вычислительные сети

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, СЕТИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ СОДЕРЖАНИЕ

I.Принципы построения и архитектура ЭВМ

1.Основные характеристики ЭВМ

2.Классификация ЭВМ

3.Общие принципы построения ЭВМ

4.ПЭВМ

5.Современные технологии построения ЭВМ

II.Информационно-логические основы ЭВМ

1.Системы счисления

2.Представление информации в ЭВМ

3.Двоичная арифметика

4.Логические основы ЭВМ

III.Элементная база ЭВМ

1.Классификация элементов и узлов ЭВМ

2.Комбинационные схемы

3.Схемы с памятью

IV. Локальные компьютерные сети

1.Архитектура локальных сетей

2.Физическая среда локальных сетей

3.Методы доступа в сетях шинной топологии

4.Методы доступа в кольцевых сетях

5.Принципы организации глобальных компьютерных сетей: Internet

V. Телекоммуникационные системы

1.Основные сведения о телекоммуникационных системах

2.Основы передачи информации

3.Коммутация в сетях

4.Маршрутизация в сетях

5.Защита информации от ошибок

VI. Корпоративные компьютерные сети

1.Характеристика корпоративных сетей

2.Устройства связи сетей: мосты, шлюзы, маршрутизаторы

3.Межсетевые технологии и протоколы

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ЭВМ

1.1 Основные характеристики ЭВМ ЭВМ - это комплекс технических и программных средств, предназначенный для

автоматизации подготовки и решения задач пользователей. ЭВМ могут обрабатывать любые виды информации: числовую, текстовую, табличную, графическую, видео, звуковую.

Существует три глобальные сферы деятельности человека, в которых необходимо использование ЭВМ:

•Применение ЭВМ для автоматизации вычислений (решение сложных математических задач);

•Использование ЭВМ в системе управления (ЭВМ должны автоматизировать сбор данных, обеспечить распределение обработки результатов и процесс вычисление);

•Решение задач искусственного интеллекта (робототехника, машинные переводы текстов, планирование с учетом неполной информации, составление прогнозов и т.д.).

К основным характеристикам ЭВМ относятся:

•Быстродействие – число команд, выполняемых ЭВМ за 1сек.;

•Производительность – объем работ, выполняемых ЭВМ за 1сек. Единица измерения быстродействия MIPS (Million Instructions Per Second);

•Емкость запоминающих устройств – количество структурных единиц информации, одновременно размещённых в памяти.

Наименьшей структурной единицей информации является бит - одна двоичная цифра (0 или 1). Последовательность из 8 нулей или единиц - это байт:

210 = 1024 байт = 1 Кбайт

210 Кбайт = 1 Мбайт

210 Мбайт = 1 Гбайт

Рис. 1 – Типы емкости ЗУ

•Надёжность – способность ЭВМ при определённых условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени;

•Точность - возможность различать почти равные значения. Точность зависит от разрядности ЭВМ (32, 64 и 128);

•Достоверность - свойство информации быть правильно воспринятой.

1.2 Классификация ЭВМ

По виду обрабатываемой информации:

• Аналоговые ЭВМ – обрабатываемая информация представлена значением аналоговых величин: Iпл , Uпл , j 0 . Аналоговые ВМ имеют точность вычисления (0,001 -

1.4 ПЭВМ ПЭВМ – самый массовый тип вычислительных машин. Сегодня в мировом парке

доля ПЭВМ 80%. Основная цель использования ПЭВМ - формализация профессиональных знаний, например:

•интеллектуально - технические работы - 9%;

•автоматизация управления сбытом, закупками - 16%;

•финансово - экономические расчеты - 15%;

•делопроизводство - 10%;

•игровые задачи - 8% и т.д.

Достоинства ПЭВМ:

•возможность индивидуального взаимодействия с ПК без посредников и ограничений;

•быстродействия в обработке информации;

•простота эксплуатации;

•возможность расширения и адаптации;

•наличие программного обеспечения, охватывающего все сферы человеческой деятельности, а также мощные системы для разработки прикладного обеспечения.

Одной из важной характеристик персональных ЭВМ является тип микропроцессора. Обновление микропроцессора происходит каждые год-два. Лучший микропроцессор начала 2000 г. - это PowerMacG4 с процессором PowerPCG4 (f"500 МГц), разработанный совместно фирмами Apple, Motorola и IBM.

ПЭВМ оснащены ОЗУ - 256 Мб с возможностью дальнейшего наращивания, жесткими дисками - десятки Гбайтов, высокоскоростными дисками CD-ROM, графическими адаптерами, сетевыми устройствами.

1.5 Современные технологии построения ЭВМ

Одним из главных факторов достижения высокого быстродействия и высокой производительности ЭВМ является построение их на новейшей элементной базе. Смена поколений ЭВМ связана с переходом на новые поколения элементной базы. Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие (БИС) и сверх большие (СБИС). Технологический принцип разработки и производства интегральных схем действует более четверти века. Он заключается в послойном изготовлении частей электронных схем по циклу "программа - рисунок - схема". По программам на напыленный фоторезисторный слой наносится рисунок будущего слоя микросхемы. Затем рисунок протравливается, фиксируется, закрепляется и изолируется от новых слоев. На основе этого создается пространственная твердотельная структура. Например, СБИС типа Pentium включает около трех с половиной миллионов транзисторов, размещаемых в пятислойной структуре. Степень микроминиатюризации, размер кристалла ИС, производительность и стоимость технологии напрямую определяются типом литографии. До настоящего времени доминирующей оставалась оптическая литография, т.е. послойные рисунки на фоторезисторе микросхем наносились световым лучом. Процессор Pentium реализован на кристалле размером 400-600 мм2, схемы памяти - 200-400 мм2. Минимальный топологический размер (толщина линии) при этом составляет 0,25-0,135 мкм. Для сравнения можно привести пример: толщина человеческого волоса составляет 100 мкм. При таком разрешении на толщине 100 мкм можно вычертить более 200 линий. Дальнейшее развитие микроэлектроники (лазерная, ионная, и рентгеновская литография) позволяет выйти на размеры 0,13: 0,10 и 0,08 мкм. Вместо ранее используемых алюминиевых проводников в микросхемах повсеместно начинают применять медные

соединения, что позволяет повысить частоту работы. Такие высокие технологии порождают ряд проблем. Микроскопическая толщина линий, сравниваемая с диаметром молекул, требует высокой частоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур. Достаточно попадания мельчайшей пылинки при изготовлении микросхемы и она попадет в брак. Заводы по производству микросхем представляют собой уникальное оборудование, размещаемое в "чистых помещениях класса 1", микросхемы в которых транспортируются от оборудования к оборудованию в замкнутых сверх чистых миниатмосферах класса 1000. Мини-атмосфера создается сверхчистым азотом или другим инертным газом при давлении 10-4 Торр. Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой и рассеиваемой мощностью. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза, их объемы изменяются в 8 раз. Пропорционально этим цифрам должны изменяться значения мощностей, в противном случае схемы будут перегреваться и выходить из строя. В основе построения всех микросхем лежит КМОП - технология (комплектарные схемы, т.е. совместное использование N- и p- переходы в транзисторах со структурой "металл - окисел - полупроводник"). Протекание тока по микроскопическим проводникам сопряжено с выделением большого количества тепла. Создавая СБИС, проектировщики вынуждены снижать тактовую частоту работы микросхем. Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен за счет архитектурных решений, либо за счет новых принципов построения и работы микросхем. Так как микросхемы не могут работать с высокой тактовой частотой, то в ЭВМ их целесообразно комплексировать в системы. При этом несколько СБИС должны работать

Большие исследования проводятся в области использования явления сверхпроводимости и туннельного эффекта - эффекта Джозефсона. Работа микросхем при температурах, близких к абсолютному нулю (-273°С), позволяет достигнуть максимальной частоты, при этом мощность равна нулю. Внедрение новых технологий производства микропроцессоров испытывает и экономические проблемы. Строительство по производству новых микросхем с 0,13микронной технологией обходится от 2 - 4 млрд. долл. Это заставляет искать новые альтернативные пути построения будущих ЭВМ. Можно выделить наиболее

перспективные:

•создание молекулярных и биокомпьютеров (нейрокомпьютеров),

•квантовые компьютеры,

•оптические компьютеры.

Молекулярные компьютеры. Во многих странах проводятся опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и реагировать на воздействия током и светом и т.п. Ученые фирмы HewlettPackard и калифорнийского университета (UCLA) доказали принципиальную возможность создания молекулярной памяти ЭВМ на основе молекул роксана. Продолжаются работы по созданию логических схем, узлов и блоков. По оценкам ученых такой компьютер в 100 млрд. раз будет экономичнее современных микропроцессоров.

Биокомпьютеры (нейрокомпьютеры). Идея создания этих компьютеров базируется на основе теории перцептрона - искусственной нейронной сети, способной обучаться. Автором этих идей был Ф. Розенблат. Он показал, что структуры, обладающие свойствами мозга и нервной системы, позволяют получить целый ряд преимуществ:

параллельность обработки информационных потоков, способность к обучению,

настройке и к автоматической классификации, более высокую надежность, ассоциативность.

Компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, могут искать нужные решения посредством самопрограммирования, на основе соответствия множеств входных и выходных данных. В настоящее время созданы и работают программные нейропакеты, которые доказывают возможность построения подобных машин на СБИС.

Квантовые компьютеры. Принцип работы элементов квантового компьютера основан на способности электрона в атоме иметь различные уровни энергии. Переход электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий связан с поглощением кванта электромагнитной энергии - фотона. При излучении фотона осуществляется обратный переход. Всеми подобными переходами можно управлять, используя действие электромагнитного поля от атомного или молекулярного генератора. Этим исключается спонтанные переходы с одного уровня на другой. Основным строительным блоком квантового компьютера служит qubit - Quantum Bit, который может иметь большое число состояний. Для таких блоков определен логически полный набор элементарных функций. Известны эксперименты по созданию RISCпроцессора на RSFQлогике и проекты создания петафлопных (1000 триллионов операций/с) компьютеров.

Оптические компьютеры. Многие устройства ЭВМ используют оптику в своем составе: сканеры, дисплеи, лазерные принтеры, оптические диски CD-ROM и DVD-ROM. Успешно работают оптоволоконные линии связи. Способность света параллельно распространяться в пространстве дает возможность создавать параллельные устройства обработки, что ускоряет на несколько порядков быстродействие ЭВМ. Пока отсутствуют проекты по созданию чисто оптических процессоров, но уже проводятся эксперименты по проектированию оптоэлектронных и оптонейронных отдельных устройств.

2.ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ

2.1Системы счисления

•Перевод целых чисел

•Перевод дробных чисел

Системой счисления называется способ изображения чисел с помощью ограниченного набора символов, имеющих определенные количественные значения. Систему счисления образует совокупность правил и приемов представления чисел с помощью набора знаков (цифр). Различают позиционные и непозиционные системы счисления. В позиционных системах каждая цифра числа имеет определенный вес, зависящий от позиции цифры в последовательности, изображающей число. Позиция называется разрядом. В позиционной системе счисления любое число можно представить в виде:

В соответствии с формулой (1.1) это число формируется из цифр с весами разрядов:

A10=3*101+7*100+2*10-1+5*10-2.

Теоретически наиболее экономичной системой счисления является система с основанием e = 2,71828…, находящимся между числами 2 и 3. В современных ЭВМ для представления числовой информации используется двоичная система счисления. При N=2 число различных цифр, используемых для записи чисел, ограничено множеством из двух цифр (1 и 0). Кроме двоичной системы счисления широкое распространение получили и производные системы: двоичная, десятичная, шестнадцатеричная, восьмеричная.

Шестнадцатеричная и восьмеричная системы счисления являются производными от двоичной, так как 16=24 и 8=23. Они используются в основном для более компактного изображения двоичной системы счисления информации, так как запись значения чисел производится существенно меньшим числом знаков.

A(8)=144,5;

A(16)=64,A;

A(2)=1*26+1*25+0*24+0*23+1*2 2+0*21+1*20+1*2-1++0*2-2+1*2-3;

A(8)=1*82+4*81+4*80+5*8-1;

A(16)=6*161+4*160+10*16-1.

Перевод в ЭВМ из одной системы в другую осуществляется автоматически, по специальным программам. Правила перевода целых и дробных чисел отличаются.

I. Перевод целых чисел

Целое число с основанием N1 переводится в систему счисления с основанием N2 путем последовательного деления числа An1 на основание N2, записанного в виде числа с основанием N1, до получения остатка. Полученное частное следует вновь делить на основание N2, и этот процесс надо повторять до тех пор, пока частное не станет меньше делителя. Полученные остатки от деления и последнее частное записываются в порядке, обратном полученному при делении. Сформированное число и будет являться числом с

определенной место точки (запятой). Обычно это место определяется или перед первой значащей цифрой числа, или после последней значащей цифры числа. Если точка фиксируется перед первой значащей цифрой, то это означает, что число по модулю меньше единицы. Диапазон изменения значений чисел определяется неравенством

составляет:

Перед самым старшим из возможных разрядов двоичного числа фиксируется его знак. Положительные числа имеют нулевое значение знакового разряда, отрицательные - единичное.

Числа с плавающей точкой (запятой) представляются в виде мантиссы ma и порядка pa. Например, число A(10)=373 можно представить в виде 0,373*103, где ma=0.373, pa=3, основание системы счисления считается фиксированным и равно десяти. Для двоичных чисел А2 формируется мантисса ma и порядок pa при основании системы счисления, равном двум.

Порядок числа pa определяет положение точки (запятой) в двоичном числе. Значение

Положительные и отрицательные значения порядка значительно усложняют обработку вещественных чисел. В современных ЭВМ используют модифицированное значение p'a

(характеристика числа), приведенное к интервалу Старший разряд отводится под знак числа, а семь оставшихся обеспечивают изменение порядка в диапазоне Модифицированный порядок вычисляется по зависимости p'a = pa + 64. Значения p'a формируются в диапазоне чисел Мантисса числа ma представляется двоичным числом, у которого точка фиксируется

перед старшим разрядом, т.е. где k - число разрядов, отведенных для представления мантиссы. Если то старший значащий разряд мантиссы в системе счисления с основанием N отличен от нуля. Такое число называется нормализованным. Например, А2=(100;0,101101)с - нормализованное число А2=1011,01 или А10=11,25, а то же самое число А2=(101;0,101101)2 - число ненормализованное, так как старший разряд мантиссы равен нулю. Диапазон представления нормализованных чисел с плавающей точкой (запятой) определяется так: где r и k - соответственно количество разрядов, используемых для представления порядка и мантиссы.

Третья форма представления двоичных чисел - двоично-десятичная. При обработке больших массивов десятичных чисел приходится тратить много времени на преобразование их из десятичной системы счисления в двоичную для последующей обработки и обратно - для вывода результатов. Каждый такой перевод требует выполнения двух-четырех десятков машинных кодов. В состав ПЭВМ включены спецпроцессоры десятичной арифметики, позволяющие напрямую обрабатывать десятичные числа без их преобразования, что сокращает время вычислений. Каждая

цифра десятичного числа представляется двоичной тетрадой. Например, А10=3759, А2- 10=0011 0111 0101 1001. Положение десятичной точки (запятой) отделяющей целую часть от дробной, обычно заранее фиксируется. Значение знака числа отмечается кодом, отличным от кодов цифр. Например, знак "+" имеет значение тетрады "1100", а знак "-" - "1101".

II.Представление других видов информации

Всовременных ЭВМ информация обрабатывается в цифровом виде. В основе метода

лежит процедура квантования аналоговой информации по времени и величине. По скорости изменения обрабатываемых цифровых данных информация может быть условно разделена на статическую и динамическую. Числовая, логическая и символьная информация является статической, так как ее значение не связано со временем. Аудиоинформация является динамической, поскольку она существует только в режиме реального времени, ее нельзя остановить для более подробного изучения. Если изменить масштаб времени, аудиоинформация искажается. Видеоинформация может быть статической (текст, рисунки, графики) и динамической (видео-, мульт- и слайдфильмы). В основе динамической видеоинформации лежит экспонирование в реальном масштабе

•растровые,

•матричные,

•векторные.

Растровые изображения в основном используются в телевидении, а в ЭВМ практически не применяются.

Матричное изображение рисуется на экране электронным лучом. Информация представляется в виде характеристик значений каждой точки - пиксела, рассматриваемой в качестве наименьшей структурной единицы изображения. Количество высвечиваемых одновременно пикселов на экране дисплея определяется его разрешающей способностью. В качестве характеристик графической информации выступают: координаты пиксела на экране, цвет пиксела, цвет фона. Вся эта информация хранится в видеопамяти дисплея. При выводе графической информации на печать изображение воспроизводится по точкам. Изображение, представленное в векторной форме, составляется из отрезков линий, для которых задаются: начальные координаты, угол наклона и длина отрезка. При этом способе изображение легко масштабируется и может быть наложено на любой фон. Способы представления информации зависят от стандартов кодирования (КОИ-7, ДКОИ- 8, 866, Windows-1251 и др.).

2.3 Двоичная арифметика

• Машинные коды

• Арифметические операции над двоичными числами с фиксированной точкой

• Арифметические операции над двоичными числами с плавающей точкой

• Арифметические операции над двоично-десятичными кодами чисел

В современных ЭВМ все операции по обработке информации производятся в арифметико-логических устройствах по правилам сложения двоичных цифр двух чисел, представленных в таблице 1.1. Все операции выполняются над числами, представленными специальными машинными кодами. Их использование позволяет заменить операцию вычитания сложением. Различают прямой код (ПК), обратный код (ОК) и дополнительный код (ДК).