Хамухин А.А. Введение в информатику для инженеров нефтегазового дела:

Подождите немного. Документ загружается.

Также следует отметить тенденцию воспроизводства кластерной архитектуры

при создании самих процессоров, которые получили название многоядерных. Так,

например, 80-ядерный процессор TRC фирмы Intel планирует достичь пиковой

производительности 1 терафлопс (1000 гигафлопс). Однако чтобы эффективно его

использовать, необходимо будет изменять и технологию программирования –

переходить на разработку параллельных алгоритмов.

Для мобильных и встроенных вычислительных устройств разрабатываются

специальные процессоры, которые чаще и более обоснованно называют

микропроцессорами. Для таких микропроцессоров главным критерием становится

не производительность, хотя она тоже важна, а минимальные габариты и

потребляемая энергия. В табл. 2.4 приведены основные характеристики некоторых

микропроцессоров, наиболее широко применяющихся в мобильных и встроенных

системах.

Таблица 2.4

Сравнительные характеристики некоторых процессоров для мобильных систем

Название

процессор /

ядро

Фирма

производитель

, страна

Тактовая

частота шина

/ процессор,

MГц

Объем кэш-

памяти

1 уровень / 2

уровень

Потребляемая

мощность, Вт

Crusoe /

TM5900

Transmeta,

США

400 / 1000 64 Кб / 512 Кб 1

Pentium M /

Dothan

Intel, США 400 / 2800 32 Кб / 2 Мб 24,5

Celeron M /

Banias

Intel, США 400 / 1500 32 Кб / 512 Кб 21

Athlon XP /

Paris

AMD,

Евросоюз

256 / 1700 128 Кб / 512

Кб

5-35

VIA / С7-М

VIA

Technologies,

Тайвань

800 / 2000 64 Кб / 128 Кб 12

Следует заметить, что фирмы-производители выпускают линейку процессоров с

одним наименованием, отличающихся производительностью, потреблением

энергии, тепловыделением и ориентированных на разные категории пользователей в

разном ценовом диапазоне.

Среди всех микропроцессоров следует выделить процессоры компании

Transmeta. Их отличительной особенностью является программная реализация

некоторых традиционно встроенных в процессор аппаратных функций. Это

позволило сократить размеры процессора (21×21 мм) и снизить потребление

энергии. Другой отличительной особенностью процессоров Transmeta является

участие в их разработке легендарного Линуса Торвальдса – автора ядра знаменитой

сейчас ОС Linux, написавшего его еще, будучи студентом и выложившего код в сети

Интернет для свободного скачивания.

Кроме процессоров для мобильных компьютеров существует еще целый класс

микропроцессоров для встроенных систем. Они отличаются меньшим количеством

разрядов (обычно 8 или 16), меньшей производительностью, меньшим объемом

памяти, поскольку используются только для задач управления каким-либо

конкретным объектом.

Сейчас все больше становится оборудования, управляемого встроенными

микропроцессорами, которые называют микроконтроллерами. Это и автомобили,

и бытовая техника, и периферийная компьютерная техника: принтеры, сканеры,

мониторы и так далее и тому подобное. Встроенные микропроцессоры окружают

нас всюду, и эта тенденция будет только усиливаться.

В нефтегазовом деле встроенные микропроцессоры тоже начинают активно

внедряться, в первую очередь, – в различных устройствах автоматики. В качестве

примера можно привести устройства управлениями задвижками в магистральных

нефтепроводах и газопроводах, позволяющие поддерживать заданное оптимальное

давление и автоматически закрывающиеся при резком падении давления (разрыв

трубопровода).

Наиболее широко распространены семейства микропроцессоров PIC (фирма

Microchip), MCS-51 (фирма Intel), TMS370 (фирма Texas Instruments), Z8 (фирма

Zilog), 6805 (фирма Motorola), AVR (фирма Atmel) и другие.

Встроенные микропроцессоры обычно относятся к типу RISC-процессоров,

которые имеют сокращенный набор инструкций, благодаря чему их схема более

проста, потребляет меньше энергии и занимает меньшие габариты, что особенно

важно для встроенных систем.

Главным достоинством микроконтроллеров, благодаря которому они быстро

вытесняют традиционные схемы электронного управления, является их высокая

технологичность, то есть возможность просто перенастраивать систему под новую

задачу. Электронные схемы под новую задачу требуется изготавливать заново, а

это длительный и сложный процесс, микроконтроллер же достаточно просто

перепрограммировать, что выполняется в несколько раз быстрее и дешевле.

Более подробно с организацией и функционированием микропроцессоров

можно ознакомиться в учебном курсе ИНТУИТа «Основы микропроцессорной

техники» Новиков Ю.В. и Скоробогатов П.К.

2.3. Линии связи

Линии связи компьютеров состоят из физической среды, по которой передается

информационный сигнал и приемопередающей аппаратуры. По физической природе

передаваемого сигнала линии связи подразделяют на электрические, оптические и

радиочастотные. Рассмотрим несколько наиболее важных для пользователя

характеристик линий связи.

Пропускная способность (throughput) линии характеризует максимально

возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность

измеряется в битах в секунду – бит/с

Затухание (attenuation) определяется как относительное уменьшение

амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной

частоты. Часто при эксплуатации линии заранее известна основная частота

передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую

амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы

приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов.

Полоса пропускания (bandwidth) – это непрерывный диапазон частот, для

которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает

некоторый заранее заданный предел, обычно 0,5. То есть полоса пропускания

определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал

передается по линии связи без значительных искажений.

Ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально

возможную скорость передачи информации по линии связи.

Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности.

Не менее важное значение в линиях связи имеет и способ кодирования данных.

Большинство способов кодирования используют изменение какого-либо

параметра периодического сигнала – частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же

знак потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, параметры

которого изменяются, называют несущим сигналом или несущей частотой, если в

качестве такого сигнала используется синусоида.

Если сигнал изменяется так, что можно различить только два его состояния, то

любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации –

биту. Если же сигнал может иметь более двух различимых состояний, то любое его

изменение будет нести несколько бит информации.

Количество изменений информационного параметра несущего периодического

сигнала в секунду измеряется в бодах (baud). Пропускная способность линии в

битах в секунду в общем случае не совпадает с числом бод. Она может быть как

выше, так и ниже числа бод, и это соотношение зависит от способа кодирования.

Если сигнал имеет более двух различимых состояний, то пропускная

способность в битах в секунду будет выше, чем число бод.

Например, если информационными параметрами являются фаза и амплитуда

синусоиды, причем различаются 4 состояния фазы в 0, 90, 180 и 270 градусов и два

значения амплитуды сигнала, то информационный сигнал может иметь 8

различимых состояний. В этом случае модем, работающий со скоростью 2400 бод (с

тактовой частотой 2400 Гц), передает информацию со скоростью 7200 бит/с, так как

при одном изменении сигнала передается 3 бита информации.

2.3.1. Связь между пропускной способностью линии и ее полосой

пропускания

Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в

единицу времени передается по линии и тем выше пропускная способность линии

при фиксированном способе физического кодирования.

Однако, с другой стороны, с увеличением частоты периодического несущего

сигнала увеличивается и ширина спектра этого сигнала, то есть разность между

максимальной и минимальной частотами того набора синусоид, которые в сумме

дадут выбранную для физического кодирования последовательность сигналов.

Линия передает этот спектр синусоид с теми искажениями, которые

определяются ее полосой пропускания. Чем больше несоответствие между полосой

пропускания линии и шириной спектра передаваемых информационных сигналов,

тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании

информации принимающей стороной, а значит, скорость передачи информации на

самом деле оказывается меньше, чем можно было предположить. На рис. 2.1 для

сопоставления показаны примерные полосы пропускания различных линий связи и

частотные диапазоны.

Рис. 2.1. Полосы пропускания линий связи и частотные диапазоны

Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень

помех, создаваемых во внешней среде, на внутренних проводниках.

Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а

также от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее

помехоустойчивыми являются радиолинии связи, хорошей устойчивостью

обладают коаксиальные кабельные линии и отличной – волоконно-оптические

линии, малочувствительные к внешнему электромагнитному излучению

2.3.2. Электрические кабели

Медный неэкранированный кабель UTP в зависимости от электрических и

механических характеристик разделяется на 5 категорий.

Кабели высшей категории 5 были специально разработаны для поддержки

высокоскоростных протоколов. Поэтому их характеристики определяются в

диапазоне до 100 МГц. Большинство новых высокоскоростных стандартов

ориентируются на использование витой пары 5 категории. На этом кабеле работают

протоколы со скоростью передачи данных 100 Мбит/с – FDDI (с физическим

стандартом TP-PMD), Fast Ethernet, l00VG-AnyLAN, а также более скоростные

протоколы – АТМ на скорости 155 Мбит/с, и Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с) и выше

(вариант Gigabit Ethernet на витой паре категории 5 стал стандартом в июне 1999 г).

Кабель на основе экранированной витой пары несколько лучше защищает

передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает

электромагнитных колебаний вовне, что защищает, в свою очередь, пользователей

сетей от вредного для здоровья излучения. Наличие заземляемого экрана удорожает

кабель и усложняет его прокладку, так как требует выполнения качественного

заземления. Экранированный кабель применяется только для передач и данных, а

голос по нему не передают.

Коаксиальные кабели. Существует большое количество типов коаксиальных

кабелей, используемых в сетях различного типа – телефонных, телевизионных и

компьютерных.

RG-8 и RG-11 – «толстый» коаксиальный кабель, разработанный для сетей

Ethernet l0Base-5. Имеет волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр 0,5

дюйма (около 12 мм). Этот кабель имеет достаточно толстый внутренний проводник

диаметром 2,17 мм, который обеспечивает хорошие механические и электрические

характеристики (затухание на частоте 10 МГц – не хуже 18 дБ/км). Зато этот кабель

сложно монтировать – он плохо гнется.

RG-58/U, RG-58 A/U и RG-58 C/U – разновидности «тонкого» коаксиального

кабеля для сетей Ethernet 10Base-2. Кабель RG-58/U имеет сплошной внутренний

проводник, а кабель RG-58 A/U – многожильный.

2.3.3. Волоконно-оптические кабели

Волоконно-оптические кабели состоят из центрального проводника света

(сердцевины) – стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла –

оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина.

Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от

покрывающего слоя оболочки. Такой способ передачи сигнала характеризуется

высокой защищенностью от помех по сравнению с электрическими кабелями. В

зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра

сердечника различают:

• многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления

(рис. 2.2, а);

• многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления

оболочки (рис. 2.2,6);

• одномодовое волокно (рис. 2.2, в).

Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей во

внутреннем сердечнике кабеля. В одномодовом кабеле (Single Mode Fiber, SMF)

используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с

длиной волны света – от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света

распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего

проводника.

Рис. 2.2. Виды волоконно-оптического кабеля

Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая – до сотен гигагерц

на километр. Изготовление тонких качественных волокон для одномодового кабеля

представляет сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель

достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диаметра достаточно

сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его

энергии.

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF) используются более широкие

внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стандартах

имеются два наиболее широко употребляемых многомодовых кабеля: 62,5/125 мкм

и 50/125 мкм, где 62,5 мкм или 50 мкм – это диаметр центрального проводника, а

125 мкм – диаметр внешнего проводника.

В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует

несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными

углами. Угол отражения луча называется модой луча. В многомодовых кабелях с

плавным изменением коэффициента преломления режим распространения каждой

моды имеет более сложный характер. Многомодовые кабели имеют более узкую

полосу пропускания – от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за

потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей

разных мод.

Следует отметить, что линии связи это не только кабели, но и

приемопередающее оборудование, которое может не обеспечивать физически

возможную для данного кабеля пропускную способность. А для цифровых линий

связи пропускная способность определяется протоколом физического уровня, на

котором работает приемопередающее оборудование.

Например, если волоконно-оптический кабель соединяет оборудование,

работающее по протоколу 128 Кбит/с, то именно это число следует рассматривать

как пропускную способность данной цифровой линии связи. Например,

магистральные ВОЛС используемые многими крупнейшими провайдерами имеют

пропускную способность до 20 Гбит/с. Реально же, из-за различного оборудования,

операторы связи предоставляют каналы с пропускной способностью: 400 Мбит/с

(«РТКомм.РУ»), 150 Мбит/с («Транстелеком»), 100 Мбит/с («Telia-Sonera»).

Важной характеристикой волоконно-оптических кабелей является также

дальность передачи без усиления сигнала. Многомодовое волокно в зависимости от

технологии изготовления (и цены) имеет широкое значение этой характеристики: от

30 м до 2 км. Одномодовое волокно – от 5 до 40 км.

2.3.4. Линии радиосвязи

Линии радиосвязи широко используются в компьютерных сетях с помощью

различных технологий, позволяющих организовать беспроводной доступ на

различные расстояния – от нескольких метров до тысяч километров. Рассмотрим

наиболее распространенные из них.

WAP (Wireless Application Protocol) – технология беспроводного доступа к

информационным и сервисным ресурсам глобальной сети Интернет с помощью

сотовой связи. Созданием спецификаций WAP занимается организация Wap Forum.

Основное преимущество WAP заключается в том, что для работы в сети Интернет

абоненту не нужны дополнительные устройства: компьютер и модем, достаточно

одного мобильного аппарата с поддержкой WAP. Недостатком является

возможность работы не со всеми ресурсами Интернет, а только со специальными

сайтами. Так называемые WAP-сайты располагаются на web-серверах и

представлены в специальном формате WML (Wireless Markup Language). Этот язык

разметки специально адаптирован под

возможности мобильного телефона:

двухцветную графику, маленький экран и небольшую память. Недостатком этой

технологии также следует признать низкую пропускную способность и оплату за

эфирное время.

GPRS (General Packet Radio Service) – технология пакетной передачи данных

посредством сотовой связи. Суть GPRS заключается в организации постоянного

подключения через сотовый телефон, имеющий встроенный GPRS или отдельный

GPRS модем к сети Интернет. Для работы в Сети можно использовать компьютер,

ноутбук или электронный органайзер (Palm Pilot, Psion, Cassiopea). При этом Вы

сможете просматривать HTML-страницы, перекачивать файлы, работать с

электронной почтой и любыми другими ресурсами Интернета. Максимальная

теоретическая скорость передачи данных в GPRS сети составляет 171,2 Кбит/с.

Типичные скорости некоторое время будут оставаться в пределах 50–60 Кбит/с.

Скорость зависит от нагрузки на базовую станцию, к которой подключился

терминал и от используемой схемы кодирования.

Экономическая привлекательность заключается в том, что оплачивается не

эфирное время, как при разговоре, а только объем переданной информации. В

настоящее время передача данных по GSM каналам организована следующим

образом: абоненту выделяется отдельный канал, используемый системой для

передачи голоса, посредством модема, встроенного в мобильный терминал,

происходит передача данных через этот канал, при этом в промежутках между

передачей данных канал остается занятым. GPRS – это система, которая реализует

и поддерживает протокол пакетной передачи информации в рамках сети сотовой

связи GSM. При использовании системы GPRS информация собирается в пакеты и

передается в эфир, они заполняют те «пустоты» (не используемые в данный момент

голосовые каналы), которые всегда есть в промежутках между разговорами

абонентов, а использование сразу нескольких голосовых каналов обеспечивает

высокие скорости передачи данных.

На смену GPRS сейчас приходят новые похожие технологии пакетной передачи

данных с большей пропускной способностью, например EDGE с пропускной

способностью 384 Кбит/с.

i-Mode – технология, предоставляющая полноцветный Интернет-сервис для

сотовых телефонов, с постоянным (всегда онлайн) соединением с Интернет,

основанная на пакетной коммутации. Эта наиболее перспективная технология

разработана и запатентована японской компанией NTT DoCoMo (Nippon Telephone

and Telegraph DoCoMo). Пользователи i-mode сразу имеют полноценный адрес

электронной почты, защищенный от спама и вирусов, обеспечивающий

конфиденциальность переписки и защиту от сбоев. Доступ к услугам i-mode

осуществляется со специальных телефонов и только к порталу i-mode.

Blue Tooth – технология беспроводного доступа к цифровым приборам на

расстояние нескольких метров (в пределах комнаты). На 2006г. типичный радиус

действии составлял 10м, максимальный радиус действия некоторых систем

достигал 28 метров. В ближайшее время, благодаря бурному развитию технологии

blue tooth, это расстояние может увеличиться до 150 метров.

Wi-Fi (Wireless Fidelity) – технология, предназначенная для доступа на коротких

дистанциях (обычно, в пределах здания) и, в то же время, на достаточно больших

скоростях. Наиболее распространены три модификации этого стандарта –

IEEE

802.11a, b и g. Они различаются максимальной возможной скоростью передачи

данных и дальностью, на которой может быть установлено соединение. Среди них

наиболее популярен IEEE 802.11b (обычно под сокращением Wi-Fi подразумевают

именно него). Для передачи данных в нём используется диапазон частот от 2,4 до

2,4835 ГГц, максимальная скорость равна 11 Мбит/с, при этом дальность передачи

сигнала составляет около 100 м. Впрочем, на открытой местности иногда удается

достичь и гораздо больших значений – до 300–400 метров. Два других стандарта –

802.11a и g работают на частотах 5 и 2,4 ГГц, соответственно, а максимальная

скорость передачи данных может достигать 54 Мбит/с. Но эти технологии

обеспечивают меньший радиус распространения сигналов и требуют гораздо более

мощных процессоров для обработки и кодирования информации. Сегодня также

ведётся разработка стандарта 802.11n, который может обеспечить доступ на

скоростях до 320 мегабит в секунду. Ядром такой сети является точка доступа

(Access Point), сервер, оборудованный соответствующей приемо-передающей

аппаратурой. Вокруг неё образуется территория радиусом 50–100 метров,

называемая хот-спотом, или зоной Wi-Fi. Чтобы пользователь оказался в сети, ему

достаточно просто попасть в радиус её действия. Все настройки производятся

автоматически. После этого работа пользователя ничем не отличается от работы в

обычной сети Ethernet. Если есть необходимость, доступ к локальным ресурсам

можно сделать авторизованным. Сегодня существует множество устройств,

поддерживающих Wi-Fi. Прежде всего – это ноутбуки. В настоящее время в США

уже создаются ячеистые сети Wi-Fi с пересекающимися зонами покрытия.

WiMax – технология, или коммерческое название стандарта беспроводной

связи, основанной на стандарте IEEE 802.16–2004, разработанном WiMAX Forum.

Сама аббревиатура WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access

переводится как «Международное взаимодействие для микроволнового доступа».

Аппаратура этого стандарта предназначена для решения задач операторского

класса. Дальность исчисляется километрами (до 50 км), поддержка QoS, скорость до

70 Мбит/с, возможность работы в радиотени – технология OFDM, рабочая частота

2–11 ГГц. Благодаря таким качествам, WiMAX как решение более высокого класса

является полноценным конкурентом для таких технологий, как DSL-связь. Wi-Fi

технология не планировалась для работы устройств в экономичных режимах, а

WiMAX не использует энергоемких приложений. Технология WiMAX позволяет

предоставлять одновременно услуги телефонии, доступа в Интернет и передачи

данных без использования кабельных линий.

Спутниковые линии связи широко используются для создания корпоративных

компьютерных сетей в географически удаленных друг от друга пунктах, особенно в

труднодоступных районах. Например, мы пользуемся федеральной компьютерной

сетью университетов России RunNet, функционирующей, в том числе с помощью

спутниковой линии связи. Центральный сервер этой сети находится в Санкт-

Петербурге.

В Томске узел связи находится в институте «Кибернетический центр» ТПУ,

снабжен спутниковой антенной и аппаратурой с пропускной способностью 1 Мбит/с

и возможностью расширения до 2 Мбит/с. Спутниковый канал связи обслуживается

спутником «Радуга», находящимся на геостационарной орбите 70° восточной

долготы. Всего сеть RunNet обслуживает более 400 вузов России и предоставляет

доступ к огромным информационным ресурсам как самой RunNet, так всей мировой

сети Интернет.

2.4. Хранилища данных

Хранение данных в компьютерных системах – это, на наш взгляд, такая же

важнейшая функция, как и рассмотренные выше функции вычислений и передачи

данных. Причем данные важно не только надежно хранить, но и обеспечивать

быстрый доступ к ним. Хранение осуществляется на носителях данных, которые по

своему принципу действия подразделяются на электрические, магнитные и

оптические.

Носитель данных (НД) (data medium) – это материальный объект или устройство

с определенными физическими свойствами, позволяющими использовать его для

записи, хранения и считывания данных. В качестве НД в вычислительной технике

применяются полупроводниковые кристаллы, магнитные и лазерные диски,

магнитные ленты, магнитные карты, перфокарты и перфоленты, а также бумага,

используемая для распечатки. Совместно с устройствами, осуществляющими запись

данных на НД и их считывание, НД образуют запоминающие устройства.

В настоящее время в компьютерных сетях начинают применяться технологии

хранилищ данных, которые позволяют многим пользователям не только хранить

большие массивы данных, но и обеспечивают быстрый доступ к ним в сочетании с

мерами защиты информации.

2.4.1. Дисковые массивы (RAID)

Используются в системах управления базами данных (СУБД). Чем больше

размер исходных данных, тем больше требуется и объем физической памяти, чтобы

обеспечить не только хранение, но и быстрый доступ к данным. В табл. 2.5

приведены сравнительные характеристики различных СУБД при использовании

технологии RAID.

Таблица 2.5

Соотношение между реальным объемом исходных данных и требуемым

размером дискового массива в различных СУБД на различных компьютерах

Объём

исходных

данных

(Гигабайт)

Объём

дискового

массива

(Гигабайт)

Коэффициент

увеличения

физической

емкости носителя

данных

СУБД Аппаратная

платформа

(компьютер)

300 2815.1 9.4

DB2 RS/6000 System 403

100 492.4 4.93

DB2 RS/6000 SP2 302

100 420.0 4.2

Teradata NCR 5100M 5 Node

System

100 285.2 2.86

NonStop

SQL/MP

Tandem NonStop

Himalaya K20000-16

100 643.6 6.44

Oracle7 HP 9000 Enterprise

Parallel Server Model

EPS30

100 594.0 5.94

Oracle7 Sun Ultra Enterprise

6000

Виртуализация хранилищ данных – это агрегирование множества физических

устройств хранения данных (таких как JBOD, RAID, или ленточные накопители) с

различными протоколами интерфейсов (таких как SCSI, iSCSI или Fibre Channel) в

единый виртуальный пул хранения. Из него при необходимости можно производить