая способность и крайне высокая энергоемкость. Кроме того, стоимость таких устройств является заоблачной для массового пользователя. Да и проблемы с цветопередачей для PDP также актуальны, как и для всех прочих решений, отличных от ЭЛТ.

• FED (Field Emission Display) относятся к классу плоских мониторов, обладающему существенно более низким энергопотреблением, меньшей толщиной, и сравнимы по качеству изображения с лучшими образцами мониторов на ЭЛТ. Этот тип мониторов начал осваиваться в США и Европе в ответ на прорыв Японии в области ЖК мониторов. Основы технологии FED дисплеев были заложены в начале 90-х годов, в период интенсивного развития полупроводниковой техники. FED-дисплеи имеют много преимуществ в сравнении с жидкокристаллическими - матричная адресация, малые вес и толщина. Более того, у них лучшие яркость, цветопередача, и все условия быстрее догнать мониторы на ЭЛТ. Благодаря особой матрице у них есть основания встать в ряд плоских дисплеев нового поколения.

• LEP(Light Emission Plastics) - светоизлучающие пластики. Светоизлучающие пластики - сложные полимеры с рядом интересных свойств. Вообще-то, использование пластических полимерных материалов в качестве полупроводников началось уже довольно давно, и встретить их можно в самых различных отраслях техники, в том числе и в бытовой электронике, включая персональные компьютеры. Однако некоторые представители этого семейства обладали и довольно необычным свойством - способностью эмитировать фотоны под воздействием электрического тока, то есть светиться.

Поначалу КПД полимерных светильников был крайне низким, и соотношение излучаемого света к затраченному потоку электронов измерялось долями процента. Но в последнее время компания Cambridge Display Technology существенно продвинулась в разработке светоизлучающего пластика и повысила эффективность этих материалов в сотни раз. Сейчас с уверенностью можно сказать, что LEP сравнились по своей функциональности с привычными светодиодами. Поэтому на повестку дня стал вопрос об их практическом применении.

LEP необычайно просты и дешевы в производстве. В принципе, LEP-дисплей представляет собой многослойный набор тончайших.

Полимерных пленок. Даже по сравнению с экранами на жидких кристаллах пластиковые мониторы кажутся совсем тонкими - всего пары миллиметров вполне достаточно для воспроизводства на них качественного изображения. По многим же параметрам светоизлучающие пластики превосходят всех своих конкурентов. Они не подвержены инверсионным эффектам, что позволяет менять картинку на таком дисплее с очень высокой частотой. Для работы LEP расходуют электрический ток слабого напряжения, да и вообще отличаются низкой электроемкостью. Кроме того, то, что пластик сам излучает, а не использует отраженный или прямой поток от другого источника, позволяет забыть о тех проблемах, с которыми сталкиваются производители мониторов на жидких кристаллах, в частности - ограниченного угла обзора. Конечно, не обошли эту еще молодую технологию и свои специфические проблемы, такие, например, как ограниченный срок службы полимерных матриц, который сегодня намного меньше, чем у электронных трубок и ЖК-дисплеев. Другая проблема касается воспроизведения светоизлучающим пластиком цветных изображений.

• OLED (Organic Light Emitting Diode) - мониторы, являющиеся продолжением развития LCD-мониторов. Впервые предложенная Kodak схема с двумя слоями органики между электродами вместо одного и сегодня остается основным вариантом, используемым для создания OLED устройств.

Клавиатура. Клавиатура компьютера

Клавиатура служит для ввода информации 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 - светящийся 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.

Наиболее распространена сегодня 101-клавишная клавиатура c раскладкой клавиш QWERTY (читается “кверти”), названная так по клавишам, расположенным в верхнем левом ряду алфавитно-цифровой части клавиатуры:

Такая клавиатура имеет 12 функциональных клавиш, расположенных вдоль верхнего края. Нажатие функциональной клавиши приводит к посылке в компьютер не одного символа, а целой совокупности символов.

Функциональные клавиши могут программироваться пользователем. Например, во многих программах для получения помощи (подсказки) задействована клавиша F1, а для выхода из программы — клавиша F10.

Управляющие клавиши имеют следующее назначение:

• Enter - клавиша ввода;

• Esc (Escape - выход) клавиша для отмены каких-либо действий, выхода из программы, из меню и т.п.;

• Ctrl и Alt - эти клавиши самостоятельного значения не имеют, но при нажатии совместно с другими управляющими клавишами изменяют их действие;

• Shift (регистр) — обеспечивает смену регистра клавиш (верхнего на нижний и наоборот);

• Insert (вставлять) - переключает режимы вставки (новые символы вводятся посреди уже набранных, раздвигая их) и замены (старые символы замещаются новыми);

• Delete (удалять) - удаляет символ с позиции курсора;

• Back Space или - удаляет символ перед курсором;

• Home и End - обеспечивают перемещение курсора в первую и последнюю позицию строки, соответственно;

• Page Up и Page Down - обеспечивают перемещение по тексту на одну страницу (один экран) назад и вперед, соответственно;

• Tab - клавиша табуляции, обеспечивает перемещение курсора вправо сразу на несколько позиций до очередной позиции табуляции;

• Caps Lock - фиксирует верхний регистр, обеспечивает ввод прописных букв вместо строчных;

• Print Screen - обеспечивает печать информации, видимой в текущий момент на экране.

• Scroll Lock - включает режим солирования(прокрутки) документов.

• Pause Break - включает режим паузы при выполнении какого-то процесса.

• WIN или - предназначена для открытия и закрытия Главного меню Windows. Используется также в комбинации с другими клавишами.

• Menu или - вывод на экран контекстного меню Windows.

• Длинная нижняя клавиша без названия — предназначена для ввода пробелов. Клавиши и служат для перемещения курсора вверх, вниз, влево и вправо на одну позицию или строку.

Малая цифровая клавиатура используется в двух режимах — ввода чисел и управления курсором. Переключение этих режимов осуществляется клавишей Num Lock.

Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер, который выполняет следующие функции:

• последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши;

• управляет световыми индикаторами клавиатуры;

• проводит внутреннюю диагностику неисправностей;

• осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры.

Клавиатура имеет встроенный буфер - промежуточную память малого размера, куда помещаются введённые символы. В случае переполнения буфера нажатие клавиши будет сопровождаться звуковым сигналом - это означает, что символ не введён (отвергнут).

Работу клавиатуры поддерживают специальные программы, "зашитые" в BIOS, а также драйвер клавиатуры, который обеспечивает возможность ввода русских букв, управление скоростью работы клавиатуры и др.

Принципиальным моментом, определяющим выполнение клавиатурой основных функций, является тип кнопочного механизма. Вообще-то существует множество вариантов и разновидностей, но сегодня общепринятым считается деление на три основные группы:

1. Мембранные - самые технологичные в производстве и потому самые дешевые. Замыкание контактов осуществляется при соприкосновении двух пленок с напиленными на них токопроводящими площадками. Давление на пленки происходит при нажатии кнопки, в качестве возвращающего элемента, в которой используется упругий резиновый колпачок. Чтобы пленки не касались друг друга самопроизвольно, между ними прокладывается еще один слой с отверстиями в месте контактов на мембранах. Поскольку контакты расположены на внутренней стороне пленок, мембранные клавиатуры конструктивно хорошо защищены от попадающих внутрь жидкостей, например, пролитого чая. Среди недостатков таких устройств можно назвать сравнительно низкий ресурс (до 20 млн нажатий) и ослабление со временем упругости возвращающего колпачка. Последнего недостатка лишены иногда встречающиеся мембранные клавиатуры с пружинными толкателями.

2. Полумеханические - более дорогие и, как считается, более надежные. Контакты в этом типе клавиатур представляют собой пару токопроводящих, как бы переплетенных между собой дорожек на печатной плате. Иногда для повышения надежности эти дорожки делают позолоченными. Резиновый колпачок, обеспечивающий обратный ход кнопки, одновременно является и замыкающим элементом, так как его торец покрыт токопроводящим веществом. Преимуществами полумеханических клавиатур являются более надежная контактная группа и долговечность (до 50-100 млн. нажатий).

3. Механические - считаются самыми надежными. Поскольку механические клавиатуры дороги и сложны в изготовлении, сегодня они практически вытеснены полумеханическими и мембранными моделями. Некоторые механические модели содержат в конструкции дополнительную защиту от пролитых жидкостей. В некоторых механических клавиатурах предусмотрен так называемый клик - ощутимый щелчок где-то на половине хода кнопки. Это позволяет четко ощутить срабатывания кнопок, что нравится некоторым пользователям, но значительно повышает шумность работы.

Манипуляторы.

Манипуляторы - это специальные устройства, которые используются для удобного управления курсором.

К манипуляторам относятся следующие устройства:

1. Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся на ладони. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок - адаптер, и её движения преобразуются в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея. В верхней части устройства расположены управляющие кнопки (обычно их три, причем часто роль третьей кнопки исполняет колесо прокрутки или скроллинга), позволяющие задавать начало и конец движения, осуществлять выбор меню и т.п.

2. Трекбол - небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукой вращает шарик и перемещает, соответственно, курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины. Чаще всего его используют как замену мыши, особенно для работы с графикой.

3. Джойстик - обычно это стержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора. Часто применяется в компьютерных играх. В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давления. В этом случае, чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экрану дисплея.

Джойстики делятся на два основных класса - с пропорции.

Простейшие джойстики (без рукоятки или с ней) по принципу действия полностью аналогичны клавишам. У них механические внутренние контакты, работающие на замыкание-размыкание. Играть на них по сравнению с простой клавиатурой гораздо хуже, т.к. на перемещение рукоятки требуется больше времени, чем на нажатие кнопки. Но это утверждение верно только для относительно опытного игрока, привыкшего к игре на клавишах. Для новичка же даже такой джойстик будет предпочтительней, т.к. позволяет сразу, без долгого привыкания, более-менее сносно играть.

Джойстики с пропорциональным управлением представляют собой аналоговые устройства, основанные на изменении сопротивления по мере изменения физических координат.

По конструктивному исполнению современные джойстики делятся на пять основных категорий:

• кнопочные (joypads) похожи на управляющие панели. На панели управления минимум две кнопки, и игроки-левши могут переворачивать ее для более естественного использования. Эти удобные, компактные и обычно дешевые джойстики - идеальное средство для игр в реальном времени с нападением и защитой.

• настольные (desktop)

• джойстики в виде самолетных ручек управления (pistol-grip flightsticks) выглядят как рычаги настоящих военных самолетов. Они, как правило, оснащены триггер-переключателем и кнопкой для большого пальца, а также регулятором скорости. Вне всякого сомнения, такие джойстики прекрасно работают в "кабинах самолетов", но довольно неудобны в спортивных, а также требующих нападения и защиты играх, где нужна точность, которой обладают настольные и кнопочные модели. Большинство джойстиков этого типа отражают серьезные потребности реальных компьютерных пилотных тренажеров.

• джойстики в виде штурвалов (yokes) выглядят весьма сюрреалистично и создают ощущения, аналогичные испытываемым при управлении небольшими самолетами. Обычно они крепятся на столе с помощью специальных присосок или зажимов. При довольно высокой цене эти устройства, тем не менее, намного повышают привлекательность игр-имитаторов полетов и автогонок.

Тема 6. Центральные(внутренние) устройства ПК

1. Устройства ввода-вывода

2. Материнская плата

3. Микропроцессор

4. Память

5. Накопители на дисках

6. Контроллеры

7. Блок питания

8. Корпус

9. Порты

10. Кабели

1. Клавиатура компьютера – устройство для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Содержит стандартный набор клавиш печатной машинки и некоторые дополнительные клавиши – управляющие и функциональные клавиши, клавиши управления курсором и малую цифровую клавиатуру. Все символы, набираемые на клавиатуре, немедленно отображаются на мониторе в позиции курсора (курсор – светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак).

Наиболее распространена сегодня клавиатура c раскладкой клавиш QWERTY (читается "кверти"), названная так по клавишам, расположенным в верхнем левом ряду алфавитно-цифровой части клавиатуры:

Такая клавиатура имеет 12 функциональных клавиш, расположенных вдоль верхнего края. Нажатие функциональной клавиши приводит к посылке в компьютер не одного символа, а целой совокупности символов. Функциональные клавиши могут программироваться пользователем. Например, во многих программах для получения помощи (подсказки) задействована клавиша F1, а для выхода из программы — клавиша F10.

Управляющие клавиши имеют следующее назначение:

Enter – клавиша ввода;

Esc (Escape – выход) клавиша для отмены каких-либо действий, выхода из программы, из меню и т.п.;

Ctrl и Alt – эти клавиши самостоятельного значения не имеют, но при нажатии совместно с другими управляющими клавишами изменяют их действие;

Shift (регистр) – обеспечивает смену регистра клавиш (верхнего на нижний и наоборот);

Insert (вставлять) – переключает режимы вставки (новые cимволы, вводятся посреди уже набранных, раздвигая их) и замены (старые символы замещаются новыми);

Delete (удалять) – удаляет символ с позиции курсора;

Back Space или – удаляет символ перед курсором;

Home и End – обеспечивают перемещение курсора в первую и последнюю позицию строки, соответственно;

Page Up и Page Down – обеспечивают перемещение по тексту на одну страницу (один экран) назад и вперед, соответственно;

Tab – клавиша табуляции, обеспечивает перемещение курсора вправо сразу на несколько позиций до очередной позиции табуляции;

Caps Lock – фиксирует верхний регистр, обеспечивает ввод прописных букв в место строчных;

Print Screen – обеспечивает печать информации, видимой в текущий момент на экране.

Длинная нижняя клавиша без названия – предназначена для ввода пробелов.

Клавиши служат для перемещения курсора вверх, вниз, влево и вправо на одну позицию или строку. Малая цифровая клавиатура используется в двух режимах – ввода чисел и управления курсором. Переключение этих режимов осуществляется клавишей Num Lock.

Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер (местное устройство управления), который выполняет следующие функции:

• последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши;

• управляет световыми индикаторами клавиатуры;

• проводит внутреннюю диагностику неисправностей;

• осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры.

Клавиатура имеет встроенный буфер — промежуточную память малого размера, куда помещаются введённые символы. В случае переполнения буфера нажатие клавиши будет сопровождаться звуковым сигналом — это означает, что символ не введён (отвергнут). Работу клавиатуры поддерживают специальные программы, "зашитые" в BIOS, а также драйвер клавиатуры, который обеспечивает возможность ввода русских букв, управление скоростью работы клавиатуры и др.

Видеосистема компьютера состоит из трех компонент:

• монитор (называемый также дисплеем);

• видеоадаптер;

• программное обеспечение (драйверы видеосистемы).

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

Монитор – устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.).

Подавляющее большинство мониторов сконструированы на базе электроннолучевой трубки (ЭЛТ), и принцип их работы аналогичен принципу работы телевизора. Мониторы бывают алфавитно-цифровые и графические, монохромные и цветного изображения. Современные компьютеры комплектуются, как правило, цветными графическими мониторами.

Жидкокристаллические мониторы

Все шире используются наряду с традиционными ЭЛТ-мониторами. Жидкие кристаллы – это особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения. Меняя с помощью электрического поля ориентацию групп кристаллов и используя введённые в жидкокристаллический раствор вещества, способные излучать свет под воздействием электрического поля, можно создать высококачественные изображения, передающие более 15 миллионов цветовых оттенков.

Большинство ЖК-мониторов использует тонкую пенку из жидких кристаллов, помеченную между двумя стеклянными пластинами. Заряды передаются через так называемую пассивную матрицу – сетку невидимых нитей, горизонтальных и вертикальных, создавая в месте пересечения нитей точку изображения (несколько размытого из-за того, что заряды проникают в соседние области жидкости).

Сенсорный экран. Общение с компьютером осуществляется путаем прикосновения пальцем к определённому месту чувствительного экрана. Этим выбирается необходимый режим из меню, показанного на экране монитора. (Меню – это выведенный на экран монитора список различных вариантов работы компьютера, по которому можно сделать конкретный выбор.) Сенсорными экранами оборудуют рабочие места операторов и диспетчеров, их используют в информационно-справочных системах и т.д.

Материнская плата

Системная (материнская) плата является основой системного блока и определяет всю архитектуру ПК. На ней устанавливаются следующие обязательные компоненты:

1. микропроцессор или несколько процессоров

2. память: постоянная (ROM), оперативная (ОЗУ, DRAM), кэш-память (SRAM)

3. шины расширения

4. кварцевый генератор тактовой частоты

5. источник питания (литиевая батарейка) для поддержания работоспособности внутренних часов

6. разъемы для подключения питания от блока питания ПК

7. разъем клавиатуры

8. разъем для кнопок управления

9. разъем для светодиодов на лицевой панели корпуса

10. разъем системного динамика

11. регулятор напряжения питания

12. разъемы для подключения магнитных и оптических накопителей информации

13. адаптеры последовательных сом-портов и lpt-портов

14. SCSI-контроллеры, SVGA-адаптеры, в случае интегрированных плат.

Характеристиками системной платы являются:

• размер платы (Форм фактор)

• тип поддерживаемых процессоров и соответствующий тип разъема под процессор

• Chipset - набор сверхбольших микросхем, на которых реализована вся архитектура платы

• Тип и число слотов шины расширения (3xISA, 4xPCI, AGP).

• Тип и объем поддерживаемой динамической памяти и наличие соответствующих разъемов под модули памяти

• Объем и тип кэш-памяти.

Рассмотрим основные из этих характеристик подробнее:

Размер платы (Форм Фактор). Материнская плата должна иметь тот же форм фактор, что и блок питания в корпусе, в который она будет установлена. Форм факторы бывают следующих типов:

1. AT. Устаревший формат. Использовался в основном в первых поколениях персональных компьютеров. Компьютеры IBM PC AT имеют форм фактор AT, который был уменьшен в размерах и стал называться Baby AT. Размеры обычных плат с форм фактором Baby AT примерно 21,5 сантиметров в ширину и 25 - 27,5 сантиметров в длину. Платы с форм факторами 2/3 и 3/4 Baby AT того же размера, что и обычные платы Baby AT, но на 2,5 - 5 сантиметров короче. Сейчас используется очень редко.

2. ATX. Форм фактор ATX был представлен и разработан корпорацией Intel, чтобы устранить проблему, связанную с помехами, влияющими на кабели, которые вызваны большими дополнительными картами и оборудованием для охлаждения процессора.

AT Extension (расширение AT) - на сегодняшний день стандарт корпуса и системной платы для настольных компьютеров. Плата (стандартный размер - 305 x 244) располагается в нем длинной стороной вдоль задней стенки. Блок питания имеет приточную систему вентиляции, процессор устанавливается в непосредственной близости от него для минимизации длины питающих цепей и охлаждения от встроенного вентилятора(для мощных процессоров все же требуется собственный вентилятор). Некоторые блоки имеют автоматическую регулировку скорости вращения вентилятора в зависимости от температуры.

Блок питания ATX, кроме стандартных для AT напряжений и сигналов, обеспечивает также напряжение 3.3В и имеет возможность включения и отключения основного питания по сигналу с платы, которая имеет для этого программный интерфейс. Имеется также отдельная линия слаботочного питания 5 В, напряжение на которой поддерживается постоянно и используется в цепях управления основным питанием для отслеживания внешних сигналов запуска по сети, модему и т.п.

Для соединения блока питания с платой используется единый 20-контактный разъем. В стандарте ATX оговорен также необязательный разъем, через который с блока питания на плату подается информация о частоте вращения вентилятора, а с платы в блок питания - сигнал управления вентилятором и контрольный уровень напряжения 3.3 В для более точной его стабилизации.

Наружные интерфейсные разъемы располагаются в области верхнего правого угла платы и могут устанавливаться друг над другом. Для разъемов расширения отведена левая половина платы(до семи разъемов); за счет вынесения процессора на правую сторону ограничения на длину устанавливаемых плат отсутствуют. Разъемы для модулей памяти расположены посередине, а интерфейсные разъемы дисков- в правом нижнем углу, в непосредственной близости от самих дисков.

Выпускались также стандартные платы формата AT, имеющие разъем для блока питания ATX и поддерживающие управление сетевым питанием.

Существует разновидность этого стандарта, такая как Micro ATX, но корпус для этого варианта используется тот же самый. Основное отличие между Micro ATX и ATX, кроме отличия в размерах, в максимально допустимом количестве слотов для памяти и для дополнительных карт. Многие интегрированные МП используют форм фактор Micro ATX из-за маленькой PCB и несколькими слотами для дополнительных карт, что позволяет существенно сократить расходы. Платы Micro ATX на 10 сантиметров короче ATX.

3.BTX. Корпуса стандарта BTX (Balanced Technology Extended) рано или поздно вытеснят с рынка корпуса формата ATX. В принципе, не менее очевидны в теории преимущества корпусов стандарта BTX над нынешним ATX. Известно, что к разработке нового стандарта корпусов (одним из инициаторов этого явилась крупнейший процессор строитель - компания Intel) производителей подтолкнуло постоянно растущее потребление мощности и тепловыделение компонентов компьютера (в первую очередь это касается, естественно, центрального процессора и в какой-то мере видеокарты). Соответственно, корпуса стандарта BTX изначально разрабатывались с учетом возросших требований по части питания и охлаждения компонентов компьютера. А это значит, что эти решения должны быть более эффективными по части размещения компонентов, иметь лучшие возможности охлаждения и продуманную схему вентиляции.

В стандарте BTX изначально предусматривались три варианта форм-фактора корпуса: pico-BTX, micro-BTX и полноразмерный BTX, или BTX-tower. Все они обладают своими преимуществами перед аналогами из стана традиционного ATX, обеспечивая высокую плотность монтажа компонентов вкупе с эффективным охлаждением, отличаясь, как видно из названий, размерами (ну и конечно, мощностью устанавливаемых в них блоков питания).

Рассмотрим новую технологию поподробнее.

Для обеспечения лучших условий охлаждения типовая компоновка материнских плат была пересмотрена, и это сказалось на незначительном увеличении глубины материнских плат. Теперь стандартная глубина составляет 266.7 мм, в то время как для ATX 2.1 принималось значение 244 мм.

Высота полноразмерной BTX-платы теперь также превышает габариты ATX-варианта на пресловутые два сантиметра: 325 мм против 305 мм для ATX 2.1.

Тема 7. Программное обеспечение вычислительных систем.

1. Системное программное обеспечение

2. Классификация программного обеспечения

Бурное развитие новой информационной технологии и расширение сферы ее применения привели к интенсивному развитию программного обеспечения (ПО). Достаточно отметить, что в 1996 г. мировым сообществом на программное обеспечение затрачено свыше 110 млрд. долларов. Причем тенденции развития ПО показывают, что динамика затрат имеет устойчивую тенденцию к росту, примерно 20% в год.

Под программным обеспечением информационных систем понимается совокупность программных и документальных средств для создания и эксплуатации систем обработки данных средствами вычислительной техники.

В зависимости от функций, выполняемых программным обеспечением, его можно разделить на 2 группы: базовое (системное) программное обеспечение и прикладное программное обеспечение. Базовое (системное) ПО организует процесс обработки информации в компьютере и обеспечивает нормальную рабочую среду для прикладных программ.

Базовое ПО настолько тесно связано с аппаратными средствами, что его иногда считают частью компьютера. Прикладное программное обеспечение предназначено для решения конкретных задач пользователя и организации вычислительного процесса информационной системы в целом. Базовое программное обеспечение.

В состав базового (системного) ПО входят:

• операционные системы:

• сервисные программы;

• трансляторы языков программирования;

• программы технического обслуживания.

Операционные системы (ОС) обеспечивают управление процессом обработки информации и взаимодействие между аппаратными средствами и пользователем. Одной из важнейших функций ОС является автоматизация процессов ввода-вывода информации, управления выполнением прикладных задач, решаемых пользователем. ОС загружает нужную программу и память ЭВМ и следит за ходом се выполнения; анализирует ситуации, препятствующие нормальным вычислениям, и дает указания о том, что необходимо сделать, если возникли затруднения.

Исходя из выполняемых функции, ОС можно разбить на три группы:

• однозадачные (однопользовательские) – предназначены для работы одного пользователя в каждый конкретный момент с одной конкретной задачей;

• многозадачные (многопользовательские) – обеспечивают коллективное использование ЭВМ в мультипрограммном режиме разделения времени;

• сетевые – связаны с появлением локальных и глобальных сетей. Они предназначены для обеспечения доступа пользователя ко всем ресурсам вычислительной сети.

Однозадачные ОС предназначены для работы одного пользователя в каждый" конкретный моменте одной конкретной задачей. Типичным представителем таких операционных систем является MS-DOS (разработанная фирмой Microsoft).

Многозадачные ОС обеспечивают коллективное использование ЭВМ в мультипрограммном режиме разделения времени (в памяти ЭВМ находится несколько программ – задач, – и процессор распределяет ресурсы компьютера между задачами). Типичными представителями подобного класса ОС являются: UNIX, OS 2 корпорации IBM, Microsoft Windows 95, Microsoft Windows NT и некоторые другие. Сетевые операционные системы связаны с появлением локальных н глобальных сетей 11 предназначены для обеспечения доступа пользователя ко всем ресурсам вычислительной сети. Типичными представителями сетевых ОС являются: Novell NetWare, Microsoft Windows NT, Banyan Vines, IBM LAN, UNIX, Solaris фирмы Sun. Более подробно тины ОС и их функции описаны в специальных разделах настоящего учебника.

Здесь же укажем на основные тенденции развития ОС:

• снижение цен па операционные системы;

• переход многих функций ОС, реализовывавшихся в виде программ, к реализации в виде микропрограмм, «зашитых» в аппаратную часть компьютера;

• обеспечение работы многопроцессорных компьютеров;

• обеспечение совместимости программ для различных типов (поколении) компьютеров;

• обеспечение выполнения параллельных программ;

• создание ОС, в которых отдельные функции реализуются в процессорах разных компьютеров, образующих распределенную вычислительную сеть.

Сервисное программное обеспечение – это совокупность программных продуктов, предоставляющих пользователю дополнительные услуги в работе с компьютером и расширяющих возможности операционных систем.

По функциональным возможностям сервисные средства можно подразделить на средства:

• улучшающие пользовательский интерфейс;

Защищающие данные от разрушения и несанкционированного доступа;

• восстанавливающие данные;

• ускоряющие обмен данными между диском и ОЗУ:

• архивации-разархивации;

• антивирусные средства.

По способу организации и реализации сервисные средства могут быть представлены: оболочками, утилитами и автономными программами. Разница между оболочками и утилитами зачастую выражается лишь в универсальности первых и специализации вторых. Оболочки являются как бы настройками над операционной системой. Все оболочки обеспечивают ту или иную степень защиты от ошибок пользователя, что уменьшает вероятность случайного уничтожения слайдов.

Среди имеющихся оболочек для семейства MS-DOS наиболее популярна оболочка Norton Commander. Утилиты и автономные программы имеют узкоспециализированное назначение и выполняют каждая свою функцию. Но утилиты, в отличии от автономных программ, выполняются в среде соответствующих оболочек. При этом они конкурируют в своих функциях с программами ОС и другими утилитами. Поэтому классификация сервисных средств но их функциям и способам реализации является достаточно размытой и весьма условной. Утилиты предоставляют пользователю дополнительные услуги (не требующие разработки специальных программ) в основном но обслуживанию дисков и файловой системы.

Эти утилиты чаще всего позволяют выполнять следующие функции:

• обслуживание дисков (форматирование, обеспечение сохранности информации, возможности ее восстановления в случае сбоя и т. д.);

• обслуживание файлов и каталогов (аналогично оболочкам);

• создание и обновление архивов;

• предоставление информации о ресурсах компьютера, о дисковом пространстве, о распределении ОЗУ между программами;

• печать текстовых и других файлов в различных режимах и форматах;

• защита от компьютерных вирусов.

Программные средства антивирусной защиты обеспечивают диагностику (обнаружение) и лечение (нейтрализацию) вирусов. Термином «вирус» обозначается программа, способная размножаться, внедряясь в другие программы, совершая при этом различные нежелательные действия. Из утилит, получивших наибольшую известность, можно назвать многофункциональный комплекс Norton Utilities. Прикладное программное обеспечение. Прикладное программное обеспечение (рис. 2) предназначено для разработки и выполнения конкретных задач (приложений) пользователя.

Прикладное программное обеспечение работает под управлением базового по, в частности операционных систем.

В состав прикладного ПО входят:

• пакеты прикладных программ различного назначения;

• рабочие программы пользователя и ИС в целом.

Пакеты прикладных программ являются мощным инструментом автоматизации решаемых пользователем задач, практически полностью освобождая его от необходимости знать, как выполняет компьютер те или иные функции и процедуры по обработке информации. В настоящее время имеется широкий спектр ППП, различающихся по своим функциональным возможностям и способам реализации. Пакет прикладных программ (ППП) – это комплекс программ, предназначенный для решения задач определенного класса (функциональная подсистема, бизнес-приложение). Различают следующие типы ППП: общего назначения (универсальные); методо - ориентированные; проблемно-ориентированные; глобальных сетей; организации (администрирования) вычислительного процесса.

ППП общего назначения – универсальные программные продукты, предназначенные для автоматизации разработки и эксплуатации функциональных задач пользователя и информационных систем в целом.

К этому классу ППП относятся:

• редакторы текстовые (текстовые процессоры) и графические;

• электронные таблицы;

• системы управления базами данных (СУБД);

• интегрированные пакеты;

• Case-технологии;

• оболочки экспертных систем и систем искусственного интеллекта. ППП общего назначения – универсальные программные продукты, предназначенные для автоматизации разработки и эксплуатации функциональных задач пользователя и информационных систем в целом. К этому классу ППП относятся: · редакторы текстовые (текстовые процессоры) и графические.

Редактором называется ППП, предназначенный для создания и изменения текстов, документов, графических данных и иллюстрации; · электронные таблицы. Электронной таблицей называется ППП, предназначенный для обработки таблиц. Данные в таблице хранятся в ячейках, находящихся на пересечении столбцов и строк. В ячейках могут храниться числа, символьные данные и формулы. Формулы задают зависимость значения одних ячеек от содержимого других ячеек. Изменение содержимого ячейки приводит к изменению значений в зависящих от нее ячейках; системы управления базами данных (СУБД).

База данных – это совокупность специальным образом организованных наборов данных, хранящихся на диске. Управление базой данных включает в себя ввод данных, их коррекцию и манипулирование данными, то есть добавление, удаление, извлечение, обновление и т. д.; интегрированные пакеты. Интегрированными пакетами называются ППП, объединяющие в себе функционально различные программные компоненты ППП общего назначения. сase-технологии. CASE-технологии применяются при создании сложных информационных систем, обычно требующих коллективной реализации проекта, в котором участвуют различные специалисты: системные аналитики, проектировщики и программисты. Под CASE-технологией понимается совокупность средств автоматизации разработки информационной системы, включающей в себя методологию анализа предметной области, проектирования программирования и эксплуатации ИС, оболочки экспертных систем и систем искусственного интеллекта. Основу экспертных систем составляет база знаний, в которую закладывается информация о данной предметной области. Имеются две основные формы представления знаний в ЭС: факты и правила. Факты фиксируют количественные и качественные показатели явлений и процессов. Правила описывают соотношения между фактами, обычно в виде логических условий, связывающих причины и следствия. Для решения задач подобного класса используются так называемые экспертные системы.

Экспертные системы – это системы обработки знаний в узкоспециализированной области подготовки решений пользователей на уровне профессиональных экспертов. Метод-ориентированные ППП.

Метод-ориентированные ППП отличаются тем, что в их алгоритмической основе реализован какой-либо экономика математический метод решения задачи. К ним относятся ППП:

• математического программирования (линейного, динамического, статистического и т. д.);

• сетевого планирования и управления;

• теории массового обслуживания;

• математической статистики.

Проблемно-ориентированные ППП. Это наиболее широкий класс пакетов прикладных программ. Практически нет ни одной предметной области, для которой не существует хотя бы одного ППП. Проблемно- ориентированными ППП называются программные продукты, предназначенные для решения какой-либо задачи в конкретной функциональной области.

ППП глобальных сетей ЭВМ. Основным назначением глобальных вычислительных сетей является обеспечение удобного, надежного доступа пользователя к территориально распределенным общесетевым ресурсам, базам данных, передаче сообщений и т. д. Для организации электронной почты, телеконференций, электронной доски объявлений, обеспечения секретности передаваемой информации в различных глобальных сетях ЭВМ используются стандартные (в этих сетях) пакеты прикладных программ.

В качестве примера можно привести стандартные ППП глобальной сети Internet:

• средства доступа и навигации – Netscape Navigator, Microsoft Internet, Explorer;

• электронная почта (Mail), например, Eudora.

В банковской деятельности широкое распространение получили стандартные ППП, обеспечивающие подготовку и передачу данных в международных сетях Swift, Sprint, Reuters. ППП организации (администрирования) вычислительного процесса. Для обеспечения организации администрирования вычислительного процесса в локальных и глобальных сетях ЭВМ в более чем 50% систем мира используется ППП фирмы Bay Networks (США), управляющее администрированием данных, коммутаторами, концентраторами, маршрутизаторами, графиком сообщений. Системные программы выполняются вместе с прикладными и служат для управления ресурсами компьютера – центральным процессором, памятью, вводом-выводом. Это программы общего пользования, которые предназначены для всех пользователей компьютера.

Системное программное обеспечение разрабатывается так, чтобы компьютер мог эффективно выполнять прикладные программы. Cреди десятков тысяч системных программ особое место занимают операционные системы, которые обеспечивают управление ресурсами компьютера с целью их эффективного использования. Важными классами системных программ являются также программы вспомогательного назначения – утилиты (лат. utilitas – польза). Они либо расширяют и дополняют соответствующие возможности операционной системы, либо решают самостоятельные важные задачи.

Кратко опишем некоторые разновидности утилит:

• программы контроля, тестирования и диагностики, которые используются для проверки правильности функционирования устройств компьютера и для обнаружения неисправностей в процессе эксплуатации; указывают причину и место неисправности;

• программы-драйверы, которые расширяют возможности операционной системы по управлению устройствами ввода-вывода, оперативной памятью и т.д.; с помощью драйверов возможно подключение к компьютеру новых устройств или нестандартное использование имеющихся;

• программы-упаковщики (архиваторы), которые позволяют записывать информацию на дисках более плотно, а также объединять копии нескольких файлов в один архивный файл;

• антивирусные программы, предназначенные для предотвращения заражения компьютерными вирусами и ликвидации последствий заражения вирусами;

• программы оптимизации и контроля качества дискового пространства;

• программы восстановления информации, форматирования, защиты данных;

• коммуникационные программы, организующие обмен информацией между компьютерами;

• программы для управления памятью, обеспечивающие более гибкое использование оперативной памяти;

• программы для записи CD-ROM, CD-R и многие другие.

Часть утилит входит в состав операционной системы, а другая часть функционирует независимо от нее, т.е. автономно. Итак, базовое и прикладное программное обеспечение в целом является инструментарием для разработки и эксплуатации рабочих программ конечных пользователей и информационной системы в целом. Кроме того, на практике встречаются оригинальные задачи, которые нельзя решить имеющимися прикладными программными продуктами либо с использованием ППП. Результаты получаются в форме, не удовлетворяющей конечного пользователя. В этом случае с помощью систем программирования или алгоритмических языков разрабатываются оригинальные программы, учитывающие требования и условия решения задачи.

В ближайшие пять лет ожидается резкое увеличение сложности программного обеспечения, предназначенного для информационных систем различного класса. Следствием этого станет ужесточение требований к характеристикам компьютеров, сетевого оборудования, пропускной способности каналов связи, а также определение оптимального распределения нагрузки в узлах ИС, в которых ресурсы закрепляются за конечным пользователем по принципу «ровно столько, сколько нужно». Поэтому для всех подразделений компаний необходимо подобрать наиболее удачную конфигурацию сервера и состав программного обеспечения и сбалансировать распределение нагрузки между центральным сервером, локальными серверами и рабочими станциями конечных пользователей в каждом подразделении предприятия. В конечном счете, от этого зависит адекватный выбор аппаратных и программных средств для системы, причем для каждой конкретной ИС эта проблема требует индивидуального подхода.

Однако некоторые общие принципы балансировки системы можно привести. Функциональные задачи, решаемые на уровне предприятия (бизнес-план, финансы, управление кадрами, бухгалтерский учет и т. п.), будут выполняться в основном средствами главного информационного центра и активно использовать центральную корпоративную базу данных, интегрированную на верхних уровнях иерархии системы. В связи с этим роль локальных серверов и рабочих станций будет сведена здесь к минимуму. Задачи автоматизации бизнес-процессов (функциональных подсистем), связанных с конкретными направлениями деятельности предприятия (например, автоматизация распределения продукции, контроль за инвентаризацией и продажей товаров, выполнение электронных трансфертных операций или управление сетью розничной торговли), предполагает перенос большей части нагрузки на локальные серверы соответствующих подразделений компании.

Анализ эффективности централизованной и децентрализованной организации системы для различных видов приложений, составляющих типовой набор нагрузки ИС, показывает, что:

• персональные приложения (текстовые редакторы, электронные таблицы и т. п.) практически не чувствительны к способу организации системы – децентрализованная сетевая модель ненамного дешевле централизованной;

• эффективность средств поддержки принятия решений в централизованном и децентрализованном вариантах примерно одинакова с небольшим преимуществом централизованного варианта;

• для оперативной обработки транзакций, администрирования и организации вычислительного процесса ИС в целом наилучшим решением является централизованная сеть, в которой и данные и приложения сосредоточены на сервере, а роль рабочих станций ограничена поддержкой интерфейса пользователя, что позволяет примерно в два раза повысить эффективность системы по сравнению с децентрализованной моделью.

Традиционно все программное обеспечение подразделяют на два класса:

1. системное программное обеспечение (СПО) и

2. прикладное (пользовательское) программное обеспечение (ППО)

Выделим еще один класс (скорее группу) программ – специальное программное обеспечение информационных и управляющих систем.

Прикладные программы предназначены для решения функциональных задач, они выполняют обработку информации различных предметных областей. Это самый многочисленный класс программных продуктов.

К специальному программному обеспечению информационных и управляющих систем относятся

• программы (системы) управления базами данных;

• программы управления языком интерфейса информационных систем;

• программы сбора и предварительной обработки информации (в информационно-измерительных системах, например, бортовые системы).

ПО этого класса часто оказывается скрытым в составе драйверов оборудования или поставляется в виде библиотек функционального расширения языков программирования. Поэтому часто такие ПО относят к системному программному обеспечению. Мы будем считать ПО такого типа отдельным классом и рассматривать не будем.

Системное программное обеспечение (System Software) - совокупность программ и программных комплексов для обеспечения работы компьютера и сетей ЭВМ.

СПО управляет ресурсами компьютерной системы и позволяет пользователям программировать в более выразительных языках, чем машинных язык компьютера. Состав СПО мало зависит от характера решаемых задач пользователя. Назначение системного программного обеспечения Системное программное обеспечение предназначено для:

• создания операционной среды функционирования других программ (другими словами, для организации выполнения программ);

• автоматизации разработки (создания) новых программ;

• обеспечения надежной и эффективной работы самого компьютера и вычислительной сети;

• проведения диагностики и профилактики аппаратуры компьютера и вычислительных сетей;

• выполнения вспомогательных технологических процессов (копирование, архивирование, восстановление файлов программ и баз данных и т.д.).

Данный класс программных продуктов тесно связан с типом компьютера и является его неотъемлемой частью. Программные продукты данного класса в основном ориентированы на квалифицированных пользователей – профессионалов в компьютерной области: системного программиста, администратора сети, прикладного программиста, оператора.

Однако знание базовой технологии работы с этим классом программных продуктов требуется и конечным пользователям персонального компьютера, которые самостоятельно не только работают со своими программами, но и выполняют обслуживание компьютера, программ и данных.

Программные продукты данного класса носят общий характер применения, независимо от специфики предметной области. К системным программным продуктам предъявляются высокие требования по надежности и технологичности работы, удобству и эффективности использования. Классификация системного программного обеспечения

В СПО традиционно включают:

• системные управляющие и

• системные обрабатывающие программы.

Управляющие системные программы организуют корректное функционирование всех устройств системы. Основные системные функции управляющих программ:

• управление вычислительными процессами и вычислительными комплексами и

• работа с внутренними данными ОС.

Как правило, они находятся в основной памяти. Это резидентные программы, составляющие ядро ОС. Управляющие программы, которые загружаются в память непосредственно перед выполнением, называю транзитными (transitive). В настоящее время системные управляющие программы поставляются фирмами-разработчиками и фирмами- дистрибьюторами в виде инсталляционных пакетов операционных систем и драйверов специальных устройств.

Обрабатывающие системные программы выполняются как специальные прикладные задачи, или приложения. Эти программы поставляются чаще в виде дистрибутивных пакетов, включающих ПО Замечание. В пакеты системных программ помимо основных программ, допускающих реконфигурацию, входят специальные настроечные программы, называемые программами инсталляции. Другая классификация

Часто Системное ПО компьютера подразделяют на БАЗОВОЕ и СЕРВИСНОЕ программное обеспечение. БАЗОВОЕ программное обеспечение (base software) – минимальный набор программных средств, обеспечивающих работу компьютера.

К базовому программному обеспечению компьютера относятся

• операционные системы и драйверы в составе ОС;

• интерфейсные оболочки для взаимодействия пользователя с ОС (операционные оболочки) и программные среды;

• системы управления файлами.

Операционная система – совокупность программных средств, обеспечивающая управление аппаратной частью компьютера и прикладными программами, а также их взаимодействием между собой и пользователем. Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ. Операционная система, с одной стороны, выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами, с другой стороны, предназначена для эффективного использования ресурсов вычислительной системы и организации надежных вычислений.

Системы управления файлами предназначены для организации более удобного доступа к данным, организованным как файлы. Вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов система управления файлами позволяет использовать логический доступ с указанием имени файла.

Любая система управления файлами не существует сама по себе - она разработана для работы в конкретной ОС и с конкретной файловой системой. То есть можно было бы систему управления файлами отнести к ОС.

Но в связи с тем, что:

1) ряд ОС позволяет работать с несколькими файловыми системами (либо с одной из нескольких, либо сразу с несколькими одновременно); а дополнительную файловую систему можно установить (т.е. они самостоятельны);

2) простейшие ОС могут работать и без файловых систем; системы управления файлами выделяются в отдельную группу системных программ. Заметим, что часто в специальной литературе системы управления файлами относят все-таки к операционным системам.

СЕРВИСНОЕ программное обеспечение – программы и программные комплексы, которые расширяют возможности базового программного обеспечения и организуют более удобную среду работы пользователя. Это набор сервисных, дополнительно устанавливаемых программ, которые можно классифицировать по функциональному признаку следующим образом:

• драйверы специфических и специальных устройств (те, которые не поставляются в составе ОС).

• программы диагностики работоспособности компьютера;

• антивирусные программы, обеспечивающие защиту компьютера, обнаружение и восстановление зараженных файлов;

• программы обслуживания дисков, обеспечивающие проверку качества поверхности магнитного диска, контроль сохранности файловой системы на логическом и физической уровнях, сжатие дисков, создание страховых копий дисков, резервирование данных на внешних носителях и др.;

• программы архивирования данных, которые обеспечивают процесс сжатия информации в файлах с целью уменьшения объема памяти для ее хранения;

• программы обслуживания сети.

Эти программы часто называются системными утилитами. (Заметим, что к антивирусным средствам этот термин обычно не применяется)

Утилиты - программы, служащие для выполнения вспомогательных операций обработки данных или обслуживания компьютеров (диагностики, тестирования аппаратных и программных средств, оптимизации использования дискового пространства, восстановления разрушенной на магнитном диске информации и т.п.).

Наибольшее распространение сегодня имеют комплекты утилит:

Norton Utilities - фирма Symantec; Checkit PRO Deliuxe 2.0 - фирма Touch Stone; PC Tools for Windows 2.0; программа резервного копирования HP Colorado Backup for Windows 95.

Системы программирования Отдельно рассмотрим такую группу системного ПО как системы программирования. Это набор специализированных программных продуктов, которые являются инструментальны средствами разработчика. Программные продукты данного класса поддерживают все этапы процесса программирования, отладки и тестирования создаваемых программ.

Система программирования включает следующие программные компоненты:

• редактор текста;

• транслятор с соответствующего языка;

• компоновщик (редактор связей);

• отладчик;

• библиотеки подпрограмм.

Заметим, что любая система программирования может работать только в соответствующей ОС, под которую она и создана, однако при этом она может позволять разрабатывать программное обеспечение и под другие ОС. Например, одна из популярных систем программирования на языке С/С++ от фирмы Watcom для OS/2 позволяет получать программы и для самой OS/2, и для DOS, и для Windows. Редактор текста - это программа для ввода и модификации текста.

Трансляторы предназначены для преобразования программ, написанных на языках программирования, в программы на машинном языке. Программа, подготовленная на каком-либо языке программирования, называется исходным модулем. В качестве входной информации трансляторы применяют исходные модули и формируют в результате своей работы объектные модули, являющиеся входной информацией для редактора связей.

Объектный модуль содержит текст программы на машинном языке и дополнительную информацию, обеспечивающую настройку модуля по месту его загрузки и объединение этого модуля с другими независимо оттранслированными модулями в единую программу. Трансляторы делятся на два класса: компиляторы и интерпретаторы. Компиляторы переводят весь исходный модуль на машинный язык. Интерпретатор последовательно переводит на машинный язык и выполнят операторы исходного модуля (У интерпретаторов два основных недостатка. Первый - низкая скорость работы интерпретируемых программ.)

Преимущество интерпретатора перед компилятором состоит в том, что программа пользователя имеет одно представление - в виде текста. При компиляции одна и та же программа имеет несколько представлений - в виде текста и в виде выполняемого файла. Компоновщик, или редактор связей -

системная обрабатывающая программа, редактирующая и объединяющая объектные (ранее оттранслированные) модули в единые загрузочные, готовые к выполнению программные модули. Загрузочный модуль может быть помещен ОС в основную память и выполнен. Отладчик позволяет управлять процессом исполнения программы, является инструментом для поиска и исправления ошибок в программе.

Базовый набор функций отладчика включает:

• пошаговое выполнение программы (режим трассировки) с отображением результатов,

• остановка в заранее определенных точках,

• возможность остановки в некотором месте программы при выполнении некоторого условия;

• изображение и изменение значений переменных.

Загрузчик - системная обрабатывающая программа, объединяющая основные функции редактора связей и программы выборки в одном пункте задания. Загрузчик помещает находящиеся в его входном наборе данных объектные и загрузочные модули в оперативную память, объединяет их в единую программу, корректирует перемещаемые адресные константы с учетом фактического адреса загрузки и передает управление в точку входа созданной программы.

Средства сетевого доступа обеспечивают обработку, передачу и хранение данных в сети. Заметим, что чаще говорят о сетевых операционных системах, которые предоставляют пользователям различные виды сетевых служб (управление файлами, электронная почта, процессы управления сетью и др.) Ключом к использованию этих ресурсов является сервер, специальная программа на компьютере, подключенному к сети, которая принимает запросы (или команды) и посылает ответы автоматически. Программы, предназначенные для подачи запросов серверу, называются программами- клиентами.

Сервер предназначен для их обслуживания. Клиент посылает запросы пользователя на сервер, используя стандартизированный формат, называемый протоколом. Ответ сервера содержит информацию, представленную в виде файла, содержащего данные того или иного формата. Постоянно ведется разработка все новых программ-клиентов, предлагающих более удобные способы взаимодействия с сервером. Пример. Приложения Netscape Navigator , Internet Explorer - программы- клиенты.

Таким образом, в системном ПО мы выделили пять групп системных программ:

• операционные системы;

• интерфейсные оболочки для взаимодействия пользователя с ОС (операционная оболочка) и программные среды;

• системы управления файлами;

• системы программирования;

• утилиты;

• средства сетевого доступа.

Обратим внимание на то, что в ходе развития компьютерных систем наиболее используемые прикладные программы могут быть перенесены на уровень системных, что позволяет использовать их в различных приложениях. Например, средства управления диалоговым взаимодействием с пользователем в системных оболочках (типа Windows).

С другой стороны, наиболее распространенные и критические по времени системные функции были частично или полностью реализованы аппаратно. Например, средства управления многопрограммным защищенным режимом и средства управления мультимедиа-устройствами в процессорах фирмы Intel. Требования к системному программному обеспечению.

Системные программы должны удовлетворять следующим требованиям:

• прозрачность работы;

• гарантированная надежность выполнения в соответствии со спецификациями (спецификациями называются функциональные требования);

• максимальная скорость выполнения;

• минимальные затраты на хранение машинных кодов;

• поддержка стандартных средств связи с прикладными программами.

Эффективность системных программ зависит от времени их создания и надежности исполняемого кода. Требование эффективности системных программ вызывает необходимость использования специальных языков

• машинно-ориентированных типа языка Assembler и

• высокого уровня типа C или C++.

К типам данных этих языков отнесены указатели на данные различных типов или адреса данных и программных объектов. Работа с большинством пакетов для разработки системного программного обеспечения предполагает знание и использование ассемблера для создания модулей и ассемблерных.

Тема 8. Организация компьютерной сети

1. Предпосылки создания компьютерных сетей

2. Разделение ресурсов.

3. Требования к организации сети

С момента появления ЭВМ возник вопрос о передаче данных между отдельными компьютерами и рациональном распределении ресурсов ЭВМ. Первые ЭВМ были очень сложны в эксплуатации и имели дорогостоящие аппаратные компоненты, отсутствовали единые стандарты построения ЭВМ. С развитием аппаратной и программной базы компьютеров, совершенствовались и сетевые технологии. Сначала были созданы системы передачи данных первоначально в коммерческих, военных и научных целях, затем сфера применения сетей расширилась.

В настоящее время использование компьютерных сетей является неотъемлемой частью нашей жизни, область их применения охватывает все сферы человеческой деятельности. Под компьютерной сетью мы будем понимать любое множество ЭВМ, связанных между собой средствами передачи данных (средствами телекоммуникаций). История возникновения и развития компьютерных сетей Развитие компьютерных сетей связано как с развитием собственно ЭВМ, входящих в состав сети, так и с развитием средств телекоммуникаций. Работы по созданию компьютерных сетей начались ещѐ в 60-х годах ХХ века. Прообразом компьютерных сетей явились системы телеобработки данных (СТД), построенные на базе больших (а позже и миниЭВМ). В качестве средств передачи данных использовалась существующая телефонная сеть.

Основными элементами СТД являются модемы, абонентские пункты и устройства коммутации. Система СТД оперировала только аналоговыми сигналами. Основным недостатком СТД является невысокое быстродействие (9600 бит/с, реально 2400 бит/с). Поэтому одним из направлений совершенствования СТД явилась разработка цифровых телефонных коммутаторов. Вторым существенным недостатком СТД является возможность передачи данных по каналу связи в один и тот же момент времени только с одной скоростью. Этот недостаток был преодолен использованием впервые в 70-х годах в США коммуникаций кабельного телевидения, позволяющих вести широкополосную передачу (ШП). Третьим направлением перехода к сетям была разработка высокоскоростных шин для обеспечения взаимодействия нескольких больших ЭВМ. Четвертым направлением развития сетей была реализация распределённой обработки данных.

К середине 80-х годов, с появлением ПЭВМ все отмеченные тенденции развития сетей стали сближаться, что привело к разработке современных компьютерных сетей. Преимущества использования компьютерных сетей

Рассмотрим, преимущества, получаемые при сетевом объединении персональных компьютеров.

Разделение ресурсов позволяет экономно использовать ресурсы, например, управлять периферийными устройствами, такими как лазерные печатающие устройства, со всех присоединенных рабочих станций. Разделение данных Разделение данных предоставляет возможность доступа и управления базами данных с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации Разделение программных средств Разделение программных средств предоставляет возможность одновременного использования централизованных, ранее установленных программных средств. Разделение ресурсов процессора При разделение ресурсов процессора возможно использование вычислительных мощностей для обработки данных другими системами, входящими в сеть.

Предоставляемая возможность заключается в том, что на имеющиеся ресурсы не "набрасываются" моментально, а только лишь через специальный процессор, доступный каждой рабочей станции. Многопользовательский режим Многопользовательские свойства системы содействуют одновременному использованию централизованных прикладных программных средств, ранее установленных и управляемых, например, если пользователь системы работает с другим заданием, то текущая выполняемая работа отодвигается на задний план.

Классификация компьютерных сетей:

• Искусственные и реальные сети.

• Территориальная распространенность.

• Ведомственная принадлежность.

• Скорость передачи информации.

• Тип среды передачи информации.

• Топология компьютерных сетей.

• Одно ранговые и иерархические сети.

Искусственные и реальные сети по способу организации сети подразделяются на реальные и искусственные. Искусственные сети (псевдосети) позволяют связывать компьютеры вместе через последовательные или параллельные порты и не нуждаются в дополнительных устройствах. Иногда связь в такой сети называют связью по нуль модему (не используется модем). Само соединение называют нуль-модемным.

Искусственные сети используются, когда необходимо перекачать информацию с одного компьютера на другой. MS-DOS и windows снабжены специальными программами для реализации нуль-модемного соединения. Основной недостаток - низкая скорость передачи данных и возможность соединения только двух компьютеров. Реальные сети позволяют связывать компьютеры с помощью специальных устройств коммутации и физической среда передачи данных. Основной недостаток - необходимость в дополнительных устройствах. В дальнейшем употребляя термин компьютерная сеть будем иметь в ввиду реальные сети. Все многообразие компьютерных сетей можно классифицировать по группе признаков: Территориальная распространенность; Ведомственная принадлежность; Скорость передачи информации; Тип среды передачи; Топология; Организация взаимодействия компьютеров. Территориальная распространенность По территориальной распространенности сети могут быть локальными, глобальными, и региональными. Локальные - это сети, перекрывающие территорию не более 10 м2 Региональные - расположенные на территории города или области Глобальные на территории государства или группы государств, например, всемирная сеть Internet. В классификации сетей существует два основных термина: LAN и wAN. LAN (Local Area Network) - локальные сети, имеющие замкнутую инфраструктуру до выхода на поставщиков услуг.

Термин "LAN" может описывать и маленькую офисную сеть, и сеть уровня большого завода, занимающего несколько сотен гектаров. Зарубежные источники дают даже близкую оценку - около шести миль (10 км) в радиусе; использование высокоскоростных каналов. wAN (wide Area Network) - глобальная сеть, покрывающая большие географические регионы, включающие в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Пример wAN - сети с коммутацией пакетов (Frame relay), через которую могут "разговаривать" между собой различные компьютерные сети.

Термин "корпоративная сеть" также используется в литературе для обозначения объединения нескольких сетей, каждая из которых может быть построена на различных технических, программных и информационных принципах. Локальные сети являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешен только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в такой сети непосредственно связана с их профессиональной деятельностью. Глобальные сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание любых пользователей.

Ведомственная принадлежность по принадлежности различают ведомственные и государственные сети. Ведомственные принадлежат одной организации и располагаются на ее территории. Государственные сети - сети, используемые в государственных структурах.

Скорость передачи информации По скорости передачи информации компьютерные сети делятся на низко, среднее и высокоскоростные. низкоскоростные (до 10 Мбит/с), среднескоростные (до 100 Мбит/с), высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с); Для определения скорости передачи данных в сети широко используется бод. Бод (Baud) – единица скорости передачи сигнала, измеряемая числом дискретных переходов или событий в секунду. Если каждое событие представляет собой один бит, бод эквивалентен бит/сек (в реальных коммуникациях это зачастую не выполняется).

Тип среды передачи информации По типу среды передачи сети разделяются на: проводные коаксиальные, на витой паре, оптоволоконные беспроводные с передачей информации по радиоканалам, в инфракрасном диапазоне.

Топология компьютерных сетей Введем определения. Узел сети представляет собой компьютер, либо коммутирующее устройство сети. Ветвь сети - это путь, соединяющий два смежных узла. Узлы сети бывают трѐх типов: оконечный узел - расположен в конце только одной ветви; промежуточный узел - расположен на концах более чем одной ветви; смежный узел - такие узлы соединены по крайней мере одним путѐм, не содержащим никаких других узлов. Способ соединения компьютеров в сеть называется еѐ топологией.

Наиболее распространенные виды топологий сетей: Линейная сеть Содержит только два оконечных узла, любое число промежуточных узлов и имеет только один путь между любыми двумя узлами. Кольцевая сеть Сеть, в которой к каждому узлу присоединены две и только две ветви. Древовидная сеть сеть, которая содержит более двух оконечных узлов и по крайней мере два промежуточных узла, и в которой между двумя узлами имеется только один путь. Одноранговые и иерархические сети

С точки зрения организации взаимодействия компьютеров, сети делят на одноранговые (Peer-to-Peer Network) и с выделенным сервером (Dedicated Server Network). Одноранговые сети Все компьютеры одноранговой сети равноправны. Любой пользователь сети может получить доступ к данным, хранящимся на любом компьютере.

Одноранговые сети могут быть организованы с помощью таких операционных систем, как LANtastic, windows'3.11, Novell Netware Lite. Указанные программы работают как с DOS, так и с windows. Одноранговые сети могут быть организованы также на базе всех современных 32-разрядных операционных систем - windows 9x\ME\2k, windows NT workstation версии, OS/2) и некоторых других. Достоинства одноранговых сетей: Наиболее просты в установке и эксплуатации. Операционные системы DOS и windows обладают всеми необходимыми функциями, позволяющими строить одноранговую сеть. Недостатки: В условиях одноранговых сетей затруднено решение вопросов защиты информации. Поэтому такой способ организации сети используется для сетей с небольшим количеством компьютеров и там, где вопрос защиты данных не является принципиальным.

Иерархические сети В иерархической сети при установке сети заранее выделяются один или несколько компьютеров, управляющих обменом данных по сети и распределением ресурсов. Такой компьютер называют сервером. Любой компьютер, имеющий доступ к услугам сервера называют клиентом сети или рабочей станцией.

Сервер в иерархических сетях - это постоянное хранилище разделяемых ресурсов. Сам сервер может быть клиентом только сервера

1.

более высокого уровня иерархии. Поэтому иерархические сети иногда называются сетями с выделенным сервером. Серверы обычно представляют собой высокопроизводительные компьютеры, возможно, с несколькими параллельно работающими процессорами, с винчестерами большой емкости, с высокоскоростной сетевой картой (100 Мбит/с и более).

Иерархическая модель сети является наиболее предпочтительной, так как позволяет создать наиболее устойчивую структуру сети и более рационально распределить ресурсы. Также достоинством иерархической сети является более высокий уровень защиты данных. К недостаткам иерархической сети, по сравнению с одноранговыми сетями, относятся: Необходимость дополнительной ОС для сервера. Более высокая сложность установки и модернизации сети.

Необходимость выделения отдельного компьютера в качестве сервера. Две технологии использования сервера Различают две технологии использования сервера: технологию файлсервера и архитектуру клиент- сервер. В первой модели используется файловый сервер, на котором хранится большинство программ и данных. По требованию пользователя ему пересылаются необходимая программа и данные. Обработка информации выполняется на рабочей станции. В системах с архитектурой клиент-сервер обмен данными осуществляется между приложением-клиентом (front-end) и приложением-сервером (backend).

Хранение данных и их обработка производится на мощном сервере, который выполняет также контроль за доступом к ресурсам и данным. Рабочая станция получает только результаты запроса. Разработчики приложений по обработке информации обычно используют эту технологию. Использование больших по объему и сложных приложений привело к развитию многоуровневой, в первую очередь трехуровневой архитектуры с размещением данных на отдельном сервере базы данных.. Все обращения к базе данных идут через сервер приложений, где они объединяются. Организация компьютерных сетей.

Основными требованиями, которым должна удовлетворять организация ИВС, являются следующие: Открытость - возможность включения дополнительных абонентских, ассоциативных ЭВМ, а также линий (каналов) связи без изменения технических и программных средств существующих компонентов сети. Кроме того, любые две ЭВМ должны взаимодействовать между собой, несмотря на различие в конструкции, производительности, месте изготовления, функциональном назначении. Гибкость - сохранение работоспособности при изменении структуры в результате выхода из строя ЭВМ или линии связи. Эффективность - обеспечение требуемого качества обслуживания пользователей при минимальных затратах. Модель OSI

1.Международной организацией стандартов утверждены определѐнные требования к организации взаимодействия между системами сети. Эти требования получили название OSI (Open System Interconnection) - "эталонная модель взаимодействия открытых систем". Согласно требованиям эталонной модели, каждая система сети должна осуществлять взаимодействие посредствам передачи кадра данных.

Согласно модели OSI образование и передача кадра осуществляется с помощью 7-ми последовательных действий, получивших название "уровень обработки". Основная идея этой модели заключается в том, что каждому уровню отводится конкретная ролью в том числе и транспортной среде. Благодаря этому общая задача передачи данных расчленяется на отдельные легко обозримые задачи. Так как пользователи нуждаются в эффективном управлении, система вычислительной сети представляется как комплексное строение, которое координирует взаимодействие задач пользователей. Отдельные уровни базовой модели проходят в направлении вниз от источника данных (от уровня 7 к уровню 1) и в направлении вверх от приемника данных (от уровня 1 к уровню 7).

Пользовательские данные передаются в нижерасположенный уровень вместе со специфическим для уровня заголовком до тех пор, пока не будет достигнут последний уровень. На приемной стороне поступающие данные анализируются и, по мере надобности, передаются далее в вышерасположенный уровень, пока информация не будет передана в пользовательский прикладной уровень.

Уровень 1. Физический. На физическом уровне определяются электрические, механические, функциональные и процедурные параметры для физической связи в системах. Физическая связь и неразрывная с ней эксплуатационная готовность являются основной функцией 1-го уровня. Стандарты физического уровня включают рекомендации V.24 МККТТ (CCITT), EIA rS232 и Х.21. Стандарт ISDN ( Integrated Services Digital Network) в будущем сыграет определяющую роль для функций передачи данных. В качестве среды передачи данных используют трехжильный медный провод (экранированная витая пара), коаксиальный кабель, оптоволоконный проводник и радиорелейную линию.

Уровень 2. Канальный. Канальный уровень формирует из данных, передаваемых 1-м уровнем, так называемые "кадры", последовательности кадров. На этом уровне осуществляются управление доступом к передающей среде, используемой несколькими ЭВМ, синхронизация, обнаружение и исправление ошибок.

Уровень 3. Сетевой. Сетевой уровень устанавливает связь в вычислительной сети между двумя абонентами. Соединение происходит благодаря функциям маршрутизации, которые требуют наличия сетевого адреса в пакете. Сетевой уровень должен также обеспечивать обработку ошибок, мультиплексирование, управление потоками данных. Самый известный стандарт, относящийся к этому уровню, рекомендация Х.25 МККТТ (для сетей общего пользования с коммутацией пакетов).

Уровень 4. Транспортный. Транспортный уровень поддерживает непрерывную передачу данных между двумя взаимодействующими друг с другом пользовательскими процессами. Качество транспортировки, безошибочность передачи, независимость вычислительных сетей, сервис транспортировки из конца в конец, минимизация затрат и адресация связи гарантируют непрерывную и безошибочную передачу данных.

Уровень 5. Сеансовый. Сеансовый уровень координирует прием, передачу и выдачу одного сеанса связи. Для координации необходимы контроль рабочих параметров, управление потоками данных промежуточных накопителей и диалоговый контроль, гарантирующий передачу, имеющихся в распоряжении данных. Кроме того, сеансовый уровень содержит дополнительно функции управления паролями, подсчета платы за пользование ресурсами сети, управления диалогом, синхронизации и отмены связи в сеансе передачи после сбоя вследствие ошибок в нижерасположенных уровнях.

Уровень 6. Представления данных. Уровень представления данных предназначен для интерпретации данных; а также подготовки данных для пользовательского прикладного уровня. На этом уровне происходит преобразование данных из кадров, используемых для передачи данных в экранный формат или формат для печатающих устройств оконечной системы.

Уровень 7. Прикладной. В прикладном уровне необходимо предоставить в распоряжение пользователей уже переработанную информацию. С этим может справиться системное и пользовательское прикладное программное обеспечение. Компоненты компьютерной сети Для организации компьютерной сети необходимо наличие: Сетевого программного обеспечения Физической среды передачи данных Коммутирующих устройств.

Сетевое ПО Сетевое программное обеспечение состоит из двух важнейших компонентов:

1) Сетевого программного обеспечения, устанавливаемого на компьютерах-клиентах.

2) Сетевого программного обеспечения, устанавливаемого на компьютерах-серверах. Сетевая операционная система связывает все компьютеры и периферийные устройства в сети, координирует функции всех компьютеров и периферийных устройств в сети, обеспечивает защищѐнный доступ к данным и периферийным устройствам в сети. Примеры сетевых ОС: Netware 3.11, Nowell Inc.

LAN Server, IВМ Согр. VINES 5.52, Banyan System Inc. windows NT Advanced Server 4.0, windows 2k Unix, Linux, FreeBSD Физическая среда передачи данных Определяет:

1) Cкорость передачи данных в сети;

2) Размер сети

3) Требуемый набор служб (передача данных, речи, мультимедиа и т.д.), который необходимо организовать.

4) Требования к уровню шумов и помехозащищенности;

5) Общую стоимость проекта, включающая покупку оборудования, монтаж и последующую эксплуатацию. Кабельный сегмент сети - цепочка отрезков кабелей, электрически соединенных друг с другом. Логический сегмент сети, или просто сегмент - группа узлов сети, имеющих непосредственный доступ друг к другу на уровне пакетов канального уровня.

В интеллектуальных хабах Ethernet группы портов могут объединяться в логические сегменты для изоляции их трафика от других сегментов в целях повышения производительности и защиты. Коммутирующие устройства предназначены для связи сегментов сети. Концентратор-хаб (Hub) - устройство физического подключения нескольких сегментов или лучей, обычно с возможностью соединения сетей различных архитектур.

Интеллектуальный хаб (Intelligent Hub) имеет специальные средства для диагностики и управления, что позволяет оперативно получать сведения об активности и исправности узлов, отключать неисправные узлы и т. д. Стоимость существенно выше, чем у обычных.

Активный хаб (Active Hub) усиливает сигналы, требует источника питания. Peer Hub - хаб, исполненный в виде платы расширения PC, использующей только источник питания PC.

Пассивный хаб (Passive Hub) только согласует импедансы линий (в сетях ArCnet). Standalone Hub - самостоятельное устройство с собственным источником питания (обычный вариант).

Повторитель (repeater) - устройство для соединения сегментов одной сети, обеспечивающее промежуточное усиление и формирования сигналов.Позволяет расширять сеть по расстоянию и количеству подключенных узлов.

Мост (Bridge) - средство передачи пакетов между сетями (локальными), для протоколов сетевого уровня прозрачен. Осуществляет фильтрацию пакетов, не выпуская из сети пакеты для адресатов, находящихся внутри сети, а также переадресацию - передачу пакетов в другую сеть в соответствии с таблицей маршрутизации или во все другие сети при отсутствии адресата в таблице. Таблица маршрутизации обычно составляется в процессе самообучения по адресу источника приходящего пакета.

Маршрутизатор (router) - средство обеспечения связи между узлами различных сетей, использует сетевые (логические) адреса. Сети могут находиться на значительном расстоянии, и путь, по которому передается пакет, может проходить через несколько маршрутизаторов. Сетевой адрес интерпретируется как иерархическое описание местоположения узла.

Маршрутизаторы поддерживают протоколы сетевого уровня: IP, IPX, X.25, IDP.

Мультипротокольные маршрутизаторы (более сложные и дорогие) поддерживают несколько протоколов одновременно для гетерогенных сетей.

Brouter (Bridging router) - комбинация моста и маршрутизатора, оперирует как на сетевом, так и на канальном уровне. Основные характеристики маршрутизатора: тип: одно- или многопротокольный, LAN или wAN, Brouter; поддерживаемые протоколы; пропускная способность; типы подключаемых сетей; поддерживаемые интерфейсы (LAN и wAN); количество портов; возможность управления и мониторинга сети. Шлюз (Gateway) - средство соединения существенно разнородных сетей. В отличие от повторителей, мостов и маршрутизаторов, прозрачных для пользователя, присутствие шлюза заметно.

Шлюз выполняет преобразование форматов и размеров пакетов, преобразование протоколов, преобразование данных, мультиплексирование. Обычно реализуется на основе компьютера с большим объемом памяти. Примеры шлюзов: Fax: обеспечивает доступ к удаленному факсу, преобразуя данные в факсформат; E-mail: обеспечивает почтовую связь между локальными сетями. Шлюз обычно связывает MHS, специфичный для сетевой операционной системы с почтовым сервисом по X.400; Internet: обеспечивает доступ к глобальной сети Internet. Передача данных в сети Для передачи информации по коммуникационным линиям данные преобразуются в цепочку следующих друг за другом битов (двоичное кодирование с помощью двух состояний:"0" и "1"). При передаче данных их разделяют на отдельные пакеты, передающиеся последовательно друг за другом. Пакет включает в себя: адрес отправителя, адрес получателя, данные, контрольный бит. Для правильной и, следовательно, полной и безошибочной передачи данных необходимо придерживаться согласованных и установленных правил. Все они оговорены в протоколе передачи данных. Протокол передачи данных требует следующей информации:

Синхронизация

Под синхронизацией понимают механизм распознавания начала блока данных и его конца.

Инициализация

Под инициализацией понимают установление соединения между взаимодействующими партнерами.

Блокирование

Под блокированием понимают разбиение передаваемой информации на блоки данных строго определенной максимальной длины (включая опознавательные знаки начала блока и его конца).

Адресация

Адресация обеспечивает идентификацию различного используемого оборудования данных, которое обменивается друг с другом информацией во время взаимодействия.

Обнаружение ошибок

Под обнаружением ошибок понимают установку битов четности и, следовательно, вычисление контрольных битов. Нумерация блоков - Текущая нумерация блоков позволяет установить ошибочно передаваемую или потерявшуюся информацию.

Управление потоком данных

Управление потоком данных служит для распределения и синхронизации информационных потоков. Так, например, если не хватает места в буфере устройства данных или данные не достаточно быстро обрабатываются в периферийных устройствах (например, принтерах), сообщения и / или запросы накапливаются. Методы восстановления - После прерывания процесса передачи данных используют методы восстановления, чтобы вернуться к определенному положению для повторной передачи информации.

Разрешение доступа

Распределение, контроль и управление ограничениями доступа к данным вменяются в обязанность пункта разрешения доступа (например, "только передача" или "только прием". Архитектура сети Архитектура сети определяет технологию передачи данных в сети. Наиболее распространены следующие архитектуры: Ethernet, Token ring, ArCNET, FDDI. Ethernet Появилась технология Ethernet - во второй половине 70-х годов. Ее разработали совместно фирмы DEC, Intel и Xerox. В настоящее время эта технология наиболее доступна и популярна. Топология - шина, звезда Среда передачи данных - коаксиал, витая пара. Скорость передачи данных - до 100 Мбит/с Длина кабельного сегмента сети - не более 100 м до хаба

Принципы работы сети Ethernet: Никому не разрешается посылать сообщения в то время, когда этим занят уже кто-то другой (слушай перед тем, как отправить). Если два или несколько отправителей начинают посылать сообщения примерно в один и тот же момент, рано или поздно их сообщения "столкнутся" друг с другом в проводе, что называется коллизией. Коллизии нетрудно распознать, поскольку они всегда вызывают сигнал помехи, который не похож на допустимое сообщение. Ethernet может распознать помехи и заставляет отправителя приостановить передачу, подождать некоторое время, прежде, чем повторно отправить сообщение. Достоинства Ethernet: Дешевизна. Большой опыт использования. Продолжающиеся нововведения. Богатство выбора. Многие изготовители предлагают аппаратуру построения сетей, базирующуюся на Ethernet. Недостатки Ethernet:

Возможность столкновений сообщений (коллизии, помехи). В случае большой загрузки сети время передачи сообщений непредсказуемо. Token ring Token ring - маркерное кольцо Более молодой, по сравнению с Ethernet, является технология Token ring (?en. 2.8). Она была разработана фирмой IBM. Технология ориентирована на кольцо, по которому постоянно движется маркер. Маркер представляет собой особого рода пакет, предназначенный для синхронизации передачи данных. Топология - кольцо Среда передачи данных - коаксиал, витая пара.

Скорость передачи данных - до 100 Мбит/с Длина кабельного сегмента сети - не более 185 м до коммутатора. Принципы работы сети Token ring: Каждый абонент сети работает в Token ring согласно принципу "Ждать маркера, если необходимо послать сообщение, присоединить его к маркеру, когда он будет проходить мимо. Если проходит маркер, снять с него сообщение и послать маркер дальше". Достоинства Token ring: Гарантированная доставка сообщений; Высокая скорость. Недостатки Token ring: Необходимы дорогостоящие устройства доступа к сети. Высокая сложность технологии реализации сети. Необходимы 2 кабеля (для повышения надежности): один входящий, другой исходящий от компьютера к концентратору (2-я модификация кольца, коммутатор). Высокая стоимость (160-200% от Ethernet). ArCNET ArCNET Attached resource Computer Network - маркер шины Технология ArCNET была разработана фирмой Datapoint Corporation. Принцип работы сети ArCNET аналогичен Token ring, т.е. используется маркер для разрешения АбС передать информацию в соответствующий момент времени.

Однако "способ" реализации маркера здесь отличен от Token ring. Кроме того, технология ArCNET ориентирована на шину (в случае коаксиального кабеля) или звезду (при наличии витой пары проводов). Топология - шина, звезда Среда передачи данных - коаксиал, витая пара. Скорость передачи данных - до 10 Мбит/с Длина кабельного сегмента сети - не более 185м Достоинства ArCNET: Невысокая стоимость(самая дешевая); Простота использования; Гибкость. Недостатки ArCNET: Низкое быстродействие (1/4 Ethernet, 1/2 - 1/7 Token ring); Плохо работает в условиях мультимедиа, режиме реального времени; Отсутствуют перспективы развития. FDDI FDDI Fiber Distributed Data Interface- волоконно-оптический распределенный механизм передачи данных. Технологи FDDI появилась в середине 80-х годов и ориентирована на волоконную оптику. FDDI поддерживает сеть с передачей маркера. FDDI опирается на 1-ю модификацию циклического кольца (2 кольца: в первом сообщения передаются по часовой стрелке; во втором - против). Топология - кольцо Среда передачи данных - оптоволоконные линии. Скорость передачи данных от 100 Мбит/с Длина кабельного сегмента сети - не более 200км. Достоинства: Очень высокая скорость передачи; Кольцо может быть окружностью до 200 км. и включать до 1000 устройств. Недостаток: высокая стоимость (подключение одной рабочей станции $1000-2000).

Тема 9. Инсталляция и настройка серверной операционной системы Windows Server

1. Серверная операционная система.

2. Служба каталогов Active Directory.

3. Интерпретатор командной строки CMD.

4. Специализированное программное обеспечение для учебного заведения

В отличие от клиентской операционной системы, которая предназначена для управления ресурсами компьютера, на котором она установлена, серверная операционная система обслуживает множество компьютеров в сети.

К основным типам серверов относятся:

• сервер баз данных;

• web-сервер;

• почтовый сервер;

• файловый сервер.

Служба каталогов Active Directory

Служба каталогов Active Directory используется для централизованного управления пользователями, единообразной настройки пользовательских компьютеров, настройки обновлений и централизованной установки программного обеспечения.

Active Directory обладает своей структурой. Верхним уровнем структуры является лес – совокупность всех объектов, атрибутов и правил (синтаксиса атрибутов) в Active Directory. Лес содержит одно или несколько деревьев, а дерево может содержать один или несколько доменов. Домены идентифицируются своими структурами имён. Для определения IP-адреса по имени компьютера используется DNS-сервер, который может быть установлен одновременно с установкой Active Directory.

DHCP-протокол

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)-протокол предназначен для автоматической настройки IP-адреса и других параметров, необходимых для работы в сети TCP/IP. Данный протокол работает по модели «клиентсервер». Для автоматической конфигурации компьютер-клиент на этапе конфигурации сетевого устройства обращается к так называемому серверу DHCP и получает от него нужные параметры. Сетевой администратор может задать диапазон адресов, распределяемых сервером среди компьютеров. Это позволяет избежать ручной настройки компьютеров сети и уменьшает количество ошибок.

Объекты Action Directory

Объекты в домене могут быть сгруппированы в контейнеры — подразделения. Подразделения позволяют создавать иерархию внутри домена, упрощают его администрирование и позволяют моделировать, например, организационную или географическую структуру организации в службе каталогов. Удаленное администрирование сервера. Как правило, только базовая конфигурация сервера осуществляется при непосредственном взаимодействии с серверной машиной. В дальнейшем может потребоваться осуществлять настройку сервера удалённо, с другого компьютера в сети. Для этого используется служба RDS (Remote Desktop Service).

Интерпретатор командной строки CMD. Командная строка может быть использована в случае, если обычный доступ к операционной системе невозможен, в частности во время восстановления ОС после серьезных сбоев.

Командная строка Windows предоставляет набор команд, которые можно использовать для настройки и получения информации о компьютерной сети. Для того чтобы получить доступ к командной строке в Windows XP можно использовать меню Пуск - Выполнить и набрать команду cmd.exe. В Windows Vista и выше командную строку можно запустить использовав меню Все программы – Стандартные – Командная строка. Основные команды для работы с папками и файлами приведены в таблице.

Специализированное программное обеспечение для учебного заведения.

Дистанционное обучение – это обучение, в ходе которого отсутствует непосредственный личный контакт между преподавателем и обучаемым. Дистанционное обучение позволяет учиться жителям регионов, где нет иных возможностей для получения качественного высшего образования. Данную форму обучения можно использовать для повышения квалификации, переподготовки специалистов, для обучения инвалидов: незрячих, глухих и страдающих заболеваниями опорно-двигательного аппарата.

Дистанционное обучение в виде заочного обучения зародилось в начале ХХ в. С середины 70-х гг. ХХ в. во многих странах стали появляться учебные заведения нового типа: «дистанционный», «виртуальный» университет, «электронный» колледж и т. д. Основные типы структур университетского дистанционного образования включают в себя:

1.подразделения дистанционного образования в традиционных университетах;

2. консорциум университетов – специальная организация, объединяющая и координирующая деятельность нескольких университетов;

3. национальные открытые университеты – предполагают свободу зачисления в число обучаемых, составление индивидуального учебного плана, свободу места, времени и темпов обучения;

4. виртуальные университеты – электронные открытые университеты, в которых используются различные формы обучения: виртуальные лекции, виртуальные средства для проектирования, моделирования спроектированного устройства и т. д.

Организационные модели дистанционного обучения:

1. обучение по типу экстерната – предназначено для учащихся и студентов, которые по каким-то причинам не могут посещать традиционные учебные заведения;

2. обучение на базе одного университета – представляет собой целую систему заочного или дистанционного обучения на основе новых информационных технологий;

3. сотрудничество нескольких учебных заведений – позволяет любому гражданину стран содружества, не покидая своей страны, получить любое образование на базе функционирующих в странах содружества колледжей и университетов;

4. автономные обучающие системы – представляют собой обучение посредством ТВ или радиопрограмм, а также дополнительных печатных пособий;

5. интегрированное дистанционное обучение на основе мультимедийных программ – ориентировано на обучение взрослой аудитории, тех людей, которые по каким-то причинам не смогли завершить школьное образование.

Выделяют три категории средств дистанционного обучения:

1. неинтерактивные (печатные материалы, аудио -, видеоучебные материалы);

2. средства компьютерного обучения (электронные учебные издания, компьютерное тестирование и контроль знаний, средства мультимедиа);

3. видеоконференции (средства телекоммуникации по аудио-каналам, видеоканалам и компьютерным сетям).

Технологические модели, используемые при дистанционном обучении:

1) единичная медиа – использование какого-либо одного средства обучения и канала передачи информации (обучение через переписку, учебные радио– или телепередачи);

2) мультимедиа – использование различных средств обучения (аудио– и видеозаписи, печатные учебные пособия, компьютерные программы на различных носителях);

3) гипермедиа – использование новых информационных технологий при ведущем значении компьютерных телекоммуникаций (электронная почта, телеконференции).

Формы дистанционного обучения.

Дистанционное обучение, осуществляемое с помощью компьютерных телекоммуникаций, имеет следующие формы занятий. Чат - занятия — учебные занятия, осуществляемые с использованием чаттехнологий.

Чат-занятия проводятся синхронно, то есть все участники имеют одновременный доступ к чату. В рамках многих дистанционных учебных заведений действует чат-школа, в которой с помощью чат-кабинетов организуется деятельность дистанционных педагогов и учеников. Веб- занятия — дистанционные уроки, конференции, семинары, деловые игры, лабораторные работы, практикумы и другие формы учебных занятий, проводимых с помощью средств телекоммуникаций и других возможностей.

«Всемирной паутины».

Для веб-занятий используются специализированные образовательные вебфорумы — форма работы пользователей по определѐнной теме или проблеме с помощью записей, оставляемых на одном из сайтов с установленной на нем соответствующей программой. От чат-занятий веб- форумы отличаются возможностью более длительной (многодневной) работы и асинхронным характером взаимодействия учеников и педагогов.

Телеконференции - проводятся, как правило, на основе списков рассылки с использованием электронной почты.

Для учебных телеконференций характерно достижение образовательных задач. Также существуют формы дистанционного обучения при котором учебные материалы высылаются почтой в регионы. В основе такой системы заложен метод обучения, который получил название

«Природный процесс обучения» (Natural Learning Manner). Дистанционное обучение – это демократичная простая и свободная система обучения. Она была изобретена в Великобритании[источник не указан 588 дней] и сейчас активно используется жителями Европы, для получения дополнительного образования. Студент, постоянно выполняя практические задания, приобретает устойчивые автоматизированные навыки. Теоретические знания усваиваются без дополнительных усилий, органично вплетаясь в тренировочные упражнения. Формирование теоретических и практических навыков достигается в процессе систематического изучения материалов и прослушивания и повторения за диктором упражнений на аудио и видеоносителях.

Существует много различных способов дистанционного обучения. Например, дистанционное присутствие с помощью робота R.Bot 100. Сейчас в Москве в одной из школ, идѐт эксперимент по такому виду дистанционного обучения. Мальчик инвалид, находясь дома за компьютером, слышит, видит, разговаривает при помощи робота. Учитель задаѐт ему вопросы, он отвечает. При этом и учитель видит ученика, потому что на роботе находится монитор. При этом у мальчика создаѐтся почти полное впечатление, что он находится в классе вместе со своими сверстниками на уроке. На переменах, он может так же общаться со своими одноклассниками. Если эксперимент станет удачным, он может открыть дорогу большому проекту, по внедрению, такого метода дистанционного обучения по всей России.

Преимущества дистанционного образования

Дистанционное образование отвечает принципу гуманистичности, согласно которому никто не должен быть лишен возможности учиться по причине бедности, географической или временной изолированности, социальной незащищенности и невозможности посещать образовательные учреждения в силу физических недостатков или занятости производственными и личными делами. образование доступно всем слоям населения без ограничения по состоянию здоровья. дистанционное обучение дешевле традиционного; обучение эффективнее - Вы сами устанавливаете график занятий, темп обучения; дистанционное обучение доступно из любой точки мира - достаточно только иметь компьютер и доступ в Интернет; дистанционное обучение перспективно - доля дистанционных технологий в образовании растет год от года! дистанционное образование предоставляет возможность учиться, одновременно работая, т.е. применяя свои знания на практике. для дистанционного обучения предоставляются самые полные и новейшие материалы. дистанционное образование предполагает составление удобного для Вас индивидуально расписания.

MOODLE – система дистанционного обучения, включающая в себя средства для разработки дистанционных курсов. Аббревиатура MOODLE образована из начальных букв названия: Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment (модульная объектно- ориентированная динамическая учебная среда). Кроме того, название MOODLE было выбрано вследствие того, что оказалось свободным соответствующее доменное имя. В русскоязычном произношении употребляются также названия «Мудл» и «Моодус», чтобы сохранить аббревиатуру перевода с англоязычного: модульная объектно-ориентированная динамическая управляющая среда. Разработка системы дистанционного обучения MOODLE имеет начало с 1999 года (с 2001 года в текущей архитектуре). Текущая версия системы дистанционного обучения MOODLE — 2.0. Версия 2.0 системы дистанционного обучения MOODLE выпущена в ноябре 2010 года.

Интерфейс системы дистанционного обучения MOODLE переведен на 82 языка и используется почти в более чем 200 стран мира. На сегодняшний день система дистанционного обучения MOODLE является самой распространенной системой дистанционного обучения с самым большим количеством пользователей и разработчиков курсов. Основным преимуществом системы дистанционного обучения MOODLE является возможность ее бесплатного использования. При этом функциональность этой системы дистанционного обучения не уступает коммерческим аналогам. Главнейшие возможности MOODLE: система реализует философию педагогики социального конструкционизма, то есть сотрудничество, действия, критическое осмысление; подходит для организации online- классов, а также для организации традиционного обучения; большинство страниц могут быть отредактированы с помощью встроенного редактора; легкость инсталляции, а также обновления при переходе на новые версии. Электронный формат позволяет использовать в качестве «учебника» не только текст, но и интерактивные ресурсы любого формата от статьи в

Википедии до видеоролика на YouTube.

Все материалы курса хранятся в системе, их можно организовать с помощью ярлыков, тегов или гипертекстовых ссылок. Благодаря тому, что доступ к MOODLE осуществляется через Интернет или другие сети, обучаемые не привязаны к конкретному месту и времени, могут двигаться по материалу в собственном темпе.

Тема 10 Сетевая безопасность

1. Атакуемые сетевые компоненты.

2. Рабочие станции.

3. Среда передачи информации.

4. Узлы коммутации сетей.

5. Уровни сетевых атак согласно модели OSI

Основными компонентами любой информационной сети являются сервера и рабочие станции. Сервера предоставляют информационные или вычислительные ресурсы, на рабочих станциях работает персонал. В принципе любая ЭВМ в сети может быть одновременно и сервером, и рабочей станцией – в этом случае к ней применимы описания атак, посвященные и серверам и рабочим станциям.

Основными задачами серверов являются хранение и предоставление доступа к информации и некоторые виды сервисов. Следовательно, и все возможные цели злоумышленников можно классифицировать:

• как получение доступа к информации,

• получение несанкционированного доступа к услугам,

• попытка вывода из рабочего режима определенного класса услуг,

• попытка изменения информации или услуг, как вспомогательный этап какой-либо более крупной атаки.

Попытки получения доступа к информации, находящейся на сервере, в принципе ничем не отличаются от подобных попыток для рабочих станций, и мы рассмотрим их позднее. Проблема получения несанкционированного доступа к услугам принимает чрезвычайно разнообразные формы и основывается в основном на ошибках или недокументированных возможностях самого программного обеспечения, предоставляющего подобные услуги. А вот проблема вывода из строя (нарушения нормального функционирования) сервисов довольно актуальна в современном компьютерном мире. Класс подобных атак получил название атака "отказ в сервисе" (англ. deny of service – DoS ). Атака "отказ в сервисе" может быть реализована на целом диапазоне уровней модели OSI: физическом, канальном, сетевом, сеансовом.

Детально схемы реализации данной атаки мы рассмотрим в параграфе, посвященном модели OSI. Изменение информации или услуг как часть более крупномасштабной атаки является также очень важной проблемой в защите серверов. Если на сервере хранятся пароли пользователей или какие-либо данные, которые могут позволить злоумышленнику, изменив их, войти в систему (например, сертификаты ключей), то естественно, сама атака на систему начнется с атаки на подобный сервер. В качестве серверов услуг, наиболее часто подвергающимся модификации, следует назвать DNS- сервера. DNS-служба (англ. Domain Name System – служба доменных имен) в сетях Intra - и Inter- Net отвечает за сопоставление "произносимых" и легко запоминаемых доменных имен (например, www.intel.com или mail.metacom.ru) к их IP-адресам (например, 165.140.12.200 или 194.186.106.26).

Пакеты между станциями всегда передаются только на основании IP- адресов (маршрутизаторы ориентируются только на их значения при выборе направления отправки пакета – доменное имя вообще не включается в отправляемый пакет), а служба DNS была создана в основном для удобства пользователей сети. Как следствие и во многих сетевых программах имя удаленного компьютера для большей гибкости или для удобства операторов заносится не в виде 4-байтного IP-адреса, а в виде доменного имени. Да, действительно, два указанных преимущества будут достигнуты в этом случае, а вот безопасность пострадает. Дело в том, что, если злоумышленнику удастся заполучить права доступа к DNS-серверу, обслуживающему данный участок сети, то он вполне может изменить программу DNS-сервиса. Обычно изменение делается таким образом, чтобы по некоторым видам запросов вместо правильного IP-адреса клиенту выдавался IPадрес какой-либо вспомогательной машины злоумышленника, а все остальные запросы обрабатывались корректно. Это дает возможность изменять путь прохождения трафика, который возможно содержит конфиденциальную информацию, и делать так, что весь поток информации, который в нормальном режиме прошел бы вне досягаемости от прослушивания, теперь поступал сначала прямо в руки злоумышленника (а затем его уже можно переправлять по настоящему IP-адресу второго абонента).

Рабочие станции. Основной целью атаки рабочей станции является, конечно, получение данных, обрабатываемых, либо локально хранимых на ней. А основным средством подобных атак до сих пор остаются "троянские" программы. Эти программы по своей структуре ничем не отличаются от компьютерных вирусов, однако при попадании на ЭВМ стараются вести себя как можно незаметнее. При этом они позволяют любому постороннему лицу, знающему протокол работы с данной троянской программой, производить удаленно с ЭВМ любые действия. То есть основной целью работы подобных программ является разрушение системы сетевой защиты станции изнутри – пробивание в ней огромной бреши. В настоящее время широкую известность получили программы NetBus и BackOriffice.

Для борьбы с троянскими программами используется как обычное антивирусное ПО, так и несколько специфичных методов, ориентированных исключительно на них. В отношении первого метода как и с компьютерными вирусами необходимо помнить, что антивирусное ПО обнаруживает огромное количество вирусов, но только таких, которые широко разошлись по стране и имели многочисленные прецеденты заражения. В тех же случаях, когда вирус или троянская программа пишется с целью получения доступа именно к Вашей ЭВМ или корпоративной сети, то она практически с вероятностью 90% не будет обнаружена стандартным антивирусным ПО. Те троянские программы, которые постоянно обеспечивают доступ к зараженной ЭВМ, а, следовательно, держат на ней открытый порт какого- либо транспортного протокола, можно обнаруживать с помощью утилит контроля за сетевыми портами. Например, для операционных систем семейства Microsoft Windows такой утилитой является программа NetStat. Запуск ее с ключом "netstat -a" выведет на экран все активные порты ЭВМ. От оператора в этом случае требуется знать порты стандартных сервисов, которые постоянно открыты на ЭВМ, и тогда, любая новая запись на мониторе должна привлечь его внимание.

На сегодняшний день существует уже несколько программных продуктов, производящих подобный контроль автоматически. В отношении троянских программ, которые не держат постоянно открытых транспортных портов, а просто методически пересылают на сервер злоумышленника какую- либо информацию (например, файлы паролей или полную копию текста, набираемого с клавиатуры), возможен только сетевой мониторинг. Это достаточно сложная задача, требующая либо участия квалифицированного сотрудника, либо громоздкой системы принятия решений. Поэтому наиболее простой путь, надежно защищающий как от компьютерных вирусов, так и от троянских программ – это установка на каждой рабочей станции программ контроля за изменениями в системных файлах и служебных областях данных (реестре, загрузочных областях дисков и т.п.) – так называемых адвизоров (англ. adviser – уведомитель).

Среда передачи информации. Естественно, основным видом атак на среду передачи информации является ее прослушивание. В отношении возможности прослушивания все линии связи делятся на:

• широковещательные с неограниченным доступом

• широковещательные с ограниченным доступом

• каналы "точка-точка"

К первой категории относятся схемы передачи информации, возможность считывания информации с которых ничем не контролируется. Такими схемами, например, являются инфракрасные и радиоволновые сети. Ко второй и третьей категориям относятся уже только проводные линии: чтение информации с них возможно либо всеми станциями, подключенными к данному проводу (широковещательная категория), либо только теми станциями и узлами коммутации через которые идет пакет от пункта отправки до пункта назначения (категория "точка-точка").

К широковещательной категории сетей относятся сеть TokenRing, сеть EtherNet на коаксиальной жиле и на повторителях (хабах – англ. hub). Целенаправленную (защищенную от прослушивания другими рабочими станциями) передачу данных в сетях EtherNet производят сетевые коммутаторы типа свич (англ. switch) и различного рода маршрутизаторы (роутеры – англ. router). Сеть, построенная по схеме с защитой трафика от прослушивания смежными рабочими станциями, почти всегда будет стоить дороже, чем широковещательная топология, но за безопасность нужно платить. В отношении прослушивания сетевого трафика подключаемыми извне устройствами существует следующий список кабельных соединений по возрастанию сложности их прослушивания:

• невитая пара – сигнал может прослушиваться на расстоянии в несколько сантиметров без непосредственного контакта,

• витая пара – сигнал несколько слабее, но прослушивание без непосредственного контакта также возможно,

• коаксиальный провод – центральная жила надежно экранирована оплеткой: необходим специальный контакт, раздвигающий или режущий часть оплетки, и проникающий к центральной жиле,

• оптическое волокно – для прослушивания информации необходимо вклинивание в кабель и дорогостоящее оборудование, сам процесс подсоединения к кабелю сопровождается прерыванием связи и может быть обнаружен, если по кабелю постоянно передается какой-либо контрольный блок данных.

Вывод систем передачи информации из строя (атака "отказ в сервисе") на уровне среды передачи информации возможен, но обычно он расценивается уже как внешнее механическое или электронное (а не программное) воздействие. Возможны физическое разрушение кабелей, постановка шумов в кабеле и в инфра- и радио- трактах.

Узлы коммутации сетей. Узлы коммутации сетей представляют для злоумышленников 1) как инструмент маршрутизации сетевого трафика, и 2) как необходимый компонент работоспособности сети. В отношении первой цели получение доступа к таблице маршрутизации позволяет изменить путь потока возможно конфиденциальной информации в интересующую злоумышленника сторону. Дальнейшие его действия могут быть подобны атаке на DNS-сервер. Достичь этого можно либо непосредственным администрированием, если злоумышленник каким-либо получил права администратора (чаще всего узнал пароль администратора или воспользовался не смененным паролем по умолчанию). В этом плане возможность удаленного управления устройствами коммутации не всегда благо: получить физический доступ к устройству, управляемому только через физический порт, гораздо сложнее.

Либо же возможен второй путь атаки с целью изменения таблицы маршрутизации – он основан на динамической маршрутизации пакетов, включенной на многих узлах коммутации. В таком режиме устройство определяет наиболее выгодный путь отправки конкретного пакета, основываясь на истории прихода определенных служебных пакетов сети – сообщений маршрутизации (протоколы ARP, RIP и другие). В этом случае при фальсификации по определенным законам нескольких подобных служебных пакетов можно добиться того, что устройство начнет отправлять пакеты по пути, интересующем злоумышленника, думая, что это и есть самый быстрый путь к пункту назначения.

При атаке класса "отказ в сервисе" злоумышленник обычно заставляет узел коммутации либо передавать сообщения по неверному "тупиковому" пути (как этого можно добиться мы рассмотрели выше), либо вообще перестать передавать сообщения. Для достижения второй цели обычно используют ошибки в программном обеспечении, запущенном на самом маршрутизаторе, с целью его "зависания". Так, например, совсем недавно было обнаружено, что целый модельный ряд маршрутизаторов одной известной фирмы при поступлении на его IP-адрес довольно небольшого потока неправильных пакетов протокола TCP либо перестает передавать все остальные пакеты до тех пор, пока атака не прекратиться, либо вообще зацикливается.

Уровни сетевых атак согласно модели OSI. Эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI (англ. Open Systems Interconnection) была разработана институтом стандартизации ISO с целью разграничить функции различных протоколов в процессе передачи информации от одного абонента другому.

Подобных классов функций было выделено 7 – они получили название уровней. Каждый уровень выполняет свои определенные задачи в процессе передачи блока информации, причем соответствующий уровень на приемной стороне производит преобразования, точно обратные тем, которые производил тот же уровень на передающей стороне. В целом прохождение блока данных от отправителя к получателю показано на рис.1.

Каждый уровень добавляет к пакету небольшой объем своей служебной информации – префикс (на рисунке они изображены как P1...P7). Некоторые уровни в конкретной реализации вполне могут отсутствовать. Данная модель позволяет провести классификацию сетевых атак согласно уровню их воздействия. Физический уровень отвечает за преобразование электронных сигналов в сигналы среды передачи информации (импульсы напряжения, радиоволны, инфракрасные сигналы). На этом уровне основным классом атак является "отказ в сервисе".

Постановка шумов по всей полосе пропускания канала может привести к "надежному" разрыву связи. Канальный уровень управляет синхронизацией двух и большего количества сетевых адаптеров, подключенных к единой среде передачи данных. Примером его является протокол EtherNet. Воздействия на этом уровне также заключаются в основном в атаке "отказ в сервисе". Однако, в отличие от предыдущего уровня, здесь производится сбой синхропосылок или самой передачи данных периодической передачей "без разрешения и не в свое время". Сетевой уровень отвечает за систему уникальных имен и доставку пакетов по этому имени, то есть за маршрутизацию пакетов. Примером такого протокола является протокол Интернета IP.

Все атаки, основанные на заведомо неправильной маршрутизации пакетов, мы уже рассмотрели. Транспортный уровень отвечает за доставку больших сообщений по линиям с коммутацией пакетов. Так как в подобных линиях размер пакета представляет собой обычно небольшое число (от 500 байт до 5 килобайт), то для передачи больших объемов информации их необходимо разбивать на передающей стороне и собирать на приемной. Транспортными протоколами в сети Интернет являются протоколы UDP и TCP. Реализация транспортного протокола – довольно сложная задача, а если еще учесть, что злоумышленник придумывает самые разные схемы составления неправильных пакетов, то проблема атак транспортного уровня вполне объяснима.

Все дело в том, что пакеты на приемную сторону могут приходить и иногда приходят не в том порядке, в каком они были отправлены. Причина обычно состоит в потере некоторых пакетов из-за ошибок или переполненности каналов, реже – в использовании для передачи потока двух альтернативных путей в сети. А, следовательно, операционная система должна хранить некоторый буфер пакетов, дожидаясь прихода.

А если злоумышленник с умыслом формирует пакеты таким образом, чтобы последовательность была большой и заведомо неполной, то тут можно ожидать как постоянной занятости буфера, так и более опасных ошибок из-за его переполнения. Сеансовый уровень отвечает за процедуру установления начала сеанса и подтверждение (квитирование) прихода каждого пакета от отправителя получателю. В сети Интернет протоколом сеансого уровня является протокол TCP (он занимает и 4, и 5 уровни модели OSI). В отношении сеансового уровня очень широко распространена специфичная атака класса "отказ в сервисе", основанная на свойствах процедуры установления соединения в протоколе TCP.

Она получила название SYN-Flood (зд. flood – англ. "большой поток"). При попытке клиента подключиться к серверу, работающему по протоколу TCP (а его используют более 80% информационных служб, в том числе HTTP, FTP, SMTP, POP3), он посылает серверу пакет без информации, но с битом SYN, установленным в 1 в служебной области пакета – запросом на соединение. По получении такого пакета сервер обязан выслать клиенту подтверждение приема запроса, после чего с третьего пакета начинается собственно диалог между клиентом и сервером. Одновременно сервер может поддерживать в зависимости от типа сервиса от 20 до нескольких тысяч клиентов.

При атаке типа SYN-Flood злоумышленник начинает на своей ЭВМ создавать пакеты, представляющие собой запросы на соединение (то есть SYN-пакеты) от имени произвольных IP-адресов (возможно даже несуществующих) на имя атакуемого сервера по порту сервиса, который он хочет приостановить. Все пакеты будут доставляться получателю, поскольку при доставке анализируется только адрес назначения. Сервер, начиная соединение по каждому из этих запросов, резервирует под него место в своем буфере, отправляет пакет-подтверждение и начинает ожидать третьего пакета клиента в течение некоторого промежутка времени (1-5 секунд).

Пакет-подтверждение уйдет по адресу, указанному в качестве ложного отправителя в произвольную точку Интернета и либо не найдет адресата вообще, либо чрезмерно "удивит" операционную систему на этом IP-адресе (поскольку она никаких запросов на данный сервер не посылала) и будет просто проигнорирован. А вот сервер при достаточно небольшом потоке таких запросов будет постоянно держать свой буфер заполненным ненужными ожиданием соединений и даже SYN-запросы от настоящих легальных пользователей не будут помещаться в буфер : сеансовый уровень просто не знает и не может узнать, какие из запросов фальшивые, а какие настоящие и могли бы иметь больший приоритет. Атака SYN-Flood получила довольно широкое распространение, поскольку для нее не требуется никаких дополнительных подготовительных действий.

Ее можно проводить из любой точки Интернета в адрес любого сервера, а для отслеживания злоумышленника потребуются совместные действия всех провайдеров, составляющих цепочку от злоумышленника до атакуемого сервера (к чести сказать, практически все фирмыпровайдеры, если они обладают соответствующим программным обеспечением и квалифицированным персоналом, активно участвуют в отслеживании атакующей ЭВМ по первой же просьбе, в том числе и от зарубежных коллег).

Ошибки, приводящие к возможности атак на информацию.

Двумя основными классами ошибок при разработке программного обеспечения, приводящими к потенциальной возможности проведения атак на информацию, являются интерференция данных и нарушение неявных ограничений.

Интерференция (то есть непредусмотренное взаимодействие) данных между собой и данных с кодом является менее распространеным, но более опасным синдромом, чем описываемая ниже проблема ограничений по умолчанию.

Практически единственным способом вызвать наслоение данных друг на друга либо данных на код программы является попытка дойти при операции записи до границы области памяти, отведенной под данный блок информации, и преодолеть ее – то есть умышленное переполнение буфера.

Естественно, что это возможно только в тех ситуациях, когда программный код не производит проверки длины записываемого значения. Для целых и дробных чисел, значений времени и тому подобных типов данных запись производится всегда в фиксированном объеме (2 байта, 4 байта, 10 байт). А вот для строк и массивов данных проверки длины перед операциями записи необходимы.

Для того, чтобы заставить ЭВМ выполнить код или записать данные туда, куда у него нет прав записи, злоумышленник специально заставляет систему обрабатывать строки очень большой длины, либо помещать в массив количество элементов большее, чем его объем. В случае успеха возможно либо попадание части строки в сегмент кода или стека с последующим исполнением, либо модификация каких-либо служебных данных, что позволит затем злоумышленнику войти в систему в обход системы защиты.

Естественно, что содержимое конца строки (оказывающееся после переполнения буфера в ненадлежащей области памяти) подбирается специальным образом. Сами данные или строки могут быть абсолютно бессмысленными. Проблема ограничений, которые разработчик программы считает само собой разумеющимися, но которые на самом деле могут не выполняться, встречается гораздо чаще, но реже приводит к каким-либо серьезным последствиям. Чаще всего результатом обработки подобных данных становится прерывание работы программы с сообщением об ошибке или просто "зависание".

То есть данный класс атак используется с целью проведения атаки "отказ в сервисе". Спектр возможных ограничений, не продуманных на этапе разработке ПО, чрезвычайно широк. Это могут быть и отрицательное время или сумма платежа, и текстовое значение на месте ожидаемого числа, и строки, созданные целиком из управляющих символов, и, конечно же, пустые строки. Все это приводит к одному из главных правил разработки ПО: тщательно и полностью проверяйте те входные данные программы, которые поступают в нее от человека, либо передаются по каналу связи, незащищенному от модификации.