«А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Учебно-методический комплекс под редакцией профессора Пятибратова А.П. Москва, 2009 УДК 004 ББК 32.973.202 П 994 ...»

Международный консорциум «Электронный университет»

Московский государственный университет экономики,

статистики и информатики

Евразийский открытый институт

А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно,

А.А. Кириченко

Вычислительные машины,

сети и телекоммуникационные

системы

Учебно-методический комплекс

под редакцией профессора Пятибратова А.П.

Москва, 2009

УДК 004 ББК 32.973.202 П 994 Авторы:

Пятибратов Александр Петрович, доктор технических наук, профессор Гудыно Лев Петрович, кандидат технических наук, доцент Кириченко Александр Аполлонович, кандидат технических наук, профессор.

Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СЕТИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ

П СИСТЕМЫ: Учебно-методический комплекс. – М.: Изд. центр ЕАОИ. 2009. – 292 с.

ISBN 978-5-374-00108- Излагаются принципы построения, архитектура, функциональная и структурная организация, основные устройства и звенья вычислительных машин, сетей и телекоммуникационных систем. Рассматриваются их программное обеспечение, функционирование и перспективы развития.

Пособие предназначено для студентов и слушателей всех форм обучения с использованием дистанционных образовательных технологий, а также для преподавателей высших и средних специальных учебных заведений.

Основная цель настоящего учебно-практического пособия – познакомить студентов и специалистов, профессиональная деятельность которых связана с применением ЭВМ и компьютерных сетей, с широким кругом вопросов, касающихся принципов построения и организации функционирования компьютеров, вычислительных сетей и телекоммуникационных систем, технологии передачи и обработки информации.

УДК ББК 32.973. © ISBN 978-5-374-00108-2 Пятибратов Александр Петрович, © Гудыно Лев Петрович, © Кириченко Александр Аполлонович, © Оформление. Евразийский открытый институт, Содержание Введение

Тема 1. Принципы построения компьютера

1.1. История и тенденции развития вычислительной техники

1.2. Основные характеристики и классификация компьютеров

1.3. Принципы построения компьютера

1.4. Структурные схемы и взаимодействие устройств компьютера

1.5. Кодирование информации

1.6. Вычислительные системы

1.6.1. Классификация вычислительных систем

1.6.2. Архитектура вычислительных систем

1.6.3. Типовые структуры вычислительных систем

1.6.4. Кластеры

1.7. Перспективы развития компьютеров

1.7.1. Альтернативные пути развития элементной базы

Тест

Тренировочные задания к разделу 1

Тема 2. Функциональная и структурная организация ЭВМ

2.1. Организационное функционирование ЭВМ с магистральной архитектурой........ 2.2. Организационные работы ЭВМ при выполнении задания пользователя.......... 2.3. Центральное устройство ЭВМ

2.3.1. Состав, устройство и принцип действия основной памяти

2.3.2. Центральный процессор ЭВМ

2.3.3. Система визуального отображения информации (видеосистемы)............. 2.4. Периферийные устройства ЭВМ

2.4.1. Клавиатура

2.4.2. Принтеры

2.4.3. Мультимедийные устройства ввода-вывода

2.5. Внешние запоминающие устройства (ВЗУ)

2.5.1. Внешние запоминающие устройства (ЗУ) на гибких магнитных дисках....... 2.5.2. Накопитель на жестком магнитном диске

2.5.3. Стример

2.5.4. Оптические запоминающие устройства

2.6. Система прерываний ЭВМ

2.7. Инструментальные средства контроля и диагностики ЭВМ

Тест

Тренировочные задания к разделу 2

Тема 3. Программное обеспечение

3.2. Операционные системы

3.3. Системы автоматизации программирования

3.4. Пакеты программ

3.5. Режимы работы ЭВМ

Тест

Тренировочные задания к разделу 3

Тема 4. Характеристика компьютерных сетей

4.3. Управление доступом к передающей среде

4.5. Типы сетевой связи и тенденции их развития

4.6. Линии связи и их характеристики

4.10. Маршрутизация пакетов в сетях

4.11. Способы коммутации в ТКС

4.12. Сети и технологии Х.25 и Frame Relay

4.13. Сети и технологии ISDN и SDH

4.14. Сети и технологии АТМ

4.15. Спутниковые сети связи

Тест

Тренировочные задания к разделу 4

Тема 5. Компьютерные сети и сетевые технологии

5.1. Характеристика и особенности ЛКС

5.2. Протоколы и технологии локальных сетей

5.6. Сеть Internet. Семейство протоколов ТСР/IP

5.7. Адресация в ТР-сетях

5.8. Прикладные сервисы сети Internet

5.10. Функции, характеристики и типовая структура корпоративных компьютерных сетей (ККС)

5.11. Программное обеспечение ККС

5.12. Сетевое оборудование ККС

Тест

Тренировочные задания к разделу 5

Заключение

Решения тренировочных заданий

Вопросы для повторения

Вопросы к экзамену

Толковый словарь

Список рекомендуемой литературы

Введение Электронные вычислительные машины (ЭВМ), или компьютеры (от англ. compute – вычислять, подсчитывать), – одно из самых удивительных творений человека.

Простейшие устройства для облегчения счета появились в глубокой древности, несколько тысячелетий назад. По мере развития человеческой цивилизации они медленно эволюционировали, непрерывно совершенствуясь. Однако только в 40-е годы XX столетия было положено начало созданию вычислительных машин современной архитектуры и с современной логикой – современных электронных вычислительных машин. За исторически очень короткий срок компьютеры – благодаря огромным успехам электроники – проделали такой путь в своем техническом совершенствовании, масштабах применения и влияния на человеческое общество, с каким не сравнится никакое другое изобретение человечества, включая атомную энергию и космическую технику. Да и последние не могли бы получить столь мощного развития без использования достижений вычислительной техники.

Кратко характеризуя темпы развития вычислительной техники, можно сослаться на образное сравнение в журнале «Сайнтифик Америкэн» (декабрь 1982 г.): «Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как и промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолет «Боинг-767» стоил бы 500 долларов, совершал бы облет земного шара за 20 минут, затрачивая при этом 5 галлонов (примерно 20 литров) топлива». Приведенные цифры весьма ярко отражают относительное снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ.

Компьютер в первую очередь является машиной – не существующим в природе, а созданным человеком объектом, предназначенным для умножения природных возможностей человека. В отличие от инструментов, приспособлений и механизмов компьютер, как и любая машина, не использует для своего функционирования физическую силу (энергию) человека. При работе с любой машиной человек выполняет только функцию управления.

Компьютер является особенной – вычислительной, информационной машиной, усиливающей не физические возможности человека, а его способность к вычислениям, накоплению и обработке информации, выполняющей разного рода вычисления или облегчающей этот процесс.

Основные функциональные элементы компьютера построены с помощью электронных приборов, с использованием современной наиболее развитой технологии обработки сигналов, на базе применения достижений электроники. Возможно построение вычислительных машин на другой материальной базе: история знает механические, наши современники – оптические, а футурологи предсказывают появление биологических вычислительных машин.

По способу представления информации вычислительные машины разделяют на три группы:

• аналоговые вычислительные машины (АВМ), в которых информация представлена в виде непрерывно изменяющихся переменных, выраженных какими-либо физическими величинами;

• цифровые вычислительные машины (ЦВМ), в которых информация представлена в виде дискретных значений переменных (чисел), выраженных комбинацией дискретных значений какой-либо физической величины (цифр);

• гибридные вычислительные машины, в которых используются оба способа представления информации.

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. Основным достоинством ЦВМ, определившим их широкое распространение и преобладание среди всех ЭВМ, является то, что точность получаемых с их помощью результатов вычислений не Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы зависит от точности, с которой они сами (т.е. ЦВМ) изготовлены, в отличие от АВМ. Этим объясняется и тот факт, что первое известное аналоговое вычислительное устройство – логарифмическая линейка – появилось лишь в XVII в., тогда как самыми древними цифровыми средствами для облегчения вычислений были человеческая рука и подручные предметы – камешки, палочки, косточки и т.п.: «Цифровое» приспособление для счета – абак – был известен уже древним египтянам.

Понятие «вычислительная система» (ВС) появилось позже понятия «вычислительная машина» и является более общим, т. к. в структуре ВС есть нескольких равноправных и взаимодействующих обрабатывающих устройств. Таким образом, классическая вычислительная машина представляет собой всего лишь один из возможных видов ВС – однопроцессорную ВС.

ВС – это комплекс технических средств, имеющих общее управление, предназначенный для преобразования информации и обеспечивающий автоматическую обработку данных по заданной программе.

Определение Важную роль в развитии вычислительной техники, средств обработки информации и управляющих устройств, являющихся основой автоматизации в различных сферах человеческой деятельности, сыграло появление микропроцессоров. Неослабевающий интерес к микропроцессорам объясняется такими их свойствами, как низкая стоимость, высокая надежность, компактность и значительные вычислительные и функциональные возможности, позволяющие применять их даже там, где использование средств цифровой обработки информации ранее считалось нецелесообразным.

В любой стране достижение высоких экономических и социальных результатов в значительной степени зависит от масштабов и темпов информатизации общества, использования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности.

Информатизацию можно рассматривать как процесс преобразования производственно-хозяйственных, научных и социально-бытовых структур путем производства информации, необходимой для выработки и реализации решений, направленных на достижение качественно новых результатов деятельности человека, на базе внедрения и использования средств вычислиОпределение тельной техники, связи и информационных технологий.

Несмотря на различие процессов информатизации в различных областях человеческой деятельности, ее объединяют три составляющие: единство основных средств производства (средства вычислительной техники и информации), единство сырья (данные, подлежащие анализу и обработке), единство выпускаемой продукции (информация, используемая для управления и совершенствования деятельности человека).

Инфраструктура информатизации включает системы коммуникаций, вычислительных машин и сетей, программное обеспечение этих систем; информационные средства; систему подготовки кадров для эксплуатации аппаратного, программного и информационного обеспечения; экономические и правовые механизмы, обеспечивающие эффективное развитие процесса Ключевая роль в современной инфраструктуре информатизации принадлежит системам телекоммуникаций и компьютерным сетям, в которых сосредоточены новейВведение шие средства вычислительной техники, информатики, связи, а также самые прогрессивные информационные технологии. Именно они обеспечивают пользователям широкий набор информационно-вычислительных услуг с доступом к локальным и удаленным машинным ресурсам, технологиям и базам данных.

По мере развития сетей с начала 70-х годов расширяется перечень предоставляемых ими услуг и повышается их уровень.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы ТЕМА 1.

1.1. История и тенденции развития вычислительной техники Первые электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились немногим более 50 лет назад. За это время микроэлектроника, вычислительная техника и вся индустрия информатики стали одними из основных составляющих мирового научно-технического прогресса. Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека продолжает расширяться. В настоящее время ЭВМ используются не только для выполнения сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании, здравоохранении, экологии и т.д. Это объясняется тем, что ЭВМ способны обрабатывать любые виды информации: числовую, текстовую, табличную, графическую, звуковую, видеоинформацию.

Первая электронная вычислительная машина ENIAC была построена в 1946 г. в рамках одного научно-исследовательского проекта, финансируемого министерством обороны США. Годом ранее Дж. фон Нейман издал статью, в которой были изложены основные принципы построения компьютеров. В основу проекта был положен макет вычислителя, разработанный американцем болгарского происхождения Дж. Атанасовым, занимавшимся крупномасштабными вычислениями. В осуществлении проекта принимали активное участие такие крупные ученые, как К. Шеннон, Н. Виннер, Дж. фон Нейман и др. С этого момента началась эра вычислительной техники. С отставанием в 10-15 лет стала развиваться и отечественная вычислительная техника.

Математические основы автоматических вычислений к этому времени были уже разработаны (Г. Лейбниц, Дж. Буль, A.Тьюринг и др.), но появление компьютеров стало возможным только благодаря развитию электронной техники. Многократные попытки создания разного рода автоматических вычислительных устройств (от простейших счет до механических и электромеханических вычислителей) не позволяли построить надежные и экономически эффективные машины.

Появление электронных схем сделало возможным построение электронных вычислительных машин.

Электронная вычислительная машина, или компьютер – это комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей (рис. 1).

Определение Рис. 1. Состав ЭВМ (компьютера) Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы. Как правило, время подготовки задач во много раз превышает время их решения.

Компьютеры являются универсальными техническими средствами автоматизации вычислительных работ, то есть они способны решать любые задачи, связанные с преобразованием информации. Однако подготовка задач к решению на ЭВМ была и остается до настоящего времени достаточно трудоемким процессом, требующим от пользователей во многих случаях специальных знаний и навыков.

Для снижения трудоемкости подготовки задач к решению, более эффективного использования отдельных технических, программных средств и ЭВМ в целом, а также облегчения их эксплуатации каждая ЭВМ имеет специальный комплекс программных средств. Обычно аппаратные и программные средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

Структура представляет собой совокупность элементов и их связей. В зависимости от контекста различают структуры технических, программных, аппаратно-программных и информационных средств.

Часть программных средств обеспечивает взаимодействие пользователей с ЭВМ и является своеобразным «посредником» между ними. Она получила название операционная система и является ядром программного обеспечения ЭВМ.

Определение Под программным обеспечением будем понимать комплекс программных средств регулярного применения, предназначенный для создания необходимого Программное обеспечение (ПО) отдельных ЭВМ и вычислительных систем (ВС) может сильно различаться составом используемых программ, который определяется классом используемой вычислительной техники, режимами ее применения, содержанием вычислительных работ пользователей и т.п. Развитие ПО современных ЭВМ и ВС в значительной степени носит эволюционный и эмпирический характер, но можно выделить закономерности в его построении.

Рассмотрим основные вехи и тенденции развития компьютеров, их аппаратных и программных средств (табл. 1).

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы В общем случае процесс подготовки и решения задач на ЭВМ предусматривает обязательное выполнение следующей последовательности этапов:

1) формулировка проблемы и математическая постановка задачи;

2) выбор метода и разработка алгоритма решения;

3) программирование (запись алгоритма) с использованием некоторого алгоритмического языка;

4) планирование и организация вычислительного процесса – порядка и последовательности использование ресурсов ЭВМ и ВС;

5) формирование «машинной программы», то есть программы, которую непосредственно будет выполнять ЭВМ;

6) собственно решение задачи – выполнение вычислений по готовой программе.

По мере развития вычислительной техники автоматизация этих этапов идет снизу вверх.

На пути развития электронной вычислительной техники можно выделить четыре поколения ЭВМ, отличающихся элементной базой, функционально-логической организацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристиками, степенью доступа к ЭВМ со стороны пользователей.

Смене поколений сопутствовало изменение основных технико-эксплуатационных и техникоэкономических показателей ЭВМ и в первую очередь таких, как быстродействие, емкость памяти, надежность и стоимость. При этом одной из основных тенденций развития было и остается стремление уменьшить трудоемкость подготовки программ решаемых задач, облегчить связь операторов с машинами, повысить эффективность использования последних. Это диктовалось и диктуется постоянным ростом сложности и трудоемкости задач, решение которых возлагается на ЭВМ в различных сферах применения.

Возможности улучшения технико-эксплуатационных показателей ЭВМ в значительной степени зависят от элементов, используемых для построения их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение в первую очередь, как правило, характеризуется используемой элементной базой.

Основным активным элементом компьютеров первого поколения являлась электронная лампа, остальные компоненты электронной аппаратуры – это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Для построения оперативной памяти уже с середиПринципы построения компьютера ны 50-х годов начали применяться специально разработанные для этой цели элементы – ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве устройства ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфораторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин), а затем специально были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстродействующие печатающие устройства.

Компьютеры этого поколения имели значительные размеры, потребляли большую мощность. Быстродействие этих машин составляло от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду, емкость памяти – несколько тысяч машинных слов, надежность исчислялась несколькими часами работы.

В этих ЭВМ автоматизации подлежал только шестой этап, так как практически отсутствовало какое-либо программное обеспечение. Все пять предыдущих этапов пользователь должен был готовить вручную самостоятельно, вплоть до получения машинных кодов программ. Трудоемкий и рутинный характер этих работ был источником большого количества ошибок в заданиях. Поэтому в ЭВМ следующих поколений появились сначала элементы, а затем целые системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.

На смену ламп пришли транзисторы в машинах второго поколения (начало 60х годов). Компьютеры стали обладать большими быстродействием, емкостью оперативной памяти, надежностью. Все основные характеристики возросли на 1-2 порядка. Существенно были уменьшены размеры, масса и потребляемая мощность. Большим достижением явилось применение печатного монтажа. Повысилась надежность электромеханических устройств ввода-вывода, удельный вес которых увеличился. Машины второго поколения стали обладать большими вычислительными и логическими возможностями.

Особенность машин второго поколения – их дифференциация по применению.

Появились компьютеры для решения научно-технических и экономических задач, для управления производственными процессами и различными объектами (управляющие машины).

Наряду с техническим совершенствованием ЭВМ развиваются методы и приемы программирования вычислений, высшей ступенью которых является появление систем автоматизации программирования, значительно облегчающих труд математиковпрограммистов. Большое развитие и применение получили алгоритмические языки, существенно упрощающие процесс подготовки задач к решению. С появлением алгоритмических языков резко сократились штаты программистов, поскольку составление программ на этих языках стало под силу самим пользователям.

Широкое применение алгоритмических языков (Автокоды, Алгол, Фортран и др.) и соответствующих им трансляторов, позволяющих автоматически формировать машинные программы по их описанию на алгоритмическом языке, привело к созданию библиотек стандартных программ, что позволило строить машинные программы блоками, используя накопленный и приобретенный программистами опыт. Новые программные средства здесь еще не объединялись в отдельные пакеты под общим управлением. Отметим, что временные границы появления всех этих нововведений достаточно размыты.

Обычно их истоки можно обнаружить уже в недрах ЭВМ предыдущих поколений.

Третье поколение ЭВМ (в конце 60-х – начале 70-х годов) характеризуется широким применением интегральных схем. Интегральная схема представляет собой законченный логический и функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме. Благодаря использованию интегральных схем удалось еще более Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы улучшить технические и эксплуатационные характеристики машин. Вычислительная техника стала иметь широкую номенклатуру устройств, позволяющих строить разнообразные системы обработки данных, ориентированные на различные применения. Они охватывали широкий диапазон по производительности, чему способствовало также повсеместное применение многослойного печатного монтажа.

В компьютерах третьего поколения значительно расширился набор различных электромеханических устройств ввода и вывода информации. Развитие этих устройств носит эволюционный характер: их характеристики улучшаются гораздо медленнее, чем характеристики электронного оборудования.

Отличительной особенностью развития программных средств этого поколения является появление ярко выраженного программного обеспечения и развитие его ядра – операционных систем, отвечающих за организацию и управление вычислительным процессом. Именно здесь понятие «ЭВМ» все чаще стало заменяться понятием «вычислительная система», что в большей степени отражало усложнение как аппаратурной, так и программной частей ЭВМ. Стоимость программного обеспечения стала расти, и в настоящее время намного опережает стоимость аппаратуры (рис. 2).

Рис. 2. Динамика изменения стоимости аппаратурных и программных средств Операционная система (ОС) планирует последовательность распределения и использования ресурсов вычислительной системы, а также обеспечивает их согласованную работу. Под ресурсами обычно понимают те средства, которые используются для вычислений: машинное время отдельных процессоров или ЭВМ, входящих в систему; объемы оперативной и внешней памяти; отдельные устройства, информационные массивы; библиотеки программ; отдельные программы как общего, так и специального применения и т.п. Интересно, что наиболее употребительные функции ОС в части обработки внештатных ситуаций (защита программ от взаимных помех, системы прерываний и приоритетов, служба времени, сопряжение с каналами связи и т.д.) были полностью или частично реализованы аппаратурно. Одновременно были реализованы более сложные режимы работы: коллективный доступ к ресурсам, мультипрограммные режимы. Часть этих решений стала своеобразным стандартом и начала использоваться повсеместно в ЭВМ различных классов.

В машинах третьего поколения существенно расширены возможности по обеспечению непосредственного доступа к ним со стороны абонентов, находящихся на различных, а том числе и значительных (десятки и сотни километров) расстояниях. Удобство общения абонента с машиной достигается за счет развитой сети абонентских пунктов, связанных с ЭВМ информационными каналами связи, и соответствующего программного обеспечения.

Например, в режиме разделения времени многим абонентам предоставляется возможность одновременного, непосредственного и оперативного доступа к ЭВМ. Вследствие большого различия инерционности человека и машины у каждого из одновременно работающих абонентов складывается впечатление, будто ему одному предоставлено машинное время.

Здесь еще в большей степени проявляется тенденция к унификации ЭВМ, созданию машин, представляющих собой единую систему. Ярким примером этой тенденции служит отечественная программа создания и развития Единой системы электронных вычислительных машин (ЕС ЭВМ).

ЕС ЭВМ представляла собой семейство (ряд) программно-совместимых машин, построенных на единой элементной базе, на единой конструктивно-технологической основе, с единой структурой, единой системой программного обеспечения и единым унифицированным набором внешних устройств.

Промышленный выпуск первых моделей ЕС ЭВМ был начат в 1972 г., при их создании были использованы все современные достижения в области электронной вычислительной техники, технологии и конструирования ЭВМ, в области построения систем программного обеспечения. Объединение знаний и производственных мощностей странразработчиков позволило в довольно сжатые сроки решить сложную комплексную научно-техническую проблему. ЕС ЭВМ представляла собой непрерывно развивающуюся систему, в которой улучшались технико-эксплуатационные показатели машин, совершенствовалось периферийное оборудование и расширялась его номенклатура.

Для машин четвертого поколения (80-е годы) характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, усложнению ее функций, повышению надежности и быстродействия, снижению стоимости. Это в свою очередь оказало существенное воздействие на логическую структуру ЭВМ и ее программное обеспечение. Более тесной стала связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы.

В четвертом поколении с появлением в США микропроцессоров (1971 г.) возник новый класс вычислительных машин – микроЭВМ, на смену которым пришли персональные компьютеры (ПК, начало 80-х годов). В этом классе ЭВМ наряду с БИС стали использоваться сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) 32-, а затем 64-разрядности.

Появление ПК – наиболее яркое событие в области вычислительной техники, до последнего времени самый динамично развивающийся сектор отрасли. С их внедрением решение задач информатизации общества было поставлено на реальную основу.

Основная цель использования ПК – формализация профессиональных знаний.

Здесь, в первую очередь, автоматизируется рутинная часть работ (сбор, накопление, хранение и обработка данных), которая занимает более 75% рабочего времени специалистов-прикладников. Применение ПК позволило сделать труд специалистов творческим, интересным, эффективным. В настоящее время ПК используются повсеместно, во всех сферах деятельности людей. Новые сферы применения изменили и характер вычислительных работ. Так, инженерно-технические расчеты составляют не более 9-15%, в большей степени ПК теперь используются для автоматизации управления сбытом, закупками, управления запасами, производством, для выполнения финансово-экономических расчетов, делопроизводства, игровых задач и т.п.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Применение ПК позволило использовать новые информационные технологии и создавать системы распределенной обработки данных. Высшей стадией систем распределенной обработки данных являются компьютерные (вычислительные) сети различных уровней – от локальных до глобальных.

В компьютерах этого поколения продолжается усложнение технических и программных структур (иерархия управления средствами, увеличение их количества). Следует указать на заметное повышение уровня «интеллектуальности» систем, создаваемых на их основе. Программное обеспечение этих машин создает «дружественную» среду общения человека и компьютера. Оно, с одной стороны, управляет процессом обработки информации, а с другой, создает необходимый сервис для пользователя, снижая трудоемкость его рутинной работы и предоставляя ему возможность больше внимания уделять творчеству.

Подобные тенденции будут сохраняться и в ЭВМ следующих поколений. Так, по мнению исследователей [50], машины следующего столетия будут иметь встроенный в них «искусственный интеллект», что позволит пользователям обращаться к машинам (системам) на естественном языке, вводить и обрабатывать тексты, документы, иллюстрации, создавать системы обработки знаний и т.д. Все это приводит к необходимости усложнения аппаратной части компьютеров, появлению вычислительных систем на их основе, а также к разработке сложного многоэшелонного иерархического программного обеспечения систем обработки данных.

1.2. Основные характеристики и классификация компьютеров Эффективное применение вычислительной техники предполагает, что каждый вид вычислений требует использования компьютера с определенными характеристиками.

Выбирая компьютер для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.д.). При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а общими вопросами организации вычислений. Последнее включается в понятие архитектуры ЭВМ, содержание которого достаточно обширно.

Архитектура компьютера – это многоуровневая иерархия аппаратурнопрограммных средств, из которых строится ЭВМ.

Определение Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Современный компьютер относится к классу открытых систем. Конкретная реализация каждого из уровней таких систем определяет особенности структурного построения, что может менять характеристики в широких пределах. Именно архитектура отражает основные принципы, положенные в основу построения компьютеров. (В последующих разделах пособия эти вопросы подробно рассматриваются.) Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаются различные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры-схемотехники проектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы их сопряжения друг с другом. Системные программисты создают программы управления техническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями, организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатывают пакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач. Указанные специалисты рассматривают понятие архитектуры в более узком смысле. Для них наиболее важные структурные особенности сосредоточены в наборе команд ЭВМ, являющемся границей между аппаратными и программными средствами.

Пользователи ЭВМ, которые обычно не являются профессионалами в области вычислительной техники, рассматривают архитектуру через более сложные аспекты, касающиеся их взаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующих групп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

• технические и эксплутационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность; показатели надежности, достоверности, точности; емкость оперативной и внешней памяти; габаритные размеры; стоимость технических и программных средств; особенности эксплуатации и др.);

• характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ;

возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;

• состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

Важнейшими характеристиками компьютеров служат быстродействие и производительность. Эти характеристики достаточно близки, но их не следует смешивать.

Быстродействие характеризуется числом определенного типа команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Производительность – это объем работ (например, число стандартных программ), выполняемый ЭВМ в единицу Определение Определение характеристик быстродействия и производительности представляет собой очень сложную инженерную и научную задачу, до настоящего времени не имеющую единых подходов и методов решения. Очень часто вместо конкретных значений этих характеристик указывают только тактовую частоту микропроцессора, поскольку она непосредственно связана со скоростью вычислений.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находиться в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть Определение Наименьшей структурной единицей информации является бит – одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения – байтах (байт равен 8 битам). Следующими единицами измерения служат 1Кбайт = = 210байта = 1024 байта; 1Мбайт = 210 Кбайта = 220 байта; 1Гбайт = 210 Мбайта = 220 Кбайта = = 230 байта.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Обычно отдельно характеризуют емкости оперативной и внешней памяти. В настоящее время персональные ЭВМ могут иметь емкость оперативной памяти равную 64, 128, 256 Мбайтам и даже больше. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.

Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, емкость одной дискеты составляет 1,2-2,8 Мбайта, в зависимости от типа дисковода и характеристик дискеты. Емкость жесткого диска и дисков DVD может достигать нескольких десятков Гбайтов, емкость компакт-диска (CD-ROM) – сотни Мбайтов (640 Мб и выше) и т.д. Емкость внешней памяти характеризует объем программного обеспечения и отдельных программных продуктов, которые могут устанавливаться в ЭВМ. Например, для установки операционной среды Windows 2000 требуется объем памяти жесткого диска более 1 Гб и не менее 64 Мб оперативной памяти ЭВМ.

Надежность – это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO – Определение Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства. Переход на новую элементную базу – сверхбольшие интегральные схемы резко сокращает число используемых интегральных схем, а значит и число их соединений друг с другом. Хорошо продуманы компоновка компьютера и обеспечение требуемых режимов работы (охлаждение, защита от пыли). Модульный принцип построения позволяет легко проверять и контролировать работу всех устройств, проводить диагностику и устранение неисправностей.

Точность – возможность различать почти равные значения (стандарт ISO 2382/2-76). Точность получения результатов обработки в основном определяется разрядностью ЭВМ, а также используемыми структурными единицами представления информации (байтом, словом, двойным словом).

Определение Во многих применениях ЭВМ не требуется большой точности, например, при обработке текстов и документов, при управлении технологическими процессами. В этом случае достаточно использовать 8-16-разрядные двоичные коды.

При выполнении сложных математических расчетов требуется использовать более высокую разрядность 32, 64 (и даже более). Поэтому все современные ЭВМ, включая ПК, имеют возможность работы с 32- и даже с 64-разрядными машинными словами. С помощью языков программирования этот диапазон может быть увеличен в несколько раз, что позволяет достигать очень высокой точности.

Достоверность – свойство информации быть правильно воспринятой. Достоверность характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов. Заданный уровень достоверности обеспечивается аппаратнопрограммными средствами контроля самой ЭВМ. Возможны методы контроля достоверности путем решения эталонных задач и повторных расчетов. В Определение особо ответственных случаях проводятся контрольные решения на других В настоящее время в мире произведены, работают и продолжают выпускаться миллионы вычислительных машин, относящиеся к различным поколениям, типам, класПринципы построения компьютера сам; отличающиеся своими областями применения, техническими характеристиками и вычислительными возможностями.

Рынок современных компьютеров отличается разнообразием и динамизмом, каких еще не знала ни одна область человеческой деятельности. Каждый год стоимость вычислений сокращается примерно на 25-30%, стоимость хранения единицы информации до 40%. Практически каждые полтора десятилетия меняется поколение машин, каждые два года основные типы микропроцессоров, СБИС, определяющих характеристики новых ЭВМ. Такие темпы сохраняются уже многие годы.

Рынок компьютеров постоянно имеет широкую градацию классов и моделей ЭВМ.

Существует большое количество классификационных признаков, по которым все это множество разделяют на группы [21,22]: по уровням специализации (универсальные и специализированные), по типоразмерам (настольные, портативные, карманные), по совместимости, по типу используемого процессора, по возможностям и назначению и др.

Разделение компьютеров по поколениям, изложенное в п. 1.1, также является одним из видов классификации. Наиболее часто используют классификацию компьютеров по возможностям и назначению, а в последнее время и по роли компьютеров в сетях.

По возможностям и назначению компьютеры подразделяют на:

• суперЭВМ для решения крупномасштабных вычислительных задач, а также для обслуживания крупнейших информационных банков данных.

С развитием науки и техники постоянно выдвигаются новые крупномасштабные задачи, требующие выполнения больших объемов вычислений. Особенно эффективно применение суперЭВМ при решении задач проектирования, в которых натурные эксперименты оказываются дорогостоящими, недоступными или практически неосуществимыми. СуперЭВМ позволяют по сравнению с другими типами машин точнее, быстрее и качественнее решать крупные задачи, обеспечивая необходимый приоритет в разработках перспективной вычислительной техники. Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использованием направления массового параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи процессоров. В настоящее время самыми мощными суперкомпьютерами планеты являются Nec Earth Simulatior (35,9 TFLOP, Япония) и IBM ASCI White (7,2 TFLOP, США), установленный в Lawrence Livermore National Lab, ориентированный на разработку перспективных вооружений.

В ближайшие годы фирма IBM планирует создание еще более мощных суперЭВМ.

В рамках государственного контракта (ноябрь 2002г.,290 млн. долларов) в 2004 г. должен быть построен ASCI Purple («Пурпурный») на базе 196 объединенных между собой 64-х процессорных серверов (12544 процессора). Это позволит пройти порог 100 TFLOP, 50 терабайт оперативной и 2 петабайта дисковой памяти. Затем последует Blue Gene/L, имеющий в своем составе 130 тысяч процессоров, что обеспечит пиковое быстродействие 360 TFLOP. Использование этих систем предполагается для моделирования погоды, разработки новых видов вооружения и других крупномасштабных вычислений.

• Большие ЭВМ для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров (министерства, государственные ведомства и службы, крупные банки и т.д.). Примером подобных машин, а точнее систем, могут служить младшие модели IBM RS/6000. Это очень мощные по производительности компьютеры, предназначенные для обеспечения научных исследований, для построения рабочих станций для работы с графикой, UNIX-серверов, кластерных комплексов.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы • Средние ЭВМ широкого назначения для управления сложными технологическими производственными процессами (банки, страховые компании, торговые дома, издательства). ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов. Примером машин данного класса служит IBM AS/400 – Advanced Portable Model 3 – «бизнес-компьютеры»,64-разрядные. В этих машинах особое внимание уделяется сохранению и безопасности данных, программной совместимости и т.п.

• Персональные и профессиональные компьютеры (ПК), позволяющие удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.

• Мобильные и карманные компьютеры. Эта категория вычислительных средств только начинает свое бурное развитие и поэтому требует более подробного освещения.

Появление микропроцессоров способствовало разработке на их основе разнообразных устройств, используемых в различных областях жизнедеятельности человека: мобильная связь, бытовая техника, авто, игровые приставки, электронные записные книжки т.п.

Невозможно дать исчерпывающую и полную классификацию подобных устройств с учетом их назначения, популярности, функциональных возможностей, размеров, мощности и т.д. Рыночный сектор этих устройств еще находится в стадии формирования, отличается большим разнообразием, мобильностью и динамикой. Аналитики предсказывают его прогрессирующее развитие на ближайшие 5-10 лет1.

Будущее современного человека неразрывно связано с компьютерными сетями.

Все ниши вычислительных устройств: от настольного компьютера до «наладонников» с узкой специализацией на всевозможные применения, – заполнены и имеют далеко не по единственному экземпляру устройств. Неудивительно, что создание компактных устройств для связи и мобильного бизнеса было подхвачено очень многими фирмамиразработчиками: Compaq, Hewlett-Packard (объединившиеся под эгидой последней), Casio, Palm Inc., Sharp, Psion, NEC, Nocia, Ericsson и др.

Появлению новых устройств способствуют следующие факторы:

– экономические – новые устройства успешно конкурируют со старыми, традиционными. Например, сотовая связь уверенно отвоевывает клиентов обычной телефонной связи;

– технологические – новые технологии обеспечивают качественно новые услуги (мобильный офис, телеконференции, предложение товаров от ближайших поставщиков и т.д.);

– социальные – мобильные телефоны и досуг с использованием Internet становятся – бизнес-факторы – бизнес требует новых типов предложений под лозунгами «Услуги в любое время и в любом месте» и предоставления каждому «Своего офиса в кармане».

Рассмотрим упрощенную градацию подобных устройств.

Ноутбуки (Notebooks). Совершенствование микропроцессоров привело к созданию мощных, дружественных и малогабаритных компьютеров, вполне способных обеспечить создание мобильного офиса различного класса с ориентацией на электронную почту, передачу факсов, доступ в Internet, например, с офиса менеджера высшего звена, практически не отличающегося от офиса с ПК настольного типа, до офиса SOHO (Small Office/Homo Office – малый офис/домашний офис).

Карманные персональные компьютеры (КПК), имеют очень широкую номенклатуру и градацию. В отдельных случаях их возможности могут не уступать возможностям http://www.compress.ru/Article.asp?id=3264, /Article.asp?id=3267.

среднего компьютера, в других – быть примитивными настолько, что к компьютерам их можно отнести с большой натяжкой. Чтобы не потеряться в анализе достоинств и недостатков различных моделей, очень часто рассматривают их по принадлежности к отдельным платформам, которые лежат в основе устройств и предопределяют спектр их приложений.

Большинство из них принадлежит к одной из трех распространенных и конкурирующих платформ: Pocket PC, Psion, Palm. Все платформы предполагают использование средств работы с текстовыми документами, программы ведения личных финансов, словари, игры и т.п. Но мощность этих средств в разных платформах сильно отличается.

Наиболее близка к настольным ПК платформа Pocket PC. Она предполагает использование упрощенного пакета Microsoft Office, поддерживает электронную почту и сотовую связь, работу с Internet. Возможно подключение MediaPlayer для прослушивания музыки с компакт-дисков. Установка MPEGplayer позволяет просматривать фильмы.

Имеется и другое развитое программное обеспечение для различных применений этих устройств.

Платформа Psion поддерживает электронную почту, имеет Internet-браузер, синхронизируется с сотовыми телефонами, содержит упрощенный прошитый язык программирования, может использовать русификаторы текста. Возможности функционального расширения ограничены.

Платформа Palm неплохо синхронизируется с записной книжкой, ежедневником, но имеет слабую поддержку почты и сотовой связи. Очень слабые возможности расширения.

• Встраиваемые микропроцессоры, осуществляющие автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами. Успехи микроэлектроники позволяют создавать миниатюрные вычислительные устройства, вплоть до однокристальных ЭВМ. Эти устройства, универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины, объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике (телефонах, телевизорах, электронных часах, микроволновых печах и т.д.), в городском хозяйстве (энерго-, тепло-, водоснабжении, регулировке движения транспорта и т.д.), на производстве (робототехнике, управлении технологическими процессами). Постепенно они входят в нашу жизнь, все больше изменяя среду обитания человека.

С развитием сетевых технологий все больше начинает использоваться другой классификационный признак, отражающий место и роль ЭВМ в сети. Согласно ему предыдущая классификация отражается на сетевой среде:

– мощные машины, включаемые в состав сетевых вычислительных центров и систем управления гигантскими сетевыми хранилищами информации;

– кластерные структуры;

– серверы;

– рабочие станции;

– сетевые компьютеры.

Мощные машины и системы предназначаются для обслуживания крупных сетевых банков данных и банков знаний. По характеристикам их можно отнести к классу суперЭВМ, но в отличие от них они являются более специализированными и ориентированными на обслуживание мощных потоков информации.

Кластерные структуры представляют собой многомашинные распределенные вычислительные системы, объединяющие под единым управлением несколько серверов.

Это позволяет гибко управлять ресурсами сети, обеспечивая необходимую производительность, надежность, готовность и другие характеристики.

Серверы – это вычислительные машины и системы, управляющие определенным видом ресурсов сети. Различают файл-серверы, серверы приложений, факс-серверы, почтовые, коммуникационные, Web-серверы и др.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Термин «рабочая станция» отражает факт наличия в сетях абонентских пунктов, ориентированных на работу профессиональных пользователей с сетевыми ресурсами.

Этот термин как бы отделяет их от ПК, обеспечивающих работу основной массы непрофессиональных пользователей, работающих обычно в автономном режиме.

Сетевые компьютеры. На базе существующих стандартных микропроцессоров появляется новый класс устройств, получивший это название. Само название говорит о том, что они предназначаются для использования в компьютерных сетях. В зависимости от выполняемых функций и от контекста под этим термином понимают совершенно различные устройства от простейшего компьютера – наладонника до специализированных сетевых устройств1.

Высокие скорости вычислений, обеспечиваемые ЭВМ различных классов, позволяют перерабатывать и выдавать все большее количество информации, что, в свою очередь, порождает потребности в создании связей между отдельно используемыми ЭВМ.

Поэтому все современные компьютеры в настоящее время имеют средства подключения к сетям связи и объединения в системы.

Перечисленные типы ЭВМ, которые должны использоваться в индустриально развитых странах, образуют некое подобие пирамиды с определенным соотношением численности ЭВМ каждого слоя и набором их технических характеристик. Распределение вычислительных возможностей по слоям должно быть сбалансировано.

Требуемое количество суперЭВМ для отдельной развитой страны должно составлять 100-200, больших ЭВМ тысячи, средних десятки и сотни тысяч, ПЭВМ миллионы, встраиваемых микро-ЭВМ миллиарды.

Все используемые ЭВМ различных классов образуют машинный парк страны, жизнедеятельность которого и его информационное насыщение определяют успехи информатизации общества и научно-технического прогресса Формирование сбалансированного машинного парка является сложной политической, экономической и социальной проблемой, решение которой требует многомиллиардных инвестиций. Для этого должна быть разработана соответствующая структура: создание специальных производств (элементной базы ЭВМ, программного обеспечения и технических связей), смена поколений машин и технологий, изменение форм экономического и административного управления, создание новых рабочих мест и т.д.

1.3. Принципы построения компьютера Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В его основе лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

«Алгоритм конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций». (Стандарт ISO 2382/1-84 г.).

Определение Следует заметить, что строгого, однозначного определения алгоритма, равно как и однозначных методов его преобразования в программу вычислений, не существует.

www.compress.ru/Article.asp?id=3267, /Article.asp?id=3270.

Принцип программного управления может быть осуществлен различными способами.

Стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых образцов компьютеров. Суть его заключается в следующем.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, место нахождения (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Программы и обрабатываемые ими данные должны совместно храниться в памяти ЭВМ.

Операнды переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных.

Определение Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения объектов. Информация (командная и данные: числовая, текстовая, графическая и другая информация) кодируется двоичным кодом (цифрами 0 и 1). Поэтому различные типы информации, размещенные в памяти ЭВМ, практически не различимы, идентификация их возможна лишь при выполнении программы, согласно ее логике, по контексту.

Выполнение каждой команды программы предполагает многократное обращение к памяти (выборка команд, выборка операндов, отсылка результатов и т.п.). В первых структурах ЭВМ использовалось централизованное управление, при котором одна и та же аппаратура выполняла и основные, и вспомогательные действия. Это было оправдано для дорогих машин, но не позволяло выполнять параллельные работы. Эволюция вычислительной техники потребовала децентрализации.

Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ:

• модульность построения;

• магистральность;

• иерархия управления.

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально логических и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске).

Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появляется возможность наращивания вычислительной мощи, улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователей. В качестве основных средств подключения и объединения модулей в систему используются магистрали, или шины. Стандартная система сопряжения (интерфейс) обеспечивает возможность формирования требуемой конфигурации, гибкость структуры и адаптацию к изменяющимся условиям функционирования В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (процессоры). Появились Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы вычислительные системы, содержащие несколько вычислителей (ЭВМ или процессоры), работающие согласованно и параллельно. Внутри самой ЭВМ произошло еще более резкое разделение функций между средствами обработки. Появились отдельные специализированные процессоры, например, сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с плавающей точкой, матричные процессоры и др.

Все существующие типы ЭВМ выпускаются семействами, в которых различают старшие и младшие модели. Всегда имеется возможность замены более слабой модели на более мощную. Это обеспечивается информационной, аппаратурной и программной совместимостью. Программная совместимость в семействах устанавливается по принципу «снизу-вверх», то есть программы, разработанные для ранних и младших моделей, могут обрабатываться и на старших, но не обязательно наоборот.

Модульность структуры ЭВМ требует стандартизации и унификации оборудования, номенклатуры технических и программных средств, средств сопряжения – интерфейсов, конструктивных решений, унификации типовых элементов замены, элементной базы и нормативно-технической документации. Все это способствует улучшению технических и эксплутационных характеристик ЭВМ, росту технологичности их производства.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры компьютера. Главный или центральный модуль системы определяет последовательность работ подчиненных модулей и их инициализацию, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии» для правильной координации всех работ. Подключаемые модули могут в свою очередь использовать специальные шины или магистрали для обмена управляющими сигналами, адресами и данными.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем. Например, по этому же принципу строится система памяти ЭВМ.

Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в компьютере одновременно могут обрабатываться несколько программ пользователей.

1.4. Структурные схемы и взаимодействие устройств компьютера Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема ЭВМ первых поколений В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Введенная информация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный информационный объект файл.

Файл – идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных Определение При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рис. 3 штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяют код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Он каждый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Отдельные признаки результатов r (r=0, r0 и др.) устройство управления использует для изменения порядка выполнения команд программы. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на УВыв информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций.

Например, ЭВМ типа IBM PC имеют несколько сотен различных операций (их количество зависит от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая отдельная микрокоманда – это простейшее элементарное преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, «жесткое» построение циклов выполнения отдельных ГОСТ 20866 – 85.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы операций, что во многом объясняет ограниченные возможности используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса ее обработки.

Тесно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор.

Определение В схеме ЭВМ появились дополнительные устройства, которые имели такие названия: процессоры ввода-вывода, устройство управления обменом информацией, канал ввода-вывода. Последнее получило наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое количество медленно работающих устройств ввода-вывода, и селекторные каналы, обслуживающие в многоканальных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

В персональных компьютерах, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (рис. 4). Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной.

Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Рис. 4. Структурная схема ПК Ядро ПК образуют процессор, основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), и видеопамять.

ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления.

Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и др., обеспечивается через соответствующие адаптеры – согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры – специальные устройства управления периферийной аппаратурой. Контроллеры в ПК играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер – устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) – устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Способ формирования структуры ПК является достаточно логичным и естественным стандартом для данного класса ЭВМ.

Центральное место в структуре ПК занимает шина.

Шина – это общий канал связи, используемый для обмена информацией Определение В первых ПК она была представлена просто набором проводников, предназначенных для передачи данных, адресов, питания и сигналов управления. По мере развития вычислительной техники, усложнения структуры компьютеров, увеличения быстродействия устройств и объемов пересылаемых данных, насыщения периферии разнообразными устройствами, в том числе и мультимедийными, единственная шина уже не могла обеспечить эффективной работы.

В современных ПК канал взаимодействия устройств компьютера представлен объединением большого количества шин, работающих в соответствии со старыми и новыми стандартами. Сохранение старых стандартов обеспечивает совместимость, то есть возможность работы с традиционными устройствами, подключаемыми к COM- и LPT-портам.

Организацию согласованной работы шин и устройств выполняют микросхемы системной логики, называемые чипсетом (Chipset).

Большинство наборов микросхем системной логики имеют ярко выраженную иерархическую структуру построения (рис. 5), отвечающую уровням высокоскоростных и низкоскоростных устройств ввода-вывода данных. Для последних микропроцессоров Pentium используется так называемая Hub-структура чипсета. При этом слово «hub»

можно в равной степени понимать как коммутатор (устройство для соединения отдельных входов с определенными выходами) или концентратор (устройство, согласующее высокоскоростные каналы с менее скоростными).

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Рис. 5. Hub-структура чипсета ПК В структуре чипсета за работу высокоскоростных устройств ядра компьютера отвечает North Bridge, NB – северный мост (в некоторых наборах, например Intel 820, его называют Memory Controller Hub, MCH – контроллер памяти, он же и графический контроллер для управления видеосистемой через ускоренный графический порт Accelerated Graphics Port, AGP). Каналы передачи данных между процессором или двумя процессорами, видеопамятью и оперативной памятью имеют пропускную способность более 1 Гбайт/с.

Низкоскоростными устройствами ввода-вывода данных управляет South Bridge, SB (южный мост). В наборе Intel 820 он называется I/O Controller Hub – контроллер, обслуживающий низкоскоростные устройства ввода-вывода. Именно этот порт согласовывает стандарты обмена данными по различным шинам:

• ISA (Industrial Standard Architecture – промышленная стандартная архитектура) была основной в 1981-1984 годах, несколько раз модернизировалась. Обеспечивает совместимость, надежность и скорость до 8 Мбайт/с при работе со стандартной периферией и данными 8, 16, 32 разрядности;

• MCA (Micro Cannel Architecture – микроканальная архитектура, разработка фирмы IBM 1988г.) обеспечивала лучшее использование возможностей периферийных устройств;

• EISA, (Extended Industrial Standard Architecture – расширенная промышленная стандартная архитектура, разработанная в 1988 г. сообществом фирм по инициативе фирмы Compaq в ответ на МСА) обеспечивает скорости до 33,32 Мбайт/с;

• VESA (Video Electronic Standard Association, иногда обозначается как VL-Bus, VLB – разработка комитетом Vesa при инициативе фирмы Nec в 1992-1994 годах) стандарт, обеспечивающий работу видеоадаптеров с повышением качества и эффективности работы видеосистем со скоростями 128 и более Мбайт/с. На его основе обмен данными между процессором и видеоадаптером выполнялся в обход шин ввода-вывода;

PCI (Peripheral Component Interconnect – шина взаимосвязи периферийных компонентов, спецификация фирмы Intel) является неотъемлемым атрибутом компьютеров высокого класса, начиная с 1993 года) обеспечивает передачу данных с разрядностью, равной разрядности процессора. Частота работы шины – 33 МГц, что обеспечивает при 32 разрядности 32 бит 33 МГц = 1056 Мбит/с, или 132 Мбайт/с.

При 64 разрядности микропроцессора, например для Itanium2, скорость работы возрастает до 264 Мбайт/с;

• USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина, разработки фирмы Intel 1996-1998 гг., предназначенная для подключения нового поколения периферийных устройств: сканеров, принтеров, джойстиков, цифровых камер и др.) обеспечивает скорости передачи данных 12 Мбит/с (1,5 Мбайт/с) по 4 проводникам. Поддерживает подключение до 127 устройств. Новые версии стандарта имеют еще большие скорости. Для подключения стандартной периферии типа мыши и клавиатуры предусматривается «медленный» подканал со скоростью 1, Кроме перечисленных шин общего назначения на рис. 5 показаны шины, управляющие специфическими внешними устройствами:

– IDE, Integrated Drive Electronics, – интерфейс работы с жесткими дисками с интегрированным в него контроллером, с подключением до 4-х устройств со скоростями 33, 66 и даже 100 Мбайт/с;

– SCSI, Small Computer System Interface – интерфейс систем малых компьютеров, разрабатывался как альтернатива стандарту IDE с его достаточно скромными характеристиками. Новый стандарт является достаточно сложным, дорогим и уже не дисковым, а системным. Допускает последовательное подключение к основному адаптеру жестких дисков, стримеров, CD-ROM, сканеров и других устройств общим числом до 7 или 15 единиц, то есть 4 канала SCSI могут обеспечить подключение до 60 устройств. Скорость обмена данными может достигать 160 Мбайт/с;

– AC, Audio Codec, согласно спецификации AC’97, обеспечивает подключение модемов и звуковых карт для аналоговых звуковых сигналов (см. п. 2.4). Для подключения звуковых карт был разработан специальный слот AMR, Audio/Modem Riser.

Цифровая обработка оцифрованных звуковых сигналов предполагается непосредственно в центральном процессоре – CPU, Central Processing Unit;

– SM – системная магистраль, используемая для мониторинга.

Следует учитывать, что все более широкое распространение получает новый стандарт последовательного интерфейса ввода-вывода Fire Wire или IEEE 1394, обеспечивающий работу со скоростями 400, 800 Мбайт/с и даже 3,2 Гбайт/с.

Уже только это перечисление шин ПК показывает, что взаимодействие устройств компьютера и организация ввода-вывода данных представляют собой сосредоточие очень многих проблем. Окончательная структура этой части компьютера еще очень далека от завершения1.

История развития вычислительной техники показала, что самым узким местом ЭВМ является связь «процессор-память». Быстродействие памяти во многом определяет общую скорость последовательных вычислений. Поэтому мощность самых новейших микропроцессоров используется лишь на 25-30 %.

С точки зрения пользователя, желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой емкости и высокого быстродействия. Однако одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлетворить этим двум противоречивым требованиям.

http://www.ixbt.com/editorial/10ghz-dead.shtml, http://www.ixbt.com/editorial/ ideal-pc2.shtml.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу.

В составе процессоров имеется сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками регистров с быстрым временем доступа, составляющим один такт процессора (наносекунды, нс). Здесь обычно хранятся данные, непосредственно участвующие в обработке.

Следующий уровень образует кэш-память, или память блокнотного типа. Она представляет собой буферное запоминающее устройство, предназначенное для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайт. В современных ПК она, в свою очередь, делится на кэш первого уровня L1 (Еп=16-64 Кбайт с временем доступа 1-2 такта процессора), кэш второго уровня L2 (Еп=128-512 Кбайт и более с временем доступа 3-5 тактов) и даже кэш третьего уровня, например, в микропроцессоре Itanium 2 (Еп=2-4 Мбайт с временем доступа 8-10 тактов). Кэш-память, как более быстродействующая, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Здесь возможна ассоциативная выборка данных. Основной объем программ пользователей и данных к ним размещается в оперативном запоминающем устройстве (емкость – миллионы машинных слов, время выборки – до 20 тактов процессора).

Часть машинных программ и наиболее часто используемых констант, обеспечивающих автоматическое управление вычислениями, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На более низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях: на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитооптических дисках и др. Их отличает более низкое быстродействие и очень большая емкость.

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ различных уровней при децентрализованном управлении ими позволяет рассматривать иерархию памяти как абстрактную единую виртуальную (кажущуюся) память. Согласованная работа всех уровней обеспечивается под управлением программ операционной системы. Пользователь имеет возможность работы с памятью, намного превышающей емкость ОЗУ.

Как видно из вышезложенного, полувековая история развития ЭВТ дала не очень широкий спектр основных структур ЭВМ, которые не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие традиционные признаки:

– ядро ЭВМ – процессор – единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью;

– линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;

– одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;

– внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;

– последовательное централизованное управление вычислениями;

– достаточно примитивные возможности устройства ввода-вывода.

Классическая структура ЭВМ уже сослужила добрую службу человечеству. В ходе эволюции она была дополнена целым рядом частных доработок, позволяющих ликвидировать наиболее «узкие места» и обеспечить максимальную производительность ЭВМ в рамках достигнутых технологий. Однако, несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура не обеспечивает возможностей дальнейшего наращивания производительности. Наметился кризис, обусловленный рядом ее существенных недостатков:

1. практически исчерпаны структурные методы повышения производительности 2. плохо развиты средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень большие массивы данных и др.);

3. несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

4. примитивная организация памяти ЭВМ;

5. низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих параллельную обработку и т.п.

Все эти недостатки аппаратуры приводят к чрезмерному усложнению комплекса программных средств, привлекаемого для подготовки и решения задач пользователей.

В ЭВМ будущих поколений, с использованием в них «встроенного искусственного интеллекта» предполагается дальнейшее усложнение структуры. В первую очередь это касается совершенствования процессов общения пользователей с ЭВМ (использование аудио, видео информации, систем мультимедиа и др.), обеспечения доступа к информационным хранилищам (базам данных и базам знаний) организации параллельных вычислений. Несомненно, что этому должны соответствовать новые параллельные структуры с новыми принципами их построения. Они становятся экономически более выгодными. Вероятно, подобными системами будут обслуживаться большие информационные хранилища.

1.5. Кодирование информации Информация это сведения об окружающем мире и протекающих в нем процессах, воспринимаемые человеком или специализированным устройством, например компьютером, для обеспечения целенаправленной деятельности.

Определение Информация может быть по своей физической природе числовой, текстовой, графической, звуковой и др. Она также может быть постоянной (не меняющейся), переменной, случайной, вероятностной. Наибольший интерес представляет переменная информация, так как она позволяет выявить причинно-следственные связи в процессах и явлениях. Существуют различные способы оценки количества информации. Классическим является подход, использующий формулу К. Шеннона. Применительно к двоичной системе она имеет вид:

где H количество информации, несущей представление о состоянии, в котором находится объект;

N количество равновероятных альтернативных состояний объекта.

Любая информация, обрабатываемая в компьютере, должна быть представлена двоичным кодом, т.е. должна быть закодирована комбинацией цифр 0, 1. Различные виды информации (числа, тексты, графика, звук) имеют свои правила кодирования. Коды отдельных значений, относящиеся к различным видам информации, могут совпадать.

Поэтому расшифровка кодированных данных осуществляется по контексту при выполнении команд программы.

Представление числовой информации в компьютере. В компьютерах используются три вида чисел: с фиксированной точкой (запятой), с плавающей точкой (запятой) и двоВычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы ично-десятичное представление. Точка (запятая) это подразумеваемая граница целой и дробной частей числа.

Все современные компьютеры имеют центральный процессор или центральное процессорное устройство – CPU, Central Processing Unit, предназначенное для обработки чисел с фиксированной точкой.

Одной из важнейших его характеристик является разрядность n – количество двоичных разрядов, представляющих значение числа. Основным достоинством CPU служит простота алгоритмов выполнения операций и, соответственно, высокая скорость операций.

У чисел с фиксированной точкой в двоичном формате предполагается строго определенное место точки (запятой). Обычно это место определяется или перед первой цифрой числа или после последней цифры числа. Если точка фиксируется перед первой значащей цифрой, то это означает, что число по модулю меньше единицы. Диапазон изменения значений чисел определяется неравенством:

Если точка фиксируется после последней цифры, то это означает, что n-разрядные двоичные числа являются целыми. Диапазон изменения их значений составляет:

Перед самым старшим из возможных цифровых разрядов двоичного кода фиксируется его знак. Положительные числа имеют нулевое значение знакового разряда, отрицательные единичные. Каждая цифра {0,1} занимает один бит соответствующего nразрядного формата.

Существенным недостатком представления чисел с фиксированной точкой служит тот факт, что аппроксимация малых чисел связана с большой относительной ошибкой.

Для чисел, приближающихся по величине к максимально возможным (2n), относительная ошибка уменьшается. Абсолютная же ошибка представления чисел с фиксированной точкой всегда лежит в одних и тех же пределах независимо от величины чисел.

Другой формой представления чисел является представление их в виде чисел с плавающей точкой (запятой). Представление чисел с плавающей точкой необходимо использовать, когда обрабатываемые числа имеют очень большой диапазон изменения. Эта ситуация типична для научно-технических расчетов (тригонометрические, экспоненты, логарифмы).

Поэтому все современные микропроцессоры в дополнение к CPU содержат математические сопроцессоры. Их обычно называют блоками или устройствами с плавающей точкой – FPU, Floating Point Unit, или числовым расширением процессора – NPX, Numeric Processor eXtension. Сочетание параллельно работающих CPU и FPU позволяет добиться большей скорости и большей Числа с плавающей точкой представляются в виде мантиссы ma и порядка p a, иногда это представление называют полулогарифмической формой числа. Например, вание системы счисления подразумевается фиксированным и равным 10. Для двоичных чисел A2 в этом представлении также формируется ma и порядок pa при основании системы исчисления, равном что соответствует записи Порядок числа определяет положение точки (запятой) в двоичном числе. Знаp a лом разрядов r, отведенных для представления порядка Положительные и отрицательные значения порядка значительно усложняют обработку вещественных чисел. Поэтому во многих современных ЭВМ используют не прямое значение pa, а модифицированное pa, приведенное к интервалу pa носит название «характеристики числа».

Обычно под порядок (модифицированный порядок характеристику) выделяют один байт. Старший разряд характеристики отводится под знак числа, а семь оставшихся разрядов обеспечивают изменение порядка в диапазоне Тим самым значения формируются в диапазоне положительных чисел Мантисса числа представляется двоичным числом, у которого точка фиксируется перед старшим цифровым разрядом, т. е.

где k число разрядов, отведенных для представления мантиссы.

то старший разряд мантиссы в системе счисления с основанием N отличен от нуля. Такое число называется нормализованным. Например, A2 = (100;0.101101)2 нормализованное Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы число A2 = 1011.01 или A10 = 11.25, а то же самое число A2 = (101;0.0101101)2 число ненормализованное, так как старший разряд мантиссы равен 0.

Диапазон представления нормализованных чисел с плавающей точкой определяется где r и k соответственно количество разрядов, используемых для представления порядка и мантиссы.

Третья форма представления двоичного кода двоично-десятичная. Ее появление объясняется следующим. При обработке больших массивов десятичных чисел (например, больших экономических документов) приходится тратить существенное время на перевод этих чисел из десятичной системы счисления в двоичную для последующей обработки и обратно для вывода результатов. Каждый такой перевод требует выполнения двухчетырех десятков машинных команд. С включением в состав отдельных ЭВМ специальных функциональных блоков или спецпроцессоров десятичной арифметики появляется возможность обрабатывать десятичные числа напрямую, без их преобразования, что сокращает время вычислений. При этом 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, «+»

имеет значение тетрады «1100», а «-» «1101».

Представление нечисловых видов информации. До последнего времени практически все системы связи России, системы передачи аудио- и видеоинформации, включая центральное радио и телевидение, строились на принципах передачи аналоговой информации. Это подразумевало выполнение процедур модуляции (преобразования данных в высокочастотные сигналы при передаче) и демодуляции для обратного преобразования и воспроизведения принятых данных.

С развитием микроэлектроники и компьютерных технологий все большее распространение получают цифровые системы передачи данных. В их основу положены процедуры квантования аналоговой информации по времени и величине. Значения функции y=f(t) измеряются с большой точностью в моменты времени 0, t, 2t,..nt (t = const). Эта последовательность дискретных измерений пересылается абоненту, у которого по ним воссоздается значение функции. Качество воспроизведения функции y = f(t) при t может быть очень высоким. Более подробно эти вопросы освещаются в п. 1.4.

По скорости изменения обрабатываемых цифровых данных информацию можно разделить на два вида: статический и динамический. Например, числовая, логическая и символьная информация является статической ее значение не связано со временем. В отличие от перечисленных типов вся аудиоинформация имеет динамический характер.

Она существует только в режиме реального времени, ее нельзя остановить для более подробного изучения. Если изменить масштаб времени (увеличить или уменьшить), аудиоинформация искажается. Это свойство иногда используется для получения звуковых эффектов.

Видеоинформация может быть как статической, так и динамической. Статическая видеоинформация включает текст, рисунки, графики, чертежи, таблицы и др. Рисунки делятся также на плоские двухмерные и объемные трехмерные.

Динамическая видеоинформация это видео-, мульт- и слайд- фильмы. В их основе лежит последовательное экспонирование на экране в реальном масштабе времени отдельных кадров в соответствии со сценарием.

Динамическая видеоинформация используется либо для передачи движущихся изображений (анимация), либо для последовательной демонстрации отдельных кадров вывода (слайдфильмы).

Для демонстрации анимационных и слайдфильмов используются различные принципы. Анимационные фильмы демонстрируются так, чтобы зрительный аппарат человека не мог зафиксировать отдельные кадры.

При демонстрации слайд-фильмов каждый кадр экспонируется на экране столько времени, сколько необходимо для восприятия его человеком (обычно от 30 с. до 1 мин.).

Слайдфильмы можно отнести к статической видеоинформации.

По способу формирования видеоизображения бывают растровые, матричные и векторные. Растровые видеоизображения используются в телевидении, в компьютерах практически не применяются.

Матричные изображения получили в ЭВМ наиболее широкое распространение.

Изображение на экране рисуется электронным лучом точками. Информация представляется в виде характеристик значений каждой точки пиксела (picture element), рассматриваемой как наименьшей структурной единицей изображения. Количество высвечиваемых одновременно пикселов на экране дисплея определяется его разрешающей способностью. В качестве характеристик графической информации выступают координаты точки (пиксела) на экране, цвет пиксела, цвет фона (градация яркости). Вся эта информация хранится в видеопамяти дисплея. При выводе графической информации на печать изображение также воспроизводится по точкам.

Изображение может быть и в векторной форме. Тогда оно составляется из отрезков линий (в простейшем случае прямых), для которых задаются начальные координаты, угол наклона и длина отрезка (может указываться и код используемой линии). Векторный способ имеет ряд преимуществ перед матричным: изображение легко масштабируется с сохранением формы, является «прозрачным», может быть наложено на любой фон и т.д.

Интенсивное развитие информационных технологий предполагает объединение самых различных систем (компьютерных, сетевых, информационных систем связи и т.п.) для решения задач формирования, хранения, обработки и преобразования данных. Способы представления информации в отдельных согласованно работающих устройствах, кодирование и преобразование в них кодов зависят от типов данных, принятых стандартов, принципов действия отдельных устройств, Представление текстовой информации. При формировании любого текстового (символьного) документа характерно последовательное использование нескольких видов кодировок и их преобразований. Например, при вводе информации с клавиатуры каждое нажатие клавиши, на которой изображен требуемый символ, вызывает появление так называемого scan-кода, представляющего собой двоичное число, равное порядковому номеру клавиши.

Сам номер нажатой клавиши никак не связан с формой символа, нанесенного на клавишу. Опознание символа по его scan-коду и присвоение ему внутреннего кода компьютера производится специальной программой – кодировщиком (драйвером). Соответствие scan-кодов клавиш и кодов представления символов внутри компьютера образует так называемую кодовую таблицу символов. Внутреннее представление символьных данных в компьютере полностью определяется особенностями построения этих кодовых таблиц.

Бурное развитие сетевых технологий, в частности Internet, привело к интеграции очень многих технических, программных и информационных систем с большим количеВычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы ством стандартов, использующих совершенно разные коды, а соответственно, и разные таблицы кодировок.

Только для русских текстов широко используются кодировки: KOI-7 и KOI-8r, ASCII, ANSI, Win1251, ISO-8859, кодировка ГОСТ, кодировка ГОСТ – альтернативная (СР866) и др.

Стандарты КОИ – 7 (код обмена информацией, 7-ми битовый) и KOI-8r (восьмибитовый) используются, в основном, в почтовых сообщениях) в E-mail. Они широко использовались и продолжают применяться на постсоветском пространстве.

До недавнего времени, когда удельный вес приложений MS DOS был определяющим, наиболее часто использовался стандарт ASCII – American Standard Code for Information Interchange – американский стандартный код передачи информации. Принцип построения данной системы кодирования отражается таблицей 2.

Всего с помощью таблицы ASCII можно закодировать 28 = 256 различных символов.

Она разделена на две части: основную базовую или стандартную (с кодами от 00h до 7Fh) и дополнительную (от 80h до FFh, где буква h обозначает принадлежность кода к шестнадцатеричной системе счисления).

Первая половина таблицы стандартизована под английский алфавит. Она содержит управляющие коды (от 00h до 20h и 77h). Эти коды в таблице занимают две строки. Далее размещаются знаки пунктуации и математические знаки: 21h !, 26h &, 28h (, 2Bh +, и т.д., а также прописные и строчные буквы латинского алфавита: 41h A, 61h a,...

Вторая половина таблицы содержит национальные символы алфавитов, символы псевдографики, из которых могут быть построены таблицы, специальные математические знаки. Данную часть таблицы кодировок можно заменять, используя соответствующие драйверы. Этот прием позволяет применять несколько шрифтов и их гарнитур. Различные версии второй половины таблицы называются расширениями ASCII, применительно к национальным алфавитам их еще часто называют кодовыми страницами – CP (Code Page).

Дисплей по коду символа должен вывести на экран его изображение не просто цифровой код, а соответствующую ему картинку, так как каждый символ имеет свою форму.

Описание формы каждого символа хранится в специальной памяти дисплея знакогенераторе.

Высвечивание символа на экране дисплея IBM PC осуществляется с помощью точек, образующих символьную матрицу. Этот процесс представлен на рис. 6.

Рис. 6. Пример формирования символа на экране дисплея Каждый пиксел в такой матрице является элементом изображения и может быть ярким или темным. Темная точка кодируется цифрой 0, светлая (яркая) 1.

Если изображать в матричном поле знака темные пикселы точкой, а светлые звездочкой, то можно графически изобразить форму символа.

Появление операционной среды Windows с графическим интерфейсом потребовало изменение стандарта и введения другой кодовой таблицы ANSI (American National Standard Institute – институт стандартизации США). Графический интерфейс Windows реализует векторный принцип отображения данных на экране дисплея, что позволяет использовать масштабируемые шрифты True Type. По сравнению с таблицей ASCII в ANSI изменилось размещение символов и отсутствуют символы псевдографики, так как в графическом интерфейсе они не нужны. Учитывая успех фирмы Microsoft в продажах на российском рынке своего программного обеспечения, фирмой была разработана русская кодовая страница CP-1251 (Windows-1251), получившая широкое признание и ставшая стандартом de facto.

Кодировка ISO-8859 (кодировка фирмы Sun), хотя и принята в качестве ГОСТа, но практически в стандартных приложениях не используется.

Обилие кодовых страниц привело к трудностям адекватного воспроизведения текстовой информации, разработке различных программ-перекодировщиков. Сообщество фирм Unicode предложило новую систему кодирования, основанную на 16-разрядном кодировании символов. В двухбайтовом представлении отпадает необходимость использования отдельных кодовых таблиц и их перекодировок. Таблица Unicode позволяет дать уникальный номер любому символу всех национальных алфавитов (216=65536 символов).

Для компенсации возрастающих объемов памяти под программные продукты, представленные в Unicode, при хранении и пересылках файлов используются процедуры «сжатия» (архивации) данных. Этот стандарт приобретает все большую популярность.

Представление графических данных. Методы кодирование графики и цвета во многом определяются способами передачи цвета и его оттенков (полутонов). Для форВычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы мирования цвета отдельных пикселов используется его декомпозиция на составляющие цвета. Имеется несколько подобных систем:

– основная система RGB (Red, Green, Blue) использует разложение цвета и смешение трех цветов: красного, зеленого и синего в различных пропорциях;

– дополнительная (альтернативная) система CMY (Cyan, Magenta, Yellow) предполагает смешение голубого, пурпурного и желтого цветов;

– полиграфическая CMYK, использующая добавление к предыдущей системе четвертого цвета – черного (blaсK).

Если для передачи оттенков (полутонов) каждого из основных цветов использовать один байт (28 = 256 градаций), то имеется возможность формировать 282828=224 различных цветов, более 16,77106 цветов для первых двух систем и более 4109 для полиграфической системы. Такой режим представления графики называется полноцветным – True Color.

Статические кадры с графикой служат основой для создания анимационных систем. В современных высококачественных мониторах и в телевизорах с цифровым управлением электронно-лучевой трубкой цветные кадры с графикой сменяются до 70 раз и более в секунду, что позволяет высококачественно передавать движение объектов.

Высокое качество передачи графических образов и видеоинформации сопряжено с повышенным потреблением ресурсов памяти. Поэтому разработан целый ряд стандартов, создающих файлы в форматах *.bmp, *.jpg, *.png и др. Различие всех этих стандартов и файлов заключается в качестве (точности) передачи образов и объемах создаваемых файлов.

Представление звуковой информации. Кодирование аудиоинформации процесс более сложный. Изначально аудиоинформация является аналоговой. Для преобразования ее в цифровую форму используют аппаратные средства – аналого-цифровые преобразователи (АЦП), в результате работы которых аналоговый сигнал оцифровывается, то есть представляется в виде числовой последовательности. Для вывода оцифрованного звука на аудиоустройства необходимо проводить обратное преобразование, которое осуществляется с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).