Будакова Е.А. Учебное пособие Современные информационные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

только для считывания информации; CD-R — устройство для одно кратной

записи; CD-RW— устройство для многократной пере записи;

- цифровых видеодисков. Различают несколько типов дисководов: DVD-

ROM — устройство только для чтения; DVD-R — с однократной записью;

DVD-RAM и DVD-RW— с многократной

записью;

- магнитооптических дисков. CCW (ContinuonusComposite WORM) —

оптические диски с однократной записью; ССЕ (Continuonus Composite

Erasable) — оптические диски с многократной записью.

Накопители информации

Дискеты — накопители

информации, позволяющие переносить

информацию с одного ПК на другой, хранить копии документов,

инсталляционные файлы программ, различные архивы. До недавнего времени в

ходу были дискеты двух размеров в зависимости от способа нанесения

магнитного напыления, имеющих различную емкость: 5,25" (133 мм) и 3,5" (89

мм) емкостью соответственно 1,2 и 1,44 Мбайта.

В настоящее время, подавляющее большинство ПК снабжается

дисководами

для дискет размером 3,5" емкостью 1,44 Мбайта. Это объясняется

тем, что магнитный носитель на этих дискетах помещен в жесткий

пластиковый корпус, что обеспечивает более надежную защиту от

механических повреждений.

Прежде чем производить запись информации на дискеты, они должны

быть отформатированы (определенным образом размечены) при помощи

специальной команды дисковой операционной системы (format.com).

Flash-память — очень

компактный накопитель информации достаточно

большой емкости (от 64 Мбайт до 1 Гбайта), подключаемый к USB-nopvy.

Обладает высокой скоростью обмена информацией. При работе под

управлением Microsoft Windows 2000 и выше не требует дополнительного

программного обеспечения для подключения.

Лазерно-оптические диски (CD) (обычно их называют компакт-дисками).

CD имеет емкость от 250 Мбайт до 1,5 Гбайта, скорость считывания

информации от 150 до 3000 Кбайт

/с.

Цифровые видеодиски (DVD) имеют габариты обычных оптических

дисков, но емкость их достигает 17 Гбайт.

Магнитооптические диски имеют наибольшее число циклов перезаписи —

более 100 млн, самый длительный срок необслуживаемого хранения данных —

не менее 50-100 лет, самую высокую стойкость к внешним воздействиям, в том

числе сильным магнитным полям.

Жесткий диск, или винчестер, — несъемный магнитный диск,

имеющий

большую емкость и быстродействие, чем другие виды внешних запоминающих

устройств. Жесткий диск предназначен для длительного хранения информации,

которая используется при работе на ПК: программы дисковой операционной

системы, пакеты прикладных программ, различного рода данные.

Основными характеристиками винчестера являются: емкость и скорость

работы. На ПК может быть установлено не более двух винчестеров. Как уже

говорилось, емкость современных винчестеров достигает нескольких десятков

гигабайт. Скорость работы винчестера — время доступа к информации —

измеряется в миллисекундах (мс). Скорость работы жестких дисков на

современных ПК колеблется в пределах 8—15 мс.

Многофункциональные устроиства

Многофункциональные устройства стали появляться сравнительно

недавно. Отличительная особенность этих устройств заключается в сочетании

целого ряда функций по автоматизации действий пользователя.

Физически любая ЭВМ представляет собой сложную

многофункциональную систему взаимосвязанных технических средств,

способных применять, хранить, обрабатывать и хранить информацию с

помощью вычислительных и логических операций по определенному

алгоритму или программе.

Основные

составляющие блоки компьютеров

Обычно ПК семейства IBM PC состоят из трех основных блоков:

- системный блок;

- клавиатура;

- монитор.

В настоящее время они имеют два вида исполнения: настольный и

портативный. В портативном варианте все три блока объединены в единый

корпус: системный блок расположен под клавиатурой, а монитор расположен

на внутренней поверхности крышки. В

настольном варианте каждый блок

представлен самостоятельной единицей.

В системном блоке располагаются основные узлы ПК. К ним относятся:

- системная плата (mother board);

- блок питания;

- дисководы гибких магнитных дисков (дискет), лазерно-оптических

дисков (CD), цифровых видеодисков (DVD);

- жесткий диск (винчестер).

Состав системной платы

Системная плата – ядро системы. Это действительно главная деталь РС –

все остальное соединено

с ней, и именно она управляет всеми устройствами в

системе. Системные платы бывают различного типа и формфакторов, но все

они содержат следующие основные узлы (рисунок 6):

1 Микропроцессор (CPU) – это сама важная микросхема в системе,

поскольку именно данная электронная схема выполняет команды

программного обеспечения, а также управляет работой всех устройств ПЭВМ.

Современный

процессор – это выращенный по специальной технологии

кристалл кремния. На любом процессорном кристалле находятся:

- собственно процессор, главное вычислительное устройство, состоящее

из миллионов логических элементов – транзисторов;

- сопроцессор – специальный блок для операций с «плавающей точкой»

(или запятой). Применяется для особо точных и сложных расчетов, а также для

работы с рядом графических программ;

- кэш-память первого уровня – небольшая (несколько десятков килобайт)

сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных

результатов вычислений;

- кэш память второго уровня - эта память

чуть медленнее, зато больше –

от 128 килобайт до 2 мегабайт.

Все задачи, исполняемые процессором, можно разделить на две большие

части. Первая из них - целочисленные операции (как правило, офисные

приложения) и операции с плавающей точкой (мультимедийные приложения).

Второй тип задач - мультимедийные приложения, напротив, характеризуется

очень малым количеством переходов и высокой степенью их предсказания, и

как следствие, на них процессор с конвейером любой длины может реализовать

всю свою мощь наилучшим образом.

С увеличением частоты тепловыделение процессоров нелинейно растёт,

что в конечном итоге приводит к слишком высоким значениям. Не помогает

даже использование более тонких технических процессов при создании

транзисторов.

Выход нашли в использовании нескольких ядер в

одном кристалле, такой

процессор «2 в 1». Многоядерность сродни использованию нескольких

отдельных процессоров в одном компьютере. Только находятся они в одном

кристалле и не полностью независимы (например, использование общей кэш-

памяти). При использовании уже имеющегося программного обеспечения,

созданного для работы только с одним ядром, это даёт определённый плюс.

Так, можно запустить одновременно две

ресурсоёмкие задачи без какого-либо

дискомфорта. А вот ускорение одного процесса – задача для таких систем

непосильная. Таким образом, мы получаем практически тот же самый

одноядерный процессор с небольшим бонусом в виде возможности

использования нескольких требовательных программ одновременно.

Выход из данной ситуации очевиден – разработка нового поколения ПО,

способного задействовать несколько ядер

одновременно. Этот процесс можно

назвать распараллеливанием процессов.

2 Сопроцессор – эта микросхема ставится в помощь центральному

процессору, что бы увеличить быстродействие всей системы. Сопроцессор

предназначен для выполнения сложных математических действий над числами

с плавающей запятой, а также работает с трех мерным изображением.

3 Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – это энергонезависимая

память, в которой

хранится постоянная информация. В ПЗУ хранится:

- некоторые программы необходимые для работы компьютера;

- программы загрузки операционной системы и пересылки ее в ОЗУ;

- самотестирование персонального компьютера, в том числе и памяти

(POST программа);

- BIOS – обрабатывает сигналы, которые поступают с клавиатуры и

других вводно-выводных устройств.

4 Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – это энергозависимая

память, которая хранит промежуточную информацию. Например:

- в ОЗУ загружается операционная система с жесткого диска при

включении компьютера;

- размещение программы прикладных задач;

- размещение программ управления работой внешними устройствами

(драйверы

);

- хранится информация промежуточных вычислений.

5 Таймер вырабатывает тактовые импульсы различных частот,

обеспечивающие согласованную работы всех устройств ПЭВМ.

6 Блок прямого доступа к памяти (DMA). Обычно внешние устройства

взаимодействуют с ОЗУ через микропроцессор. Такая работа значительно

замедляет работу всей системы. Для того, что бы ускорить работу системы,

большие массивы информации поступают в

ОЗУ минуя микропроцессор с

помощью блока прямого доступа к памяти.

7 Контроллер прерываний. ВЗУ сигнализирует ПК о своих «потребностях»

с помощью специальных сигналов, которые называются сигналами

прерывания. Эти сигналы передаются по линии прерываний к контроллеру

прерываний. Контроллер прерываний прекращает текущую задачу и выполняет

запрошенную. Все линии прерываний имеют разные приоритеты. Самый

высший приоритет, вызванный неисправностью какого-либо блока

компьютера, второй приоритет от клавиатуры, третий может иметь модем или

мышь.

8 Контроллер шины следит за состоянием шины, обрабатывает запросы на

передачу данных через шины. Кроме этого согласует работу разнотипных шин.

Рисунок 6 – Структурная схема системной платы

9 Буфер данных и адресов – это служебная микросхема, используется при

пересылки и адресации данных внутри компьютера.

10 Контроллер клавиатуры воспринимает сигналы нажатия клавиши,

преобразует их в кодовую комбинацию и передает в микропроцессор через

системную шину. Следит за состоянием клавиатуры.

11 Системная шина служит для обмена информацией между микросхемами

системной платы, а

также обмен информацией с внешними устройствами, через

платы адаптеров связи. Системная шина – это набор проводников, которые по

назначению делятся на три группы:

- шина команд – для передачи команд между устройствами компьютера

(чтение, запись);

- шина адресов – для передачи адреса источника и получателя

информации;

- шина данных (информационная) – для передачи информации

между

устройствами компьютера в параллельном коде.

Блок питания преобразует электропитание сети в постоянный ток

низкого напряжения, который подается на электронные схемы ПК.

Основными характеристиками ПК являются:

1. Быстродействие, производительность, тактовая частота.

Производительность (быстродействие) ПК – возможность компьютера

обрабатывать большие объёмы информации. Определяется быстродействием

процессора, объёмом ОП и скоростью доступа к ней.

Производительность (быстродействие) процессора – количество

элементарных операций выполняемых за 1 секунду.

Тактовая частота - это число вырабатываемых за

секунду импульсов,

синхронизирующих работу узлов компьютера. Именно ТЧ определяет

быстродействие компьютера.

2. Разрядность процессора – max длина (кол-во разрядов) двоичного кода,

который может обрабатываться и передаваться процессором целиком.

Разрядность связана с размером специальных ячеек памяти – регистрами.

Регистр в 1байт (8бит) называют восьмиразрядным, в 2байта – 16-разрядным и

тд. Высокопроизводительные компьютеры имеют 8-байтовые регистры

(64разряда)

3. Время доступа - Быстродействие модулей ОП, это период времени,

необходимый для считывание min порции информации из ячеек памяти или

записи в память. Современные модули обладают скоростью доступа свыше

10нс (1нс=10-9с)

4. Объем памяти (ёмкость) – max объем информации, который может

храниться в ней.

5. Плотность записи – объем информации, записанной на единице длины

дорожки (бит/мм)

6. Скорость обмена информации – скорость записи/считывания на

носитель, которая определяется скоростью вращения и перемещения этого

носителя в устройстве

7. Типы системного и локальных интерфейсов.

Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи

информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество

внешних устройств и различные их виды.

8. Наличие математического сопроцессора.

Математический сопроцессор позволяет в десятки раз ускорить

выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над

двоично-кодированными десятичными числами

9. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ.

Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает

возможность использования на компьютере соответственно тех же технических

элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.

10. Возможность работы в вычислительной сети.

11. Возможность работы в многозадачном режиме.

Многозадачный режим позволяет выполнять

вычисления одновременно по

нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких

пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени

работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет

значительно увеличить эффективное быстродействие ЭВМ.

12. Надежность.

Надежность — это способность системы выполнять полностью и

правильно все заданные ей функции. Надежность ПК измеряется обычно

средним временем наработки

на отказ.

13. Стоимость.

14. Габариты и масса.

2 ЛОКАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ

2.1 Физические основы вычислительных сетей

2.1.1 Назначение и классификация сетей передачи данных

Классификация сетей передачи данных:

1 Сети передачи данных подразделяются на три категории:

- Локально-вычислительные сети (LAN, ЛВС) представляют собой

системы распределенной обработки данных (в пределах 5-10 километров) и

охватывают небольшую территорию офиса, учреждения, предприятия и т.д.

- Региональные сети объединяют между собой ЛВС в пределах одной

территории, региона или города.

- Глобальные сети (GAN – узкополосные глобальные сети, WAN-

широкополосные глобальные сети) охватывают территорию одной страны или

нескольких стран.

2 Сети передачи данных классифицируются по среде передачи:

В качестве среды передачи в ЛВС:

- витая пара (UTP – не экранированная, STP- экранированная);

- коаксиальный кабель (РК-30);

- оптико-волоконный кабель;

- инфракрасные сети.

В глобальных и городских сетях применяются: оптико-волоконный

кабель, волоконно-оптическии, коаксиальный, радиоэфир.

3 Сети классифицируются по использованию каналов:

- наложенные сети на территориальную сеть общего пользования. Бывают

как коммутируемые так и не коммутируемые;

- сети передачи данных;

- телеграфные;

- спутниковые;

- радиорелейные линии.

4 Сети классифицируются по назначению:

- информационные - сети, которые имеют базу данных, могут

информацию предложить населению с использованием различных каналов;

- транспортные - сети, не имеющие базы данных, предоставляют только

транспорт;

- криллинговые для биржевых и маклерских операции;

- банковские сети;

- корпоративные сети. Предназначены для отдельной корпорации,

холдинга, промышленных предприятии.

5 Сети классифицируются по соотношению узлов:

- одноранговые сети – это небольшие сети, где каждый узел может

считаться и клиентом и сервером;

- разветвленные (или распределенные) сети – это сеть без лидера, в

которой, сервером может называться машина, программа или устройство

обеспечивающее сервис, но не управление сетью;

- сеть с централизованным управлением или основанная на сервере

наделяющие остальные узлы правилами использования ресурсов. К таким

сетям относятся сети среднего и большого размера.

6 Сети классифицируются по топологии:

- топология «общая шина», или «шина»;

- топология «кольцо»;

- топология «звезда».

7 Сети классифицируются по методу доступа к среде передачи:

- недеторминированный метод;

- детерминированный метод.

8 Сети классифицируются по пропускной способности:

- низкоскоростные до 10 М бит/с;

- среднескоростные до 100М бит/с;

- высокоскоростные свыше 100 М бит/с.

Стандартные архитектуры локальных вычислительных сетей

Под архитектурой вычислительной сети принято понимать совокупность

стандартов, топологий и протоколов, необходимых для ее функционирования.

Ранее уже отмечалось, что разработка стандартов локальных вычис-

лительных сетей возложена на комитет 802 международного института IEEE,

который почти за четверть века своего существования разработал и утвердил,

по крайней мере, три наиболее распространенные на сегодняшний день

стандартные архитектуры локальных вычислительных сетей (рисунок 7):

- Ethernet - IEEЕ 802.3;

- Token bus-IEЕЕ 802.4;

- Token ring - IEЕЕ 802.5.

Рисунок 7 - Стандартные локальные вычислительные сети

1 Архитектура Ethernet - IEEE 802.3

Общая характеристика архитектуры сетей стандарта IEEЕ 802.3 такова:

- информационный блок - кадр;

- размер кадра - до 1518 байт (без учета преамбулы (8 байт) и завершителя

кадра (1 байт);

- обмен кадрами - широковещательный с проверкой адресата;

- среда передачи - коаксиальный кабель (тонкий, толстый), витая пара (3,4,

5-й категории), оптоволоконный кабель;

- доступ к среде передачи - множественный доступ с обнаружением

несущей (CSMA/CD);

- скорость передачи данных - 10-1000 Мбит/с;

- физическая топология - «шина», «звезда»;

- логическая топология - «шина»;

- размеры сетей - от нескольких метров до нескольких километров (при

использовании повторителей).

В зависимости от среды передачи данных IEЕЕ 802.3 определяет не-

сколько различных стандартов физических подключений локальных сетей,

каждый из которых имеет наименование, в котором отражены такие его

важнейшие характеристики:

- 1 Base5 - неэкранированная витая пара категории 2;

- 10Base5 - толстый коаксиальный кабель;

- 10Base2 - тонкий коаксиальный кабель;

- 10 Base-T - неэкранированная витая пара категории 3;

- 10 Base-F - волоконно-оптический кабель.

Высокоскоростные сети класса Ethernet (Fast Ethernet и Gigabit Ethernet)

определены стандартами IEEE 802.3u и IEEE 802.3z соответственно. В первом

случае различают варианты 100 мегабитовых сетей:

- 100Base-TX - 2 неэкранированные витые пары категории 5;

- 100Base-T4 - 4 неэкранированные витые пары категории 5;

- 100 Base-FX - волоконно-оптический кабель.

Для Gigabit Ethernet стандартом определены следующие стандартные

физические подключения сети:

- 1000Base-SX - многомодемный волоконно-оптический кабель с длиной

волны 830 нм;

- 1000Base-LX — одномодемный (с длиной волны 1270 нм) или много-

модемный волоконно-оптический кабель;

- 1000Base-CX-экранированная витая пара;

- 1000Base-T-неэкранированная витая пара категории 5.

2 Архитектура Token Ring-IEEE 802.5

Общая характеристика архитектуры сетей стандарта IEEE 802.5

- информационный блок - кадр;

- размер кадра - до 4522 байт (данных не более 4502 байт);

- обмен кадрами - широковещательный с проверкой адресата;

- среда передачи - экранированная и неэкранированная витая пара;

- доступ к среде передачи - маркерный метод;

- скорость передачи данных - 4,16 Мбит/с;

- физическая топология - «звезда»;

- логическая топология — «кольцо»;

- размеры сетей — до нескольких километров (при использовании

повторителей между MAU).

3 Архитектура FDDI

Общая характеристика архитектуры FDDI следующая:

- информационный блок - кадр;

- размер кадра - до 4500 байт (с преамбулой 30 байт);

- среда передачи - волоконно-оптический кабель (может быть

экранированная витая пара);

- доступ к среде передачи - маркерный метод;

- скорость передачи данных - 100 Мбит/с;

- физическая топология - «звезда», «двойное кольцо»;

- логическая топология - «кольцо»;

- размеры сетей - до 100 км при расстоянии между узлами до 2 км.

Отличие FDDI от IEЕЕ 802.5 заключается в топологии, поскольку FDDI

реализована физическая топология «двойное кольцо», при этом допускается

физическое подключение отдельных узлов по топологии «звезда». В связи с

этим в стандарте определены два типа узлов сети FDDI: однократно

подключенные (SAS) и двукратно подключенные (DAS).

Другим принципиальным отличием FDDI является способ управления

маркером. Если в сетях IEЕЕ 802.5 маркёр освобождается узлом, передавшим

данные после подтверждения их получения, то в FDDI маркер освобождается

сразу после окончания передачи кадра в сеть, поэтому в сетях FDDI

одновременно могут существовать несколько маркеров и соответственно по

сети одновременно могут передаваться несколько кадров с данными.

Вместе с тем опять же, в отличие от IEЕЕ 802.5, маркер «захватывается»

на определенный интервал времени, в течение которого узел может

формировать и передавать кадры в сеть. Маркер освобождается в двух случаях:

либо истек временной интервал, либо узел закончил передачу данных. Эти два

решения в совокупности со средой передачи данных (волоконно-оптический

кабель) позволили достичь высокой скорости передачи данных до 100 Мбит/с.

Отличительная особенность данной архитектуры - аппаратная избы-

точность, обусловленная наличием двух колец с линиями связи (основное и

дополнительное). Информационные потоки (кадры) в кольцах ориентированы в

противоположных направлениях. В случае сбоя в одном кольце сеть

автоматически реконфигурируется и данные начинают передаваться по

второму кольцу в другом направлении. В случае повреждения обоих колец

обход поврежденного участка осуществляется «заворотом» сети, как показано

на рисунок 8.

Схемы реконфигурации сети при различных неисправностях показаны на

рисунок 9.