/
Автор: Колдаев В.Д. Лупин С.А.
Теги: архитектура вычислительных машин программирование архитектура программное обеспечение архитектура процессора
ISBN: 978-5-8199-0868-6
Год: 2023
Текст
В.Д. Колдаев
С.А. Лупин
Архитектура
СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году
В.Д. Колдаев, С.А. Лупин
АРХИТЕКТУРА ЭВМ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации
в качестве учебного пособия для студентов учреждений среднего
профессионального образования, обучающихся по группе
специальностей «Информатика и вычислительная техника»
э лектронно-
znanium.com
Москва
ИД «ФОРУМ» - ИНФРА-М
2023
УДК 004.2(075.32)
ББК 32.973-02я723
К60
Рецензенты:
Лисов О. И. — доктор технических наук, профессор кафедры ин-
форматики и программного обеспечения вычислительных систем
МГИЭТ (ТУ);
Костина С.А. — кандидат технических наук, начальник отдела
ООО «Кедах Электронике»
Колдаев В.Д.
К60 Архитектура ЭВМ : учебное пособие / В.Д. Колдаев, С.А. Лупин. —
Москва : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2023. — 383 с. — (Среднее про-
фессиональное образование).
ISBN 978-5-8199-0868-6 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-014902-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105885-5 (ИНФРА-М, online)
В учебном пособии рассмотрены информационно-логические прин-
ципы организации и построения ЭВМ, работа логических блоков и па-
мяти, периферийные устройства, основы программирования процессора,
классификация вычислительных платформ и вычислительные сети.
Для студентов, обучающихся по направлению и специальностям прог-
раммного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных
систем, прикладной математики и обработки информации. Будет полезно
широкому кругу специалистов, занятых в области компьютерного модели-
рования.
УДК 004.2(075.32)
ББК 32.973-02я723
ISBN 978-5-8199-0868-6 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-014902-8 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105885-5 (ИНФРА-М, online)
© Колдаев В.Д.,
Лупин С.А., 2014
© ИД «ФОРУМ», 2014
Предисловие
Для XXI в. характерна небывалая скорость развития науки,
техники и новых технологий. Так, от изобретения книгопечатно-
го станка (середина XV в.) до изобретения радиоприемника
(1895) прошло почти 440 лет, а между открытием радио и теле-
видения — около 30 лет. Разрыв во времени между изобретением
транзистора и интегральной схемы составил всего 5 лет.
Объем научной информации начиная с XVII в. удваивался
примерно каждые 10—15 лет. Поэтому одна из важнейших про-
блем человечества — обработка лавинообразного потока инфор-
мации в любой отрасли его жизнедеятельности. Подсчитано, на-
пример, что в настоящее время специалист должен тратить око-
ло 80 % рабочего времени, чтобы уследить за всеми новыми
печатными работами, относящимися к его области деятельности.
Первые электронные вычислительные машины (ЭВМ) поя-
вились всего лишь 50 лет назад. За это время микроэлектроника,
вычислительная техника и вся индустрия информатики стали од-
ними из основных составляющих мирового научно-технического
прогресса. В настоящее время ЭВМ используются не только для
выполнения сложных расчетов, но и в управлении производст-
венными процессами, в образовании, здравоохранении, эколо-
гии и т. д. Это объясняется тем, что ЭВМ способны обрабатывать
любые виды информации: числовую, текстовую, табличную, гра-
фическую, видео и звуковую.
Рынок современных компьютеров отличается небывалым
разнообразием и динамизмом. Каждый год стоимость вычисле-
ний сокращается примерно на 25—30 %, стоимость хранения
единицы информации — до 40 %. Практически каждое десятиле-
тие меняется поколение вычислительных машин, каждые два
года — основные типы микропроцессоров — сверхбольших ин-
тегральных схем (СБИС), определяющих характеристики новых
ЭВМ. Такие темпы сохраняются уже многие годы.
4
Предисловие
Сложность современных человеко-машинных систем, их
функциональные особенности и степень автоматизации режимов
управления определяются информационными потоками. Получе-
ние и анализ информации в этом случае должны происходить со
скоростью выработки параметрических данных в реальном мас-
штабе времени. При этом не существует объектов, исключающих
непосредственное или опосредованное участие человека в функ-
циональных контурах управления автоматизированных систем.
Прогресс микропроцессорной техники сделал ее доступной
массовому потребителю, а высокая надежность, относительно
низкая стоимость, простота общения с пользователем — послу-
жили основой для организации систем распределенной обработ-
ки данных, включающих от десятка до нескольких сотен персо-
нальных электронных вычислительных машин (ПЭВМ), объеди-
ненных в вычислительные сети.
На сегодняшний день в мире существует более 130 млн компь-
ютеров и более 80 % из них объединены в различные информаци-
онно-вычислительные сети — от малых локальных сетей в офисах
до глобальных сетей типа Интернет. Всемирная тенденция к объе-
динению компьютеров в сети обусловлена рядом важных причин,
таких как ускорение передачи информационных сообщений, воз-
можность быстрого обмена информацией между пользователями,
получение и передача сообщений (факсов. E-mail), возможность
мгновенного получения информации из любой точки земного
шара, а также обмен информацией между компьютерами разных
фирм, работающих под разным программным обеспечением.
Вычислительные сети позволяют автоматизировать управ-
ление производством, транспортом, материально-техническим
снабжением в масштабе отдельных регионов и страны в целом.
Возможность концентрации в вычислительных сетях больших
объемов данных, общедоступность этих данных, а также про-
граммных и аппаратных средств обработки, высокая надежность
их функционирования — все это позволяет улучшить информа-
ционное обслуживание пользователей и резко повысить эффек-
тивность применения вычислительной техники.
Фундамент серьезного компьютерного образования — зна-
ние принципов работы компьютера, его архитектуры, устройства
и особенностей машинного языка.
Цель данного учебного пособия — сформировать базовые
знания у студентов по основам организации и функциониро-
вания ЭВМ и архитектуре персонального компьютера.
Предисловие
5
Предлагаемое читателю учебное пособие состоит из четырех
глав.
В главе 1 рассматриваются информационно-логические осно-
вы ЭВМ, при этом особое внимание уделяется вопросам измере-
ния количества информации, математической логике и системам
счисления. Глава 2 посвящена принципам организации ЭВМ.
В ней рассмотрена классификация архитектур вычислительных
систем, работа логических блоков, дан анализ внутренних и пери-
ферийных устройств. Глава 3 посвящена основам программиро-
вания процессора: командам, регистрам, а также конвейеризации
и параллелизму вычислений. В главе 4 предложены классифика-
ции вычислительных сетей, операционных систем и программ-
ных средств, рассматриваются вопросы, связанные с работой
в Интернете. В конце каждой главы приведены контрольные во-
просы, способствующие лучшему усвоению материала учебного
пособия.
В приложении рассмотрены перспективы развития ЭВМ,
роль программно-аппаратных комплексов в образовании, а так-
же приведен анализ антивирусных программ.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся
по направлению и специальностям программного обеспечения
вычислительной техники и автоматизированных систем и обра-
ботки информации.
Глава 1
ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ ЭВМ
Информатика (фр. information — информация и automa-
tique — автоматика) — область научно-технической деятельности,
занимающаяся исследованием процессов получения, передачи,
обработки, хранения, представления информации, решением
проблем создания, внедрения и использования информационной
техники и технологии во всех сферах общественной жизни.
В некоторых более кратких определениях термин «информа-
тика» трактуется как наука о законах и методах получения и изме-
рения, накопления и хранения, переработки и передачи инфор-
мации с применением математических и технических средств.
Однако все имеющиеся определения отражают наличие двух
главных составляющих информатики — информации и соответ-
ствующих средств ее обработки. Бытует и такое определение: ин-
форматика — это информация плюс автоматика.
Становление и бурный прогресс информатики обусловлены
резким ростом масштабов, сложности и динамизма обществен-
ной практики — объектов исследования, систем управления, за-
дач проектирования и т. д. Дальнейшее развитие многих облас-
тей науки, техники и производства потребовало количественного
и качественного роста возможностей переработки информации,
существенного усиления интеллектуальной деятельности челове-
ка. Информационные ресурсы общества приобрели на совре-
менном этапе стратегическое значение. Огромную, по существу,
революционизирующую роль в становлении и развитии инфор-
матики сыграло создание ЭВМ и современной компьютерной
техники, ставшее одним из ключевых направлений научно-тех-
нического прогресса, подлинным его катализатором.
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
7
Информатика изучает следующие группы основных вопросов:
• технические, связанные с изучением методов и средств на-
дежного сбора, хранения, передачи, обработки и выдачи ин-
формации;
• семантические, определяющие способы описания смысла
информации, изучающие языки ее описания;
• прагматические, описывающие методы кодирования ин-
формации;
• синтаксические, связанные с решением задач по формали-
зации и автоматизации некоторых видов научно-информа-
ционной деятельности, в частности индексирование, авто-
матическое реферирование, машинный перевод.
В структуре информатики как науки выделяют алгоритмиче-
скую, программную и техническую области. Смежными дисцип-
линами с информатикой являются кибернетика и вычислитель-
ная техника, которые во многих случаях решают общие задачи,
связанные с переработкой информации. Стержневое направле-
ние и предмет информатики — разработка автоматизированных
информационных технологий на основе использования элек-
тронных вычислительных машин. Академик А. П. Ершов назы-
вал информатику наукой «о рациональном использовании ЭВМ
для решения различных задач». К числу основных особенностей
информатики относят ее высокую наукоемкость, использование
новейших достижений различных наук — математики, семиоти-
ки, теории моделирования, теории алгоритмов и др.
Применение ЭВМ послужило основой для создания новой
информационной технологии, позволяющей не только накап-
ливать, хранить, перерабатывать информацию, но и получать
новую информацию, новые знания. В этом состоит коренное
отличие возможностей ЭВМ от возможностей любой другой
информационной техники — средств связи, проекционной ап-
паратуры, телевидения и др., которые воспроизводят информа-
цию в том виде, в каком она подается на их вход. В таких слу-
чаях говорят, что количество информации на выходе устройства
не превышает ее количества на входе. По оценке специалистов,
информация на выходах сетей ЭВМ отличается от информации
на входах примерно так, как нерешенная задача отличается от
решенной. В получении новых сведений, новых данных, коли-
чественно и качественно отличающихся от исходных, подавае-
мых на вход ЭВМ, и состоит сущность толкования ЭВМ как
усилителя и ускорителя интеллекта.
8
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
1.1. История развития вычислительной техники
У древнего человека был свой счетный инструмент — десять
пальцев на руках. Загибал человек пальцы — складывал, разги-
бал — вычитал. И человек догадался: для счета можно использо-
вать все, что попадется под руку, — камешки, палочки, косточ-
ки. Потом стали завязывать узелки на веревке, делать зарубки на
палках и дощечках (рис. 1.1).
б
а
Рис. 1.1. Узелки (а} и зарубки на дощечках (б)
Период абака. Абаком (гр. abax — доска) называлась дощеч-
ка, покрытая слоем пыли, на которой острой палочкой проводи-
лись линии и в полученных колонках размещались какие-нибудь
предметы по позиционному принципу. В V—IV вв. до н. э. были
созданы древнейшие из известных счетов — «саламинская дос-
ка» (по названию острова Саламин в Эгейском море), которая у
греков и в Западной Европе называлась «абак». В Древнем Риме
абак появился в V—VI вв. н. э. и назывался calculi или abakuli.
Изготавливался абак из бронзы, камня, слоновой кости и цвет-
ного стекла. До нашего времени сохранился бронзовый римский
абак, на котором камешки передвигались в вертикально проре-
занных желобках (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Абак
1.1. История развития вычислительной техники
9
В XV—XVI вв. в Европе был распространен счет на линиях
или счетных таблицах с укладываемыми на них жетонами.
В XVI в. появились русские счеты с десятичной системой
счисления. В 1828 г. генерал-майор Ф. М. Свободской выставил
на обозрение оригинальный прибор, состоящий из множества
счетов, соединенных в общей раме (рис. 1.3). Все операции сво-
дились к действиям сложения и вычитания.
Рис. 1.3. Русские счеты
Период механических устройств. Этот период продолжался от
начала XVII до конца XIX в.
В 1623 г. Вильгельм Шиккард описал устройство счетной ма-
шины, в которой были механизированы операции сложения и
вычитания. В 1642 г. французский механик Блез Паскаль сконст-
руировал первую механическую счетную машину — «Паскалину»
(рис. 1.4).
В 1673 г. немецким ученым Гофтридом Лейбницем была со-
здана первая механическая вычислительная машина, выполняв-
Рис. 1.4. Счетная машина «Паскалина»
10
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
шая четыре арифметических действия (сложение, вычитание,
умножение и деление). В 1770 г. в Литве Е. Якобсон создал сум-
мирующую машину, определяющую частное и способную рабо-
тать с пятизначными числами.
В 1801 —1804 гг. французский изобретатель Ж. М. Жаккар
впервые использовал перфокарты для управления автоматиче-
ским ткацким станком.
В 1823 г. английский ученый Чарлз Бэббидж разрабатывает
проект «Разностной машины», предвосхитившей современную
программно-управляемую автоматическую машину (рис. 1.5).
В 1890 г. житель Петербурга Вильгодт Однер изобрел ариф-
мометр и наладил их выпуск. К 1914 г. в одной только России
насчитывалось более 22 тыс. арифмометров Однера. В первой
четверти XX в. эти арифмометры были единственными матема-
тическими машинами, широко применявшимися в различных
областях человеческой деятельности (рис. 1.6).
Рис. 1.5. Машина Бэббиджа
Рис. 1.6. Арифмометр
Период ЭВМ. Этот период начался в 1946 г. и продолжается
в настоящее время. Он характеризуется соединением достиже-
ний в области электроники с новыми принципами построения
вычислительных машин.
В 1946 г. под руководством Дж. Моучли и Дж. Эккерта в
США была создана первая ЭВМ — «ЭНИАК» (EN1AC) (рис. 1.7).
Она имела следующие характеристики: длина 30 м, высота 6 м,
вес 35 т, 18 тыс. вакуумных ламп, 1500 реле, 100 тыс. сопротивле-
ний и конденсаторов, 3500 оп/с. Тогда же эти ученые начали ра-
боту над новой машиной — «ЭДВАК» (EDVAC — Electronic
1.1. История развития вычислительной техники
11
Рис. 1.7. Электронная вычислительная машина «ЭНИАК»
Discret Variable Automatic Computer — электронный автоматиче-
ский вычислитель с дискретными переменными), программа ко-
торой должна была храниться в памяти компьютера. В качестве
внутренней памяти предполагалось использовать ртутные труб-
ки, применявшиеся в радиолокации.
В 1949 г. в Великобритании была построена ЭВМ «EDSAC»
с хранимой в памяти программой.
Появление первых ЭВМ до сих пор вызывает споры. Так,
немцы считают первой ЭВМ машину для артиллерийских расче-
тов, созданную Конрадом Цузе в 1941 г., хотя она работала на
электрических реле и была, таким образом, не электронной, а
электромеханической. Для американцев — это «ЭНИАК» (1946 г.,
Дж. Моучли и Дж. Эккерт). Болгары считают изобретателем ЭВМ
Джона (Ивана) Атанасова, сконструировавшего в 1941 г. в США
машину для решения систем алгебраических уравнений.
Англичане, порывшись в секретных архивах, заявили, что
первый электронный компьютер был создан в 1943 г. в Англии и
предназначался для расшифровки переговоров немецкого высше-
го командования. Это оборудование считалось настолько секрет-
ным, что после войны оно было уничтожено по приказу Черчил-
ля, а чертежи сожжены, чтобы секрет не попал в чужие руки.
Секретную повседневную переписку немцы вели с помощью
шифровальных машинок «Энигма» (лат. enigma — загадка). К на-
чалу Второй мировой войны англичане уже знали, как работает
«Энигма», и искали способы расшифровки ее посланий, но у
немцев появилась еше одна шифровальная система, предназна-
ченная только для самых важных сообщений. Это была изготов-
ленная фирмой «Лоренц» в небольшом количестве экземпляров
12
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
машина «Шлюссельцузатц-40» (название переводится как «шиф-
ровальная приставка»). Внешне она представляла собой гибрид
обычного телетайпа и механического кассового аппарата. Текст,
набиравшийся на клавиатуре, телетайп переводил в последова-
тельность электрических импульсов и пауз между ними (каждой
букве соответствует набор из пяти импульсов и «пустых мест»).
В «кассовом аппарате» вращались два комплекта по пять зубчатых
колесиков, которые случайным образом добавляли к каждой бук-
ве еще два набора по пять импульсов и пропусков. Колесики име-
ли разное количество зубцов, и это количество можно было ме-
нять: зубцы были сделаны подвижными, их можно было сдвигать
в сторону либо выдвигать на место. Имелось еще два «моторных»
колесика, каждое из которых вращало свой комплект зубчаток.
В начале передачи зашифрованного послания радист сооб-
щал адресату исходное положение колесиков и число зубцов на
каждом из них. Эти установочные данные менялись перед каж-
дой передачей. Выставив такие же наборы колесиков в таком же
положении на своей машине, принимавший радист добивался
того, что лишние буквы автоматически вычитались из текста, и
телетайп печатал исходное сообщение.
В 1943 г. математиком Максом Ньюменом в Англии была
разработана электронная машина «Колоссус». Колесики машины
моделировались 12 группами электронных ламп — тиратронов.
Автоматически перебирая разные варианты состояний каждого
тиратрона и их сочетаний (тиратрон может находиться в двух со-
стояниях — пропускать или не пропускать электрический ток,
т. е. давать импульс или паузу), «Колоссус» разгадывал началь-
ную установку шестеренок немецкой машины. Первый вариант
«Колоссуса» имел 1500 тиратронов, а второй, заработавший в
июне 1944 г., — 2500. За час машина «проглатывала» 48 км пер-
фоленты, на которую операторы набивали ряды единиц и нулей
из немецких посланий, в секунду обрабатывалось 5000 букв. Эта
ЭВМ имела память, основанную на заряжавшихся и разряжав-
шихся конденсаторах. Она позволила читать сверхсекретную пе-
реписку Гитлера, Кессельринга, Роммеля и т. д.
Примечание. Современный компьютер разгадывает начальное положение ко-
лесиков «Шлюссельцузатц-40» вдвое медленнее, чем это делал «Колоссус», так,
задача, которая в 1943 г. решалась за 15 мин, занимает у ПЭВМ «Pentium» 18 ч!
Дело в том, что современные компьютеры задуманы как универсальные, предна-
значенные для выполнения самых разных задач, и не всегда могут состязаться со
старинными ЭВМ, умевшими делать только одно действие, зато очень быстро.
1.1. История развития вычислительной техники
13
Первая отечественная электронная вычислительная машина
МЭСМ была разработана в 1950 г. Она содержала более 6000 элек-
тронных ламп. К этому поколению ЭВМ можно отнести:
«БЭСМ-1», «М-1», «М-2», «М-3», «Стрела», «Минск-1», «Урал-1»,
«Урал-2», «Урал-3», «М-20», «Сетунь», «БЭСМ-2», «Раздан»
(табл. 1.1). Быстродействие их не превышало 2—3 тыс. оп/с, ем-
кость оперативной памяти — 2К или 2048 машинных слов
(1 К = 1024) длиной 48 двоичных знаков.
Таблица 1.1. Характеристики отечественных ЭВМ
Характери- стика Первое поколение Второе поколение
БЭСМ-1 М-2 Стрела БЭСМ-2 М-20 Урал-2, Урал-4 Минск-12, Минск-14
Адресность 3 3 3 3 3 1 2
Длина ма- 39 34 43 39 45 40 31
шинного ело-
ва (двоичные разряды)
Быстродейст- 8000- 3000 2000 10 000 20 000 5000 2000
вие, оп/с 10 000
ОЗУ, тип, ЭЛТ 1024 ЭЛТ 512 ЭЛТ 2048 Ферритовый сердечник
емкость (слов) 4096 4096 2048 2048
ВЗУ, тип, НМЛ НМЛ НМЛ НМЛ НМЛ НМЛ НМЛ
емкость 120 тыс. 50 тыс. 200 тыс. 200 тыс. 300 тыс. 3,1 млн 3,1 млн
(слов) НМБ НМБ — НМБ НМБ НМБ НМБ
512 512 12 тыс. 12 тыс. 64 тыс. 64 тыс.
Около половины всего объема данных в информационных
системах мира хранится на больших ЭВМ. Для этих целей фир-
ма IBM еще в 1960-х гг. начала выпускать вычислительные ма-
шины IBM/360, IBM/370 (рис. 1.8), которые получили широкое
распространение в мире.
С появлением первых вычислительных машин в 1950 г. воз-
никла идея использования вычислительной техники для целей
управления технологическими процессами. Управление на базе
ЭВМ позволяет поддерживать параметры процесса в режиме,
близком к оптимальному. В результате сокращается расход мате-
риалов, энергии, повышается производительность и качество,
обеспечивается быстрая перестройка оборудования на выпуск
продукции другого вида.
14
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Рис. 1.8. ЭВМ IBM 360
Пионером промышленного использования управляющих
ЭВМ за рубежом явилась фирма Digital Equipment Corp. (DEC),
которая выпустила в 1963 г. для управления ядерными реактора-
ми специализированную ЭВМ «PDP-5». Исходными данными
служили измерения, получаемые в результате аналого-цифрово-
го преобразования, точность которых составляла 10—11 двоич-
ных разрядов. В 1965 г. фирма DEC выпускает первую миниа-
тюрную ЭВМ «PDP-8» размером с холодильник и стоимостью
20 тыс. долл., в качестве элементной базы которой были исполь-
зованы интегральные схемы.
До появления интегральных схем транзисторы изготовлялись
по отдельности, и при сборке схем их приходилось соединять и
паять вручную. В 1958 г. американский ученый Джек Килби при-
думал, как на одной пластине полупроводника получить несколь-
ко транзисторов. В 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель
фирмы Intel) изобрел более совершенный метод, позволивший
создавать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые
соединения между ними. Полученные электронные схемы стали
называться интегральными схемами, или чипами. В дальнейшем
количество транзисторов, которое удавалось разместить на еди-
ницу площади интегральной схемы, увеличивалось каждый год
приблизительно вдвое. В 1968 г. фирма Burroughs выпустила пер-
вый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. фирма Intel
начала продавать интегральные схемы памяти.
1.1. История развития вычислительной техники
15
В 1970 г. был сделан еше один шаг на пути к персональному
компьютеру — Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intel сконст-
руировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям
центральному процессору большой ЭВМ. Так появился первый
микропроцессор Intel-4004, который поступил в продажу в конце
1970 г. Конечно, возможности Intel-4004 были куда скромнее,
чем у центрального процессора большой ЭВМ, — он работал
гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только
4 бита информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16
или 32 бита одновременно). В 1973 г. фирма Intel выпустила
8-битовый микропроцессор Intel-8008, а в 1974 г. — его усовер-
шенствованную версию Intel-8080, которая до конца 1970-х гг.
была стандартом для микрокомпьютерной индустрии (табл. 1.2).
Таблица 1.2. Поколения ЭВМ и их основные характеристики
Поколение ЭВМ - Первое (1946-1954) Второе (1955-1964) Третье (1965-1974) Четвертое (с 1975 г.)
Элементная база ЭВМ Электронные лампы, реле Транзисторы, параметроны ИС, БИС Сверхбольшие ИС (СБИС)
Производи- тельность цен- трального процессора До 3 10- оп/с До 3 106 оп/с До 3 107 оп/с Более 3 • 107 оп/с
Тип оператив- ной памяти (ОП) Триггеры, ферритовые сердечники Миниатюрные ферритовые сердечники Полупровод- никовая на БИС Полупровод- никовая на СБИС
Объем ОП До 64 Кб До 512 Кб До 16 Мб Более 16 Мб
Характерные типы ЭВМ поколения — Малые, сред- ние, большие, специальные Большие, средние, мини- и мик- роЭВМ СуперЭВМ, ПК, специаль- ные, общие, сети ЭВМ
Типичные мо- дели поколе- ния EDSAC, EN1AC, UN I VAC, БЭСМ RCA-501, IBM 7090, БЭСМ-6 IBM/360, PDP, VAX, ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ IBM/360, SX-2, IBM РС/ХТ/АТ, PS/2, Cray, сети
Характерное программное обеспечение Коды, автоко- ды, ассембле- ры Языки про- граммирова- ния, диспетче- ры, АСУ, АСУТП ППП, СУБД, САПРы, ЯВУ, операционные системы БД, ЭС, систе- мы параллель- ного програм- мирования
16
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Поколения ЭВМ определяются элементной базой (лампы,
полупроводники, микросхемы различной степени интеграции
(рис. 1.9)), архитектурой и вычислительными возможностями
(табл. 1.3).
Таблица L3. Особенности поколений ЭВМ
Поколение Особенности
1 поколение (1946-1954) Применение вакуумно-ламповой технологии, использование систем памяти на ргутных линиях задержки, магнитных бара- банах, электронно-лучевых трубках. Для ввода-вывода данных применялись перфоленты и перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства
11 поколение (1955-1964) Использование транзисторов. Компьютеры стали более надеж- ными, быстродействие их повысилось. С появлением памяти на магнитных сердечниках цикл ее работы уменьшился до де- сятков микросекунд. Главный принцип структуры — центра- лизация. Появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, устройства памяти на магнит- ных дисках
111 поколение (1965-1974) Компьютеры проектировались на основе интегральных схем малой степени интеграции (МИС от 10 до 100 компонентов на кристалл) и средней степени интеграции (СИС от 10 до 1000 компонентов на кристалл). В конце 1960-х гг. появились ми- ни-компьютеры. В 1971 г. появился первый микропроцессор
IV поколение (с 1975 г.) Использование при создании компьютеров больших инте- гральных схем (БИС от 1000 до 100 тыс. компонентов на кри- сталл) и сверхбольших интегральных схем (СБИС от 100 тыс. до 10 млн компонентов на кристалл). Главный акцент при соз- дании компьютеров сделан на их «интеллектуальности», а так- же на архитектуре, ориентированной на обработку знаний
а
в
Рис. 1.9. Элементная база ЭВМ: а — электронная лампа; б — транзистор;
в — интегральная микросхема
1.1. История развития вычислительной техники
17
Первым микрокомпьютером был «Altair-8800», созданный в
1975 г. небольшой компанией в Альбукерке (штат Нью-Мекси-
ко) на основе микропроцессора Intel-8080. В конце 1975 г. Пол
Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) соз-
дали для компьютера «Altair» интерпретатор языка Basic, что по-
зволило пользователям достаточно просто писать программы.
Впоследствии появились компьютеры «TRS-80 РС», «РЕТ
РС» и «Apple» (рис. 1.10).
Рис. 1.10. Компьютер «Apple»
Отечественная промышленность выпускала DEC-совмести-
мые (диалоговые вычислительные комплексы ДВК-1, ..., ДВК-4
на основе ЭВМ «Электроника МС-101», «Электроника 85»,
«Электроника 32») и IBM PC-совместимые (ЕС 1840 — ЕС 1842,
ЕС 1845, ЕС 1849, ЕС 1861, Искра 4861), существенно уступав-
шие по своим характеристикам вышеназванным.
В последнее время широко известны персональные компью-
теры, выпускаемые фирмами США: Compaq Computer, Apple
(Macintosh), Hewlett Packard, Dell, DEC; фирмами Великобрита-
нии: Spectrum, Amstard; фирмой Франции Micra; фирмой Ита-
лии Olivetty; фирмами Японии: Toshiba, Panasonic, Partner.
Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются
персональные компьютеры фирмы IBM (International Business
Machines Corporation).
В 1983 г. появился компьютер IBM PC XT co встроенным
жестким диском, а в 1985 г. компьютер IBM PC АТ на основе
16-разрядного процессора Intel 80286 (рис. 1.11).
В 1989 г. разработан процессор Intel 80486 с модификациями
486SX, 486DX, 486DX2 и 486DX4. Тактовые частоты процессо-
ров 486DX в зависимости от модели равны 33, 66 и 100 МГц.
18
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
а
Рис. 1.11. Первые модели компьютеров: а — Lisa; б — Macintosh
б
Новое семейство моделей ПК IBM получило название PS/2
(Personal System 2). Первые модели семейства PS/2 использовали
процессор Intel 80286 и фактически копировали ПК АТ, но на
базе иной архитектуры.
В 1993 г. появились процессоры Pentium с тактовой частотой
60 и 66 МГц.
В 1994 г. фирма Intel стала производить процессоры Pentium
с тактовой частотой 75, 90 и 100 МГц. В 1996 г. тактовая частота
процессоров Pentium выросла до 150, 166 и 200 МГц (рис. 1.12).
Рис. 1.12. Конфигурация мультимедийного компьютера
В 1997 г. фирма Intel выпустила новый процессор Pentium
MMX с тактовыми частотами 166 и 200 МГц. Аббревиатура ММХ
означала, что данный процессор оптимизирован для работы с
графической и видеоинформацией. В 1998 г. фирма Intel объяви-
ла о выпуске процессора Celeron с тактовой частотой 266 МГц.
С 1998 года фирма Intel анонсировала версию процессора
Pentium® II Хеоп™ с тактовой частотой 450 МГц (табл. 1.4).
1.1. История развития вычислительной техники
19
Таблица 1.4. Компьютеры фирмы IBM
Тип компьютера Процессор Тактовая частота, МГц Объем оперативной памяти Год выпуска
IBM PC XT 18086 (8088) 5 640 Кб 1981
То же I80286 20 2 Мб 1982-1983
« I80386 30-40 8 Мб 1984-1987
« 180486 40-60 16 Мб 1988-1991
« Pentium (MMX) 90-200 64 Мб 1992-1996
IBM PC АТ/АТХ Pentium 2 200-400 512 Мб 1997-1998
IBM PC ATX Pentium 3 700-1000 1 Гб 1999-2000
To же Pentium 4 1000-3000 2 Гб С 2001
Долгое время производители процессоров — прежде всего
Intel и AMD для повышения производительности процессоров
повышали их тактовую частоту. Однако при тактовой частоте
более 3,8 ГГц чипы перегреваются и о выгоде можно забыть.
Потребовались новые идеи и технологии, одной из которых и
стала идея создания многоядерных чипов. В таком чипе парал-
лельно работают два процессора и более, которые при меньшей
тактовой частоте обеспечивают большую производительность.
Исполняемая в данный момент программа делит задачи по обра-
ботке данных на оба ядра. Это дает максимальный эффект, когда
и операционная система, и прикладные программы рассчитаны
на параллельную работу, как, например, для обработки графики.
Многоядерная архитектура — это вариант архитектуры про-
цессоров, предполагающий размещение двух или более «испол-
няющих», или вычислительных, ядер Pentium® в одном процес-
соре. Многоядерный процессор вставляется в процессорный
разъем, но операционная система воспринимает каждое из его
исполняющих ядер как отдельный логический процессор, обла-
дающий всеми соответствующими исполняющими ресурсами
(рис. 1.13).
В основе такой реализации внутренней архитектуры процес-
сора лежит стратегия «разделяй и властвуй». Иначе говоря, разде-
20
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Рис. 1.13. Структура типового многоядерного процессора
ляя вычислительную работу, выполняемую в традиционных мик-
ропроцессорах одним ядром Pentium, между несколькими испол-
нительными ядрами Pentium, многоядерный процессор может
выполнять больше работы за конкретный интервал времени. Для
этого программное обеспечение (ПО) должно поддерживать рас-
пределение нагрузки между несколькими исполнительными яд-
рами. Эта функциональность называется параллелизмом на уров-
не потоков, или организацией поточной обработки, а поддержи-
вающие ее приложения и операционные системы (такие, как
Microsoft Windows ХР) называются многопоточными.
Многоядсрность влияет и на одновременную работу стан-
дартных приложений. Например, одно ядро процессора может
отвечать за программу, работающую в фоновом режиме, в то
время как антивирусная программа занимает ресурсы второго
ядра. На практике двухъядерные процессоры не производят вы-
числения в два раза быстрее одноядерных: хотя прирост быстро-
действия и оказывается значительным, но при этом он зависит
от типа приложения.
Первые двухъядерные процессоры появились на рынке в
2005 г. Со временем у них появлялось все больше преемников.
Поэтому «старые» двухъядерные процессоры сегодня серьезно
1.1. История развития вычислительной техники
21
подешевели. Их можно найти в компьютерах ценой от 600 долл,
и ноутбуках ценой от 900 долл. Компьютеры с современными
двухъядерными чипами стоят примерно на 100 долл, дороже,
чем модели, оснащенные «старыми» чипами. Один из главных
разработчиков многоядерных процессоров — корпорация Intel.
Перед появлением двухъядерных чипов изготовители предла-
гали одноядерные процессоры с возможностью параллельного
выполнения нескольких программ. Некоторые процессоры се-
рии Pentium 4 имели функцию Hyper-Threading, возвращающую
значение в байтах и содержащую логический и физический
идентификаторы текущего процесса. Ее можно рассматривать
как предшественницу архитектуры Dual-Core, состоящей из двух
оптимизированных мобильных исполнительных ядер. Dual-Core
означает, что в то время, пока одно ядро занято запуском прило-
жения, или, например, проверкой на вирусную активность, дру-
гое ядро будет доступно для выполнения иных задач, например,
пользователь сможет путешествовать по Интернету или работать
с таблицей. Хотя у процессора было одно физическое ядро, чип
был сконструирован так, что мог исполнять две программы од-
новременно (рис. 1.14).
Панель управления
Интерфейс командной строки
(ядра 0 и 1)
Маршрутизация
(ядра 0 и 1)
Управление, администрирование
и техническое обслуживание
(ядра 0 и 1)
Мониторинг информационной
панели (ядра 0 и 1)
Рис. 1.14. Схема использования многопроцессорной обработки
в панели управления
Операционная система распознает такой чип как два отдель-
ных процессора. Обычные процессоры обрабатывают 32 бита за
один такт. Новейшие чипы успевают обработать за один такт
вдвое больше данных, т. е. 64 бита. Это преимущество особенно
заметно при обработке больших объемов данных (например,
при обработке фотографий). Но для того чтобы им воспользо-
22
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
ваться, операционная система и приложения должны поддержи-
вать именно 64-битный режим обработки.
Под специально разработанными 64-битными версиями
Windows ХР и Windows Vista в зависимости от необходимости за-
пускаются 32- и 64-битные программы.
1.1.1. Классификация компьютеров
Персональный компьютер — это устройство для хранения и
переработки информации или программно-управляемое устрой-
ство, предназначенное для приема, переработки, хранения и вы-
дачи информации.
Основу компьютеров образует аппаратура (Hardware), по-
строенная с использованием электронных и электромеханиче-
ских элементов и устройств. Принцип действия компьютеров со-
стоит в выполнении программ (Software) — заранее заданных,
четко определенных последовательностей арифметических, логи-
ческих и других операций.
В корпусе системного блока располагаются: ПЗУ, ОЗУ, блок
питания, центральный процессор (рис. 1.15).
Рис. 1.15. Общая схема ПЭВМ
УВв — устройства ввода информации в ЭВМ (клавиатура,
мышь, ВЗУ, сканер).
УВыв — устройства вывода информации (дисплей, принтер,
ВЗУ, графопостроитель).
1.1. История развития вычислительной техники
23
ОЗУ (ОП или RAM) — оперативное запоминающее устройст-
во (оперативная память), быстрая память, которая состоит из яче-
ек, имеющих свой адрес. Принципиальной особенностью ОЗУ
является его способность хранить информацию только во время
работы машины. Когда включается компьютер, в оперативную
память заносятся (загружаются) цепочки байтов, в которых хра-
нится операционная система, при выключении компьютера со-
держимое ОЗУ стирается.
ВЗУ — внешние запоминающие устройства предназначены
для постоянного хранения информации (дискета, жесткий диск,
компакт-диск).
ПЗУ (ROM) — память, предназначенная только для чтения.
Системный блок включает следующие устройства:
• электронные схемы, управляющие работой (микропроцес-
сор, оперативная память, контроллеры устройств и т. д.);
• блок питания, преобразующий электропитание сети в по-
стоянный ток низкого напряжения, подаваемый на элек-
тронные схемы компьютера;
• накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков;
• накопитель на жестком магнитном диске, предназначен-
ный для чтения и записи на несъемный магнитный диск
(винчестер) и другие устройства.
Современные компьютеры обладают принципом открытой
архитектуры, который означает, что возможна замена устарев-
ших частей ЭВМ (рис. 1.16), т. е. новая деталь (блок) будет со-
вместима со всем оборудованием, которое использовалось ранее.
Классификацию вычислительных машин по габаритам и
производительности можно представить следующим образом:
• сверхпроизводительные ЭВМ и системы (суперЭВМ);
• большие ЭВМ (универсальные ЭВМ общего назначения);
• средние ЭВМ;
• малые, или мини-ЭВМ;
• микроЭВМ;
• персональные компьютеры;
• переносные компьютеры;
• микрокомпьютеры.
Фирма IBM, выпускающая примерно 80 % мирового машин-
ного «парка», в настоящее время производит четыре класса ком-
пьютеров, обеспечивая ими широкий класс задач пользователей.
Быстродействие — это число команд, выполняемых ЭВМ за
1 секунду. Быстродействие ЭВМ характеризует скорость обра-
24
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Рис. 1.16. Схема устройства компьютера
ботки информации компьютером (число операций в секунду (И)
и время выполнения (т = 1/И)). Но для различных операций эти
показатели различны, следовательно, реальная характеристика —
номинальное быстродействие (Гн) — количество коротких опе-
раций в единицу времени (обычно берут операцию сложения
«+»). Иногда используют в качестве характеристики быстродей-
ствия цикл обращения к основной памяти, а также эффективное
быстродействие (KJ:
гэФ = i/L р> т/ ’
где р, — вероятность выполнения z-й операции.
По содержанию производительность ЭВМ — это среднее
число операций в единицу времени.
Производительность ЭВМ зависит от следующих парамет-
ров: быстродействия процессора, класса решаемых задач и по-
рядка прохождения задачи через электронную вычислительную
машину.
1.1. История развития вычислительной техники
25
Для оценки числового выражения эффективности ЭВМ ис-
пользуют смеси команд.
Для научно-технических расчетов применяют коэффициенты
затрат «Смесь Гибсона»:
Р = ^2 г 3 — для п задач.
Сравнение по быстродействию различных типов ЭВМ не
обеспечивает достоверных оценок. Очень часто вместо характе-
ристики «быстродействие» используют связанную с ней характе-
ристику «производительность».
Производительность — это объем работ, осуществляемых
ЭВМ в единицу времени. Применяются также относительные
характеристики производительности. Фирма Intel для оценки
процессоров предложила тест, получивший название индекс
iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). При его
определении учитываются четыре главных аспекта производи-
тельности: работа с целыми числами, с плавающей запятой,
графикой и видео (данные имеют 16- и 32-разрядное представ-
ление). Каждый из параметров при вычислении участвует со
своим весовым коэффициентом, определяемым по усредненно-
му соотношению между этими операциями в реальных задачах.
По индексу iCOMP процессор Pentium 100 имеет значение 810,
a Pentium 133 — 1000.
Единицами измерения быстродействия ЭВМ служат:
• МИПС (MIPS — Mega Instruction Per Second) — миллионы
команд в секунду над числами с фиксированной запятой
(точкой);
• МФЛОПС (MFLOPS — Mega FLoating Operations Per
Second) — миллионы команд в секунду над числами с пла-
вающей запятой (точкой);
• КОПС (KOPS — Kilo Operations Per Second) для низкопро-
изводительных ЭВМ — тысяча неких усредненных опера-
ций над числами;
• ГФЛОПС (G FLOPS — Giga FLoating Operations Per
Second) — миллиарды команд в секунду над числами с пла-
вающей запятой (точкой).
СуперЭВМ предназначены для решения крупномасштабных
вычислительных задач и обслуживания крупнейших информаци-
онных банков данных.
Самая совершенная ЭВМ фирмы IBM в настоящее время
обеспечивает быстродействие 600 MIPS. Компания nCube выпус-
26
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
тила семейство суперкомпьютеров nCube2, производительность
которых может достигать 34 GFLOPS и 123 000 MIPS. Фир-
ма Cray Research выпускает суперЭВМ производительностью
1 TFLOPS= 1 000 000 MFLOPS. СуперЭВМ GF-11 (GigaFlop-11)
имеет быстродействие 11 млрд оп/с.
Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использова-
нием направления массового параллелизма, при котором одно-
временно могут работать сотни и даже тысячи процессоров.
Типовая модель суперЭВМ имеет следующие характеристики:
• высокопараллельная многопроцессорная вычислительная
система с быстродействием примерно 100 тыс. MFLOPS;
• емкость: оперативной памяти 10 Гбайт, дисковой памяти
1—10 Тбайт (или 1000 Гбайт);
• разрядность 64, 128 бит.
Создать высокопроизводительную ЭВМ по современной тех-
нологии на одном микропроцессоре не представляется возможным
ввиду ограничения, обусловленного конечным значением ско-
рости распространения электромагнитных волн (300 тыс. км/с),
так как время распространения сигнала на расстояние несколько
миллиметров (линейный размер стороны микропроцессора) при
быстродействии 100 млрд оп/с становится соизмеримым со време-
нем выполнения одной операции. Поэтому суперЭВМ создаются в
виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных
систем (МПВС).
МПВС имеют несколько разновидностей:
• магистральные (конвейерные), в которых процессоры од-
новременно выполняют разные операции над последова-
тельным потоком обрабатываемых данных; по принятой
классификации такие МПВС относятся к системам с мно-
гократным потоком команд и однократным потоком дан-
ных (МКОД или MISD);
• векторные, в которых все процессоры одновременно вы-
полняют одну команду над различными данными — одно-
кратный поток команд с многократным потоком данных
(ОКМД или SIMD);
• матричные, в которых микропроцессоры одновременно вы-
полняют разные операции над несколькими последова-
тельными потоками обрабатываемых данных (МКМД или
MIMD).
В суперЭВМ используются вес три варианта архитектуры
МПВС.
1.1. История развития вычислительной техники
27
I. Структура MIMD в классическом ее варианте (например,
в суперкомпьютере BSP фирмы Burroughs).
2. Параллельно-конвейерная модификация (MMISD), т. е.
многопроцессорная MISD-архитектура (например, в суперком-
пьютере «Эльбрус 3»).
3. Параллельно-векторная модификация (MSIMD), т. е. мно-
гопроцессорная SIMD-архитектура (например, в суперкомпью-
тере Cray 2).
Наибольшую эффективность показала MSIMD-архитектура,
поэтому в современных суперЭВМ чаще всего используется
именно она. Основные производители — фирмы США и Япо-
нии, в частности Cray, Fujitsu, Hitachi и NEC, выпускающие ком-
пьютеры RM600, SGI Origin 2000, Sun Enterprise 10000, CrayT3D.
IBM SP2.
Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использова-
нием направления массового параллелизма, при котором одно-
временно могут работать сотни и даже тысячи процессоров. Об-
разцы таких машин уже выпускаются несколькими фирмами:
nCube (гиперкубические ЭВМ), Connection Machine, Mass Par,
NCR/Teradata, KSR, IBM RS/6000, MPP и др.
Большие ЭВМ (mainframe, мэйнфреймы) представляют собой
ЭВМ с центральной обработкой, с большими возможностями
для работы с базами данных, с различными формами удаленного
доступа. Такие машины обладают колоссальным быстродействи-
ем (миллиарды операций в секунду), основанном на выполне-
нии параллельных вычислений и использовании многоуровне-
вой иерархической структуры запоминающих устройств.
К мэйнфреймам относятся, как правило, компьютеры, имею-
щие следующие характеристики:
• производительность не менее 10 MIPS;
• основная память емкостью до 10 000 Гбайт;
• внешняя память не менее 50 Гбайт;
• многопользовательский режим работы (обслуживают одно-
временно от 16 до 1000 пользователей).
Основные направления эффективного применения мэйн-
фреймов — это решение научно-технических задач, работа в вы-
числительных системах с пакетной обработкой информации, ра-
бота с большими базами данных, управление вычислительными
сетями и их ресурсами. Последнее направление — использова-
ние мэйнфреймов в качестве больших серверов вычислительных
сетей.
28
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Родоначальник современных больших ЭВМ, по стандартам
которого в последние несколько десятилетий развивались ЭВМ
этого класса в большинстве стран мира, — фирма IBM.
Среди лучших современных разработок мэйнфреймов за ру-
бежом в первую очередь следует отметить: IBM 390, IBM 4300
(4331, 4341, 4361, 4381), пришедшие на смену IBM 380 в 1979 г.,
и IBM ES/9000, созданные в 1990 г., а также японские компью-
теры М 1800 фирмы Fujitsu.
Новая серия машин S/390 продолжает эту линию и насчиты-
вает более двух десятков моделей:
a) IBM S/390 Parallel Enterprise Server-Generation 3 (13 моде-
лей). Они позволяют задавать переменную конфигурацию (число
процессоров — 1 — 10; емкость оперативной памяти —
512—81292 Мбайта; число каналов — от 3 до 256);
б) IBM S/390 Multiprise 2000 (13 моделей) — ориентирова-
ны на использование на средних предприятиях (число процес-
соров 1—5). IBM S/390 имеют производительность от 1,5 до
167 млн оп/с;
в) ЭВМ RS/6000 — очень мощные по производительности и
предназначенные для построения рабочих станций для работы с
графикой, Unix-серверов, кластерных комплексов. Первоначаль-
но эти машины предполагалось применять для обеспечения на-
учных исследований.
Последние модели больших ЭВМ — NOW (Network of
Workstation) и COW (Cluster of Workstation).
Средние ЭВМ обладали несколько меньшими возможностя-
ми, чем большие ЭВМ, но зато им была присуща и более низкая
стоимость. Они предназначались для использования всюду, где
приходилось постоянно обрабатывать довольно большие объемы
информации с приемлемыми временными затратами. Средние
ЭВМ предназначены в первую очередь для работы в финансовых
структурах (ЭВМ типа AS/400 — 64-разрядные «бизнес-компью-
теры»). В этих машинах особое внимание уделяется сохранению
и безопасности данных, программной совместимости и т. д. Они
могут использоваться в качестве серверов в локальных сетях.
Малые ЭВМ, или мини-ЭВМ, применялись для управления
сложными видами оборудования, создания систем автоматизи-
рованного проектирования и гибких производственных систем.
МикроЭВМ благодаря малым размерам, высокой производи-
тельности, повышенной надежности и небольшой стоимости на-
1.1. История развития вычислительной техники
29
шли широкое распространение во всех сферах народного хозяй-
ства.
МикроЭВМ обладают следующими характеристиками:
• производительность до 100 MIPS;
• емкость основной памяти — 4—512 Мбайт;
• емкость дисковой памяти — 2—100 Гбайт;
• число поддерживаемых пользователей — 16—512.
Все модели микроЭВМ разрабатываются на основе микро-
процессорных наборов интегральных микросхем, 16-, 32-, 64-раз-
рядных микропроцессоров. Основные их особенности: широкий
диапазон производительности в конкретных условиях примене-
ния, аппаративная реализация большинства системных функций
ввода-вывода информации, простая реализация микропроцессор-
ных и многомашинных систем, высокая скорость обработки пре-
рываний, возможность работы с форматами данных различной
длины.
С появлением микропроцессоров и микроЭВМ становится
возможным создание так называемых интеллектуальных терми-
налов, выполняющих сложные процедуры предварительной об-
работки информации.
Персональные ЭВМ (ПЭВМ) предназначены для индивиду-
ального обслуживания пользователя и ориентированы на реше-
ние различных задач в области вычислительной техники.
По поколениям ПК делятся следующим образом:
• 1-го поколения — используют 8-битные микропроцессоры;
• 2-го поколения — используют 16-битные микропроцессоры;
• 3-го поколения — используют 32-битные микропроцессоры;
• 4-го поколения — используют 64-битные микропроцессоры.
С 1999 г. в области персональных компьютеров начинает
действовать Международный сертификационный стандарт-спе-
цификация РС99. Он регламентирует принципы классификации
персональных компьютеров и оговаривает минимальные и реко-
мендуемые требования к каждой из категорий.
Новый стандарт устанавливает следующие категории персо-
нальных компьютеров:
• Consumer PC (массовый ПК);
• Office PC (деловой ПК);
• Mobile PC (портативный ПК);
• Workstation PC (рабочая станция);
• Entertainment PC (развлекательный ПК).
30
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
В настоящее время появился новый признак классификации
ПЭВМ — по конструктивному исполнению, связанному с мик-
роминиатюризацией изделий.
Снижение массы и уменьшение габаритов привело к выпус-
ку компьютеров, называемых Laptop («наколенные» компьюте-
ры), Notebook (компьютеры-блокноты) и Handlend (ручной ком-
пьютер).
Успехи микроэлектроники позволяют создавать миниатюр-
ные вычислительные устройства вплоть до однокристальных
ЭВМ. Эти устройства, универсальные по характеру применения,
могут встраиваться в машины, объекты и системы. Они находят
все большее применение в бытовой технике (телефонах, телеви-
зорах, электронных часах, микроволновых печах и т. д.), в го-
родском хозяйстве (энерготепловодоснабжении, регулировке
движения транспорта и т. д.), на производстве (робототехнике,
управлении технологическими процессами). Они постепенно
входят в нашу жизнь, все больше изменяя среду обитания чело-
века.
Перечисленные типы ЭВМ образуют некое подобие пирами-
ды с определенным соотношением численности ЭВМ каждого
слоя и набором их технических характеристик. Распределение
вычислительных возможностей по слоям должно быть сбаланси-
ровано.
Например, система обработки данных, используемая на
Олимпийских играх в Атланте, содержала: 4 суперЭВМ S/390;
16 систем RS/6000; более 80 систем AS/400; более 7000 IBM PC;
более 1000 лазерных принтеров; более 250 локальных сетей Token
Ring и др. Многие ПЭВМ имели сопряжение с датчиками скоро-
сти, времени и т. д.
Для отдельной страны, такой как Россия, количество супер-
ЭВМ должно составлять 200—300 шт., больших ЭВМ — тысячи,
средних — десятки и сотни тысяч, ПЭВМ — миллионы, встраи-
ваемых микроЭВМ — миллиарды. Все используемые ЭВМ раз-
личных классов образуют «машинный парк» страны, жизнедея-
тельность и информационное насыщение которого определяют
успехи информатизации общества и научно-технического про-
гресса страны.
В настоящее время ПЭВМ являются самым массовым ти-
пом: их доля в мировом парке составляет около 80 %, а доли
больших ЭВМ и мини-ЭВМ оцениваются примерно по 10 %.
1.1. История развития вычислительной техники
31
Структура и динамика развития мирового парка ЭВМ показаны
на рис 1.17.
Рис. 1.17. Структура и динамика развития мирового парка ЭВМ: 7 — большие
ЭВМ; 2 — мини-ЭВМ; 3 — персональные ЭВМ; 4 — суммарный парк
Развитие ПЭВМ определяется прежде всего экономически-
ми факторами, так как стоимость единицы вычислительной
мощности в них обходится значительно дешевле. Появление
ПЭВМ закономерно и объясняется изменением характера вы-
числительных работ, в которых огромную роль играет нечисло-
вая обработка.
Большие ЭВМ в основном использовались и используются
для централизованной обработки информации. В первую оче-
редь они применялись для крупномасштабных вычислений по
программам, разработанным коллективами специалистов. По-
этому дорогие большие машины устанавливались в крупных ака-
демических вычислительных центрах.
Мини-ЭВМ стали применяться для распределенной обработ-
ки данных и для управления объектами, технологическими про-
цессами и предприятиями.
С появлением ПЭВМ наметился новый этап в организации и
обеспечении вычислений — этап «персональных вычислений».
Суть его выражается девизом «One man — one job — one
computer» (человек — работа — компьютер). Таким образом, пер-
сональные ЭВМ призваны решать в первую очередь те задачи,
которые возникают у специалистов различного профиля в опре-
деленные моменты времени, непосредственно на рабочих местах,
при работе с источниками данных, подлежащих обработке.
32
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
При этом самый распространенный режим работы — режим
непосредственного доступа к ресурсам ЭВМ, «один на один с
компьютером». Подобный режим работы уже использовался
при работе с первыми ЭВМ, однако при централизованном
управлении он был крайне неэффективен. Если ранее за пуль-
том большой ЭВМ должен был находиться профессиональный
программист, то за персональным компьютером обычно нахо-
дится «непрограммирующий профессионал». Так обычно назы-
вают специалиста конкретной предметной области (бухгалтера,
экономиста, инженера-исследователя и т. п.), но не специали-
ста в вычислительной технике и программировании. Поэтому
возврат к режиму непосредственного доступа происходит на ка-
чественно новой основе.
При широком применении ПЭВМ в различных сферах дея-
тельности человека выдвигаются требования к их надлежащему
программному обеспечению. В настоящее время число профес-
сиональных программистов в индустриально развитых странах
составляет не более 0,5 % населения. Фирмы-разработчики про-
граммного обеспечения не могут предоставить каждому пользо-
вателю ПЭВМ требуемый набор программ. Их усилия сосредо-
точены на производстве пакетов прикладных программ и систем
программирования, рассчитанных на массового пользователя.
Именно поэтому такой взрывной характер имеют спрос, произ-
водство и распространение подобных пакетов. Они составляют
фундамент для последующей разработки собственных программ
пользователя, учитывающих всю специфику требуемых вычисле-
ний, т. е., как и во всех науках, специализация является над-
стройкой унификации. Это позволяет пользователям-специали-
стам с невысокой математической, вычислительной и програм-
мистской подготовкой необязательно самыми эффективными
средствами и способами ставить и решать задачи специальной
обработки данных.
Основная цель использования ПЭВМ — формализация про-
фессиональных знаний. Здесь в первую очередь автоматизирует-
ся рутинная часть работ специалистов, которая занимает более
75 % их рабочего времени. Применение ПЭВМ позволяет сде-
лать труд специалистов творческим, интересным и эффектив-
ным. Персональные ЭВМ используются повсеместно, во всех
сферах деятельности людей. Новые сферы применения измени-
ли и характер вычислительных работ. Так, инженерно-техниче-
ские расчеты составляют не более 9 %, автоматизация управле-
1.1. История развития вычислительной техники
33
ния сбытом, закупками, управление запасом — 16, финансо-
во-экономические расчеты — 15, делопроизводство — более 10,
игровые задачи — 8 % и т. д.
Причинами стремительного роста индустрии ПЭВМ следует
считать:
• высокую эффективность применения по сравнению с дру-
гими классами ЭВМ при малой стоимости (от нескольких
сотен до нескольких тысяч долларов в зависимости от типа
и комплектации);
• возможность индивидуального взаимодействия с ПК без
посредников и ограничений;
• большие возможности по обработке информации (быстро-
действие — сотни миллионов операций в секунду, емкость
памяти: оперативной — единицы и десятки мегабайтов,
внешней — сотни килобайтов, единицы гигабайтов);
• высокую надежность и простоту в эксплуатации;
• возможность расширения и адаптации к особенностям
применения;
• наличие программного обеспечения, охватывающего прак-
тически все сферы человеческой деятельности, а также
мощных систем для разработки нового программного обес-
печения;
• простоту использования, основанную на «дружественном»
взаимодействии с ПК, с помощью пакетов прикладных
программ.
Под ресурсом понимается любой логический или физический
компонент ЭВМ и предоставляемые им возможности. Основные
ресурсы — это процессор (процессорное время), память и доступ
к внешним устройствам. Управление ресурсами состоит в вы-
полнении следующих двух основных функций:
• упрощение доступа к ресурсам;
• распределение ресурсов между конкурирующими за них
процессами.
Их реализация позволяет «спрятать» аппаратные особенно-
сти ЭВМ и тем самым предоставить в распоряжение пользова-
телей и программистов «виртуальную машину» (на самом деле
не существующую, воображаемую). Виртуальная машина гораз-
до проще реальной. В этом смысле ОС может рассматриваться
как средство отображения виртуальной машины на реальное ап-
паратное обеспечение. Общение с виртуальной машиной может
34
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
осуществляться через два практически независимых канала:
пользовательский интерфейс и программный интерфейс.
Пользовательский интерфейс фактически представляет собой
язык команд (в текстовом, графическом или ином представле-
нии), с помощью которого пользователь в режиме диалога через
системный терминал задает необходимые действия ОС и получа-
ет от нее оперативную информацию в виде сообщений.
Программный интерфейс — это набор приемов и средств, с
помощью которых программа в процессе ее исполнения может
получить доступ к услугам операционной системы. Имеется не-
сколько уровней доступа через программный интерфейс, в числе
которых обычно используются система программных прерыва-
ний, запуск внешних утилит и программный доступ к команд-
ной строке (т.е. к пользовательскому интерфейсу).
Под процессом (задачей) понимается программа со всеми на-
борами данных, необходимых для ее выполнения (входные дан-
ные), а также являющихся продуктом ее деятельности (выходные
данные). Процесс — минимальная единица работы, для которой
выделяются ресурсы. Управление процессами подразумевает за-
грузку процессов в вычислительную систему, выделение им ре-
сурсов, осуществление прогона и выдачу результатов. Характер
управления процессами во многом определяется режимом рабо-
ты виртуальной машины (т.е. ЭВМ и ОС).
Эффективная работа на ПЭВМ предполагает своевременное
обеспечение ее необходимой входной информацией и распро-
странение полученных результатов обработки. Поэтому все
ПЭВМ имеют возможность сопряжения через сетевые адаптеры
и модемы с каналами связи. Подключение ПЭВМ к вычисли-
тельным сетям в еще большей степени повышает эффективность
их применения.
Персональные электронные вычислительные машины, как и
другие типы машин, выпускаются целыми семействами, что по-
зволяет перекрыть достаточно широкий диапазон производитель-
ности, обеспечить преемственность в разработках и возможность
совершенствования систем обработки данных, построенных на их
основе. Современные ПЭВМ строятся на сверхбольших инте-
гральных схемах. Машины типа IBM PC, составляющие почти
80 % парка ПЭВМ, комплектуются микропроцессорами Pentium
различных модификаций.
Мультимедиа — это собирательное понятие для различных
компьютерных технологий, при которых используется несколько
1.1. История развития вычислительной техники
35
информационных сред, таких как графика, текст, видео, фото-
графия, движущиеся образы (анимация), звуковые эффекты, вы-
сококачественное звуковое сопровождение.
Мультимедиа-компьютер — это компьютер, снабженный ап-
паратными и программными средствами, реализующими техно-
логию мультимедиа.
Области применения мультимедиа:
• обучение с использованием компьютерных технологий.
Специальными исследованиями установлено, что из услы-
шанного в памяти обучаемого остается только */4, из уви-
денного — */„ при комбинированном воздействии зрения
и слуха ‘/2, а если вовлечь учащегося в активные дейст-
вия в процессе изучения с помощью мультимедийных при-
ложений — 3/4;
• информационная и рекламная служба;
• развлечения, игры, системы виртуальной реальности.
Технологию мультимедиа составляют две основные компо-
ненты — аппаратная и программная.
Аппаратные средства мультимедиа:
• основные — компьютер с высокопроизводительным про-
цессором, большим объемом оперативной памяти, жест-
ким диском большого объема, накопителем на гибких маг-
нитных дисках, манипуляторами, мультимедиа-монито-
ром со встроенными стереодинамиками и видеоадаптером
SVGA;
• специальные — приводы CD-ROM, DVD-ROM; TV-тюне-
ры; графические акселераторы (ускорители), в том числе
для поддержки трехмерной графики; платы видеовоспроиз-
ведения; устройства для ввода видеопоследовательностей;
звуковые платы с установленными микшерами и музыкаль-
ными синтезаторами, воспроизводящими звучание реаль-
ных музыкальных инструментов; акустические системы с
наушниками или динамиками и др.
Программные средства мультимедиа:
• мультимедийные приложения — энциклопедии, интерак-
тивные курсы обучения по всевозможным предметам, игры
и развлечения, работа с Интернетом, тренажеры, средства
торговой рекламы, электронные презентации, информаци-
онные киоски, установленные в общественных местах и
предоставляющие различную информацию, и др.;
36
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
• средства создания мультимедийных приложений — редак-
торы видеоизображений; профессиональные графические
редакторы; средства для записи, создания и редактирова-
ния звуковой информации, позволяющие подготавливать
звуковые файлы для включения в программы, изменять
амплитуду сигнала, наложить или убрать фон, вырезать или
вставить блоки данных на каком-то временном отрезке;
программы для манипуляции с сегментами изображений,
изменения цвета, палитры; программы для реализации ги-
пертекстов и др.
Технологии мультимедиа:
• телевизионный прием — вывод телевизионных сигналов на
монитор компьютера на фоне работы других программ;
• видеозахват — «захват» и «заморозка» в цифровом виде от-
дельных видеокадров;
• анимация — воспроизведение последовательности карти-
нок, создающее впечатление движущегося изображения;
• звуковые эффекты — сохранение в цифровом виде звуча-
ния музыкальных инструментов, звуков природы или му-
зыкальных фрагментов, созданных на компьютере либо за-
писанных и оцифрованных;
• трехмерная (3D) графика — графика, создаваемая с помо-
щью изображений, имеющих не только длину и ширину,
но и глубину;
• музыка MIDI (Musical Instrument Digital Interface — цифро-
вой интерфейс музыкальных инструментов) — стандарт,
позволяющий подсоединять к компьютеру цифровые му-
зыкальные инструменты, используемые при сочинении и
записи музыки;
• виртуальная реальность (Virtual Reality, VR). Слово «вирту-
альный» означает «действующий и проявляющий себя как
настоящий».
Виртуальная реальность — это высокоразвитая форма компь-
ютерного моделирования, которая позволяет пользователю по-
грузиться в модельный мир и непосредственно действовать в
нем. Зрительные, слуховые, осязательные и моторные ощущения
пользователя при этом заменяются их имитацией, генерируемой
компьютером.
Признаки устройств виртуальной реальности: моделирование
в реальном масштабе времени; имитация окружающей обстанов-
ки с высокой степенью реализма; возможность воздействовать
1.1. История развития вычислительной техники
37
на окружающую обстановку и иметь при этом обратную связь.
Пример использования виртуальной реальности: архитектур-
но-строительная компания применяет программное обеспече-
ние, позволяющее заказчикам «посетить» виртуальный образ бу-
дущего архитектурного сооружения задолго до того, как будет
начато строительство.
Одна из главных характеристик ПК — тип используемого в
нем микропроцессора. Рынок микропроцессоров очень динами-
чен. Каждые год-два происходит обновление их основных типов.
Так, фирма Intel полностью перешла на выпуск процессоров
Pentium MMX, имеющих расширенный состав команд для обра-
ботки графической, аудио-, видео- и мультимедийной инфор-
мации.
Микропроцессором начального уровня в настоящее время являет-
ся Pentium 166 MMX фирмы Intel, намечается переход на частоты
233 МГц и выше. Конкурирующие фирмы AMD, Cyrix, Motorola,
Hewlett-Packard и другие также совершенствуют свои изделия.
Компьютеры оснащаются оперативной памятью 16—32 Мбайта с
возможностью расширения до 128 (160) Мбайт, кэш-памятью вто-
рого уровня емкостью 256—512 Кбайт, жесткими дисками —
до 2 Гбайт и более. Компьютеры могут иметь высокоскоростные
диски CD-ROM, сетевые и графические адаптеры и другие уст-
ройства.
Особую интенсивно развивающуюся группу ПЭВМ образуют
многопользовательские компьютеры, применяемые в вычисли-
тельных сетях, — серверы. Серверы обычно относят к микро-
ЭВМ, но по характеристикам мощные серверы скорее можно от-
нести к малым ЭВМ и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы
приближаются к суперЭВМ. Сервер — выделенный для обработ-
ки запросов от всех станций вычислительной сети компьютер,
предоставляющий этим станциям доступ к общим системным
ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библио-
текам программ, принтерам, факсам и др.).
Рассматривая класс ПЭВМ, нельзя не упомянуть о самой
простейшей его разновидности — сетевом компьютере (СК), так-
же относящемся к настольным вычислителям. Вполне возможно,
что в ближайшее время он станет еще одним стандартом, объеди-
няющим целый класс компьютеров, который получит массовое
производство и распространение. В литературе отсутствует и еди-
ное их наименование: «тощие» ПК, lncmct-приборы, браузеры,
WebPC, Java-терминал, NetComputer и др. Видимо, понятие «се-
38 Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
тевой компьютер» в будущем станет отождествляться с целым
спектром моделей, различающихся своими функциональными
возможностями. В приложении 1 рассматриваются перспективы
развития электронных вычислительных машин.
1.2. Измерение количества информации
Важное условие практического использования информа-
ции — ее своевременность и адекватность. Адекватность задает
определенный уровень соответствия образа, построенного на
базе полученной информации, реальному объекту. Адекватность
выражают в трех основных формах:
• синтаксическая — определяет процесс передачи, скорость,
точность, систему кодирования, наличие помех и т. п;
• семантическая — учитывает смысловое содержание переда-
ваемой информации, соответствие образа объекта и его ре-
ального аналога;
• прагматическая — определяет соответствие полученной ин-
формации той цели управления, которая реализуется на ее
базе.
Пр и мер 1.1. Предположим, что вы, уважаемый чита-
тель, — менеджер фирмы, работающей на автомобильном рын-
ке, получаете приглашение посетить выставку автомобильной
техники. Данное приглашение содержит информацию о месте,
времени проведения выставки, составе участников и т. д.
Если приглашение получено после закрытия выставки, то
информация, содержащаяся в нем, будет уже несвоевременной,
а значит, бесполезной, потому что ею нельзя воспользоваться.
Для удовлетворения требованиям синтаксической адекватности
бланк приглашения должен быть целым, изготовлен из плотной
бумаги, шрифт легко читаемым, т. е. важен процесс передачи со-
общения безотносительно содержания.
Семантическая адекватность требует, чтобы содержание со-
общения в приглашении соответствовало действительности, сов-
падали номера павильонов, имена участников, расписание меро-
приятий и т. п.
Прагматическая адекватность определяется полезностью све-
дений в приглашении. Если, руководствуясь приглашением, вы
1.2. Измерение количества информации
39
быстро найдете нужный выставочный павильон, вовремя попа-
дете на семинар и тем самым сэкономите свое время и нервы,
значит это полезная информация и требование прагматической
адекватности выполнено.
Информацию можно измерить количественно, т. е. подсчи-
тать. При подобных вычислениях абстрагируются от смысла со-
общения, как отрешаются от конкретности в привычных для
всех нас арифметических действиях (как от сложения двух яблок
и трех яблок переходят к сложению чисел вообще: 2 + 3).
Оценка количества информации. Основывается на законах
теории вероятностей, точнее, определяется через вероятности
событий. Сообщение имеет ценность, несет информацию толь-
ко тогда, когда мы узнаем из него об исходе события, имеюще-
го случайный характер, когда оно в какой-то мере неожиданно.
Чем больше имеет интересующее нас событие случайных ис-
ходов, тем ценнее сообщение о его результате и больше инфор-
мации.
Рассмотрим простейший случай получения информации. Вы
задаете только один вопрос: «Идет ли дождь?» При этом усло-
вимся, что с одинаковой вероятностью ожидаете ответ: «Да» или
«Нет». Легко увидеть, что любой из ответов несет самую малую
порцию информации.
Выбор единицы информации не случаен. Он связан с наибо-
лее распространенным двоичным способом ее кодирования при
передаче и обработке. Если событие имеет два равновероятных
исхода, это означает, что вероятность каждого исхода равна 1 /2.
Такова вероятность выпадения «орла» или «решки» при броса-
нии монеты. Информация о подобном событии равна 1 биту.
Бит — минимальная порция информации, он может принимать
два значения: 0 или 1. Если событие имеет три равновероятных
исхода, то вероятность каждого равна '/,. Сумма вероятностей
всех исходов всегда равна единице: ведь какой-нибудь из всех
возможных исходов обязательно наступит.
Событие может иметь и неравновероятные исходы. Так, при
футбольном матче между сильной и слабой командами вероят-
ность победы сильной команды велика — например, 4/5. Вероят-
ность ничьей намного меньше — например, 3/20, а вероятность
поражения совсем мала.
Количество информации — это мера уменьшения неопреде-
ленности некоторой ситуации.
40
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
1.2.1. Кодирование информации
Информация — произвольная последовательность символов,
для которой любое слово и каждый новый символ увеличивает
количество информации. Для измерения количества информа-
ции нужен эталон. Эталоном считается слово, состоящее из од-
ного символа двухсимвольного алфавита (цифры 0 или 1). Коли-
чество информации, содержащееся в этом слове, принимают за
единицу, названную битом. Имея эталон количества информа-
ции, можно сравнить любое еловое эталоном. Проще сравнивать
те слова, которые записаны в том же двухсимвольном алфавите.
Для определения количества информации необходимо найти
способ представления любой ее формы (символьной, текстовой,
графической) в едином виде. Этим видом стала двоичная форма
представления информации — записи любой информации в
виде последовательности только двух символов.
Благодаря введению понятия «единица информации» появи-
лась возможность определения размера любой информации чис-
лом битов. Образно говоря, если, например, объем грунта опреде-
ляют в кубометрах, то объем информации — в битах. Условимся
каждый положительный ответ на заданный вопрос представлять
цифрой 1, а отрицательный — цифрой 0. Тогда запись ответов об-
разует многозначную последовательность цифр, состоящую из
нулей и единиц, например 0100.
Так, если лекция состоится, вывешиваем табличку с циф-
рой 1, если не состоится — с цифрой 0. В 1 бите можно закоди-
ровать одно событие (свершилось или нет) — совершение одно-
го из двух событий: есть лекция или нет лекции. Для кодировки
двух событий потребуется одна ячейка, для кодировки четырех
событий нужны две ячейки: 00 — лекции нет; 01 — лекция есть;
10 — лабораторная работа; 11 — контрольная работа.
Когда известно, сколько будет событий, можно выбрать не-
обходимое количество ячеек для их хранения. Для восьми собы-
тий нужно три ячейки, так как 23= 8. Для 16 событий потребует-
ся четыре ячейки, так как 2416. В 1 байте, т. е. в восьми ячей-
ках, может храниться 256 событий, так как 1 байт = 8 бит.
Процесс получения двоичной информации об объектах ис-
следования называют кодированием информации. Кодирование
информации перечислением всех возможных событий очень
трудоемко, поэтому на практике кодирование осуществляется
1.2. Измерение количества информации 41
более простым способом. Он основан на том, что один разряд
последовательности двоичных цифр имеет уже вдвое больше
различных значений — 00, 01, 10, 11, чем одноразрядная после-
довательность (0 и 1). Трехразрядная последовательность имеет
еще больше значений — 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111,
чем двухразрядная, и т. д. Добавление одного разряда увеличива-
ет число значений вдвое, это позволяет составить таблицу ин-
формационной емкости чисел (табл. 1.5).
Таблица 1.5. Информационная емкость чисел
Число разрядов
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 16
2 4 8 16 32 64 Коли 128 256 чество различны 512 1024 2048 х зна1 4096 1СНИЙ 8192 16 384 32 768 65 536
Например, для того, чтобы закодировать 32 буквы русского
алфавита, достаточно взять пять разрядов, потому что пятираз-
рядная последовательность имеет 32 различных значения. Так,
буквы русского алфавита представляются восьмиразрядными по-
следовательностями следующим образом:
А- 11000001, И- 11001011, Я-11011101.
Перед тем как кодировать любую информацию, нужно дого-
вориться о том, какие коды используются, в каком порядке они
записываются, хранятся и передаются. Это называется языком
представления информации.
Персональная электронная вычислительная машина — это
прибор, который управляется с помощью электрических сигна-
лов. Поэтому любые данные должны быть некоторым универ-
сальным образом представлены в виде электрического сигнала.
Подобным свойством обладает двоичная форма целых чисел.
Символы 0 и 1 легко поставить в соответствие некоторому фик-
сированному значению напряжения в электрических схемах
ПЭВМ (рис. 1.18).
Таким образом, все данные, с которыми работают ПЭВМ,
представлены в виде двоичных чисел, а все действия с данными
сводятся к комбинации трех логических операций (табл. 1.6).
Число, представленное N битами, называется A-битным или
A-разрядным. Количество информации, соответствующее 8 би-
42
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
U “
1
Г
Рис. 1.18. Поток данных в двоичной форме
Таблица 1.6. Операции с двоичными числами
X У ИЛИ (сложение) И (умножение) НЕ х (отрицание)
0 0 0 0 1
0 1 1 0 1
1 0 1 0 0
1 1 1 1 0
там, называется байтом. Кроме того, используются группы, на-
зываемые словом. Размер слова зависит от характеристик кон-
кретной ПЭВМ, но, как правило, он равен 2 или 4 байтам.
Представление числовой информации. В ЭВМ используются
три вида чисел: с фиксированной точкой (запятой), с плаваю-
щей точкой (запятой) и двоично-десятичное представление1.
У чисел с фиксированной точкой в двоичном формате пред-
полагается строго определенное место точки (запятой). Обычно
это место определяется или перед первой значащей цифрой чис-
ла, или после последней значащей цифры числа. Если точка
фиксируется перед первой значащей цифрой, то это означает,
что число по модулю меньше единицы. Диапазон изменения
значений чисел определяется неравенством:
2“" <|Л2| <1-2".
Если точка фиксируется после последней значащей цифры,
то это означает, что «-разрядные двоичные числа являются це-
лыми. Диапазон изменения их значений составляет:
О < |Л2| <2“" -1.
1 Под точкой (запятой) подразумевается граница целой и дробной
частей числа.
1.2. Измерение количества информации
43
Знак двоичного числа фиксируется перед самым старшим из
возможных его разрядов. Положительные числа имеют нулевые
значения знакового разряда, отрицательные — единичные.
Другая форма представления чисел — представление их в
виде чисел с плавающей точкой (запятой). Числа с плавающей
точкой представляются в виде мантиссы та и порядка ра, иногда
это представление называют полулогарифмической формой чис-
ла. Например, число (Л)1О = 373 можно представить в виде
(Л)10 = (0,373 • 100), при этом т - 0,373, р - 3, основание системы
счисления подразумевается фиксированным и равным десяти.
Для двоичных чисел (Л)2 в этом представлении также формиру-
ется та и порядок ра при основании системы счисления равный
двум:
0 < |Л2| <2 " -1, что соответствует записи Ра",ах - 2r -1.
Порядок числа ри определяет положение точки (запятой)
в двоичном числе. Значение порядка лежит в диапазоне
< ра < р , где величина Ратах определяется числом разря-
дов к, отведенных для представления порядка = 2r -1. По-
ложительные и отрицательные значения порядка значительно
усложняют обработку вещественных чисел. Поэтому во многих
современных ЭВМ используют не прямое значение ра, а моди-
фицированное р'а, приведенное к интервалу 0 < р'а < 2 • Pumax.
Значение р'и носит название «характеристика числа». Обыч-
но под порядок (модифицированный порядок, характеристику)
выделяют 1 байт. Старший разряд характеристики отводится под
знак числа, а семь оставшихся разрядов обеспечивают измене-
ние порядка в диапазоне: -64 < ра < 63.
Модифицированный порядок р'а вычисляется по зависимо-
сти р'а - ра + 64. Этим самым значения р’а формируются в диа-
пазоне положительных чисел 0 < р'а <127. Мантисса числа та
представляется двоичным числом, у которого точка фиксируется
перед старшим разрядом, т. е. О < | ти\ < 1 - 2Агде к — число
разрядов, отведенных для представления мантиссы.
Если < | ma| < 1 - 2 к, то старший значащий разряд ман-
тиссы в системе счисления с основанием N отличен от нуля.
Такое число называется нормализованным. Например, (Л)2 =
= (0.10110Г)2 — нормализованное число, а (А)2= 1011.01 или
(Л)|0-11.25 и число (Л)2 - (101.0101101) — числа ненормализо-
ванные, так как старший разряд мантиссы равен нулю.
44
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Диапазон представления нормализованных чисел с плаваю-
щей точкой определяется
2“' •2ЧГ“|> < | Л2| <(1 -2’*)-2(Г-|) ,
где г и к — соответственно количество разрядов, используемых
для представления порядка и мантиссы.
Наиболее употребимая форма представления двоичных чи-
сел — двоично-десятичная. Ее появление объясняется следую-
щим. При обработке больших массивов десятичных чисел при-
ходится 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 двух—четырех десятков машинных
команд. С включением в состав ЭВМ функциональных специ-
альных блоков или процессоров десятичной арифметики появ-
ляется возможность обрабатывать десятичные числа напрямую,
без их преобразования, что сокращает время вычислений. При
этом каждая цифра десятичного числа представляется двоичной
тетрадой. Например, (Л)|0= 3759 = (0011 0111 0101 1001),. Поло-
жение десятичной точки (запятой), отделяющей целую часть от
дробной, обычно заранее фиксируется.
Представление других видов информации. Различные виды
информации могут быть разделены на две группы: статические и
динамические. Так, числовая, логическая и символьная инфор-
мация является статической — ее значение не связано со време-
нем. 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 динами-
ческой. Статическая видеоинформация включает текст, рисунки,
графики, чертежи, таблицы и др. Рисунки делятся также на пло-
ские (двухмерные) и объемные (трехмерные).
Динамическая видеоинформация — это видео-, мульт- и
слайд-фильмы. В их основе лежит последовательное экспониро-
вание на экране в масштабе реального времени отдельных кад-
ров в соответствии со сценарием. Динамическая видеоинформа-
ция используется либо для передачи движущихся изображений
1.2. Измерение количества информации
45
(анимация), либо для последовательной демонстрации отдель-
ных кадров вывода (слайд-фильмы).
Для демонстрации анимационных и слайд-фильмов применя-
ются различные принципы. Анимационные фильмы демонстри-
руются так, чтобы зрительный аппарат человека не мог зафикси-
ровать отдельных кадров. В современных высококачественных
мониторах и в телевизорах с цифровым управлением электрон-
но-лучевой трубкой кадры сменяются до 70 раз в секунду, что по-
зволяет высококачественно передавать движение объектов. При
демонстрации слайд-фильмов каждый кадр экспонируется на эк-
ране столько времени, сколько необходимо для восприятия его
человеком (обычно от 30 с до 1 мин).
По способу формирования видеоизображения бывают рас-
тровые, матричные и векторные.
Растровые изображения используются в телевидении, а в
ЭВМ практически не применяются.
Матричные изображения получили в ЭВМ наиболее широкое
распространение. Изображение на экране рисуется электронным
лучом точками. Информация представляется в виде характери-
стик значений каждой точки — пикселя, рассматриваемого как
структурная наименьшая единица изображения. Количество вы-
свечиваемых одновременно пикселей на экране монитора опре-
деляется его разрешающей способностью. В качестве характери-
стик графической информации выступают: координаты точки
(пикселя) на экране, цвет пикселя и цвет фона (градация ярко-
сти). Вся эта информация хранится в видеопамяти монитора.
При выводе графической информации на печать изображение
также воспроизводится по точкам.
Изображение может быть и в векторной форме. Тогда оно со-
ставляется 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, явля-
ется «прозрачным», может быть наложено на любой фон и т. д.
Способы представления информации в ЭВМ, кодирование и
преобразование кодов в значительной степени зависят от прин-
ципа действия устройств, в которых эта информация формиру-
ется, накапливается, обрабатывается и отображается.
Для кодирования символьной или текстовой информации
применяются различные системы: при вводе информации с кла-
46
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
виатуры кодирование происходит при нажатии клавиши, на ко-
торой изображен требуемый символ, при этом в клавиатуре вы-
рабатывается так называемый scan-код, представляющий собой
двоичное число, равное порядковому номеру клавиши.
Номер нажатой клавиши никак не связан с формой символа,
нанесенного на клавише. Опознание символа и присвоение ему
внутреннего кода ЭВМ проводятся специальной программой по
специальным таблицам: ДКОИ, КОИ-7, ASCII (Американский
стандартный код передачи информации).
Набор ASCII был разработан в США Американским нацио-
нальным институтом стандартов (ANSI), но может быть исполь-
зован и в других странах, поскольку вторая половина из 256 стан-
дартных символов, т. е. 128 символов, могут быть с помощью
специальных программ заменены на другие, в частности на сим-
волы национального алфавита, в нашем случае — буквы кирил-
лицы.
Каждому символу ASCII соответствует 8-битовый двоичный
код, например:
А - 01000001, В - 01000010, С - 01000011, D - 01000100
и т. д.
Пример 1.2. Сколько бит памяти компьютера занимает
слово «МИКРОПРОЦЕССОР»?
Решение. Слово состоит из 14 букв. Каждая буква — сим-
вол компьютерного алфавита и поэтому занимает 1 байт памяти.
Слово займет 14 байт =112 бит памяти, так как 1 байт =
= 8 бит.
Пример 1.3. Что зашифровано последовательностью деся-
тичных кодов: 108 105 110 107, если буква / в таблице кодировки
символов имеет десятичный код 105?
Решение. При последовательном кодировании алфавита
прописные и строчные буквы располагаются в таблице в алфа-
витном порядке, а цифры упорядочены по возрастанию значе-
ний. Вспомним порядок букв в латинском алфавите. Буква j бу-
дет иметь код 106, к — код 107 и т. д. Следовательно, закодиро-
вано слово link.
Пример 1.4. С помощью последовательности десятичных
кодов: 225 232 242 зашифровано слово «бит». Найти последова-
1.2. Измерение количества информации
47
тельность десятичных кодов этого же слова, записанного про-
писными буквами.
Решение. Учтем, что разница между десятичным кодом
строчной буквы кириллицы и десятичным кодом соответствую-
щей прописной буквы равна 32. Если букве «б» соответствует код
225, то прописная буква «Б» имеет десятичный код 225 - 32 =
- 193. Следовательно, слову «БИТ» соответствует последователь-
ность кодов: 193 200 210.
Если пользователь создает текстовый файл и записывает его
на диск, то каждый введенный человеком символ хранится в па-
мяти компьютера в виде набора из восьми нулей и единиц. При
выводе этого текста на экран или на бумагу специальные схе-
мы — знакогенераторы видеоадаптера (устройства, управляюще-
го работой монитора) или принтера образуют в соответствии с
этими кодами изображения соответствующих символов.
Высвечивание символа на экране монитора IBM PC осуще-
ствляется с помощью точек, образующих символьную матрицу.
Каждый пиксель в такой матрице — элемент изображения и мо-
жет быть ярким или темным. Темная точка кодируется циф-
рой 0, светлая (яркая) — 1. Если изображать в матричном поле
знака темные пиксели точкой, а светлые — звездочкой, то мож-
но графически изобразить форму символа.
Кодирование аудиоинформации — процесс более сложный.
Аудиоинформация является аналоговой. Для преобразования ее в
цифровую форму используют аппаратурные средства: анало-
го-цифровые преобразователи (АЦП), в результате работы кото-
рых аналоговый сигнал оцифровывается — представляется в виде
числовой последовательности. Для вывода оцифрованного звука
на аудиоустройства необходимо проводить обратное преобразо-
вание, которое осуществляется с помощью цифро-аналоговых
преобразователей (ЦАП).
Любая информация (числа, команды, записи и т. п.) пред-
ставляется в ПЭВМ в виде двоичных кодов фиксированной или
переменной длины.
Бит в теории информации — количество информации, необ-
ходимой для различения двух равновероятных сообщений. На
практике чаще применяется более крупная единица — байт, по-
зволяющая закодировать любой из 256 символов алфавита кла-
виатуры компьютера (256 - 2s).
48
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Для записи чисел также используют 32-разрядный формат
(машинное слово), 16-разрядный формат (полуслово) и 64-раз-
рядный формат (двойное слово).
Ниже приведены производные единицы, которые входят в
употребление в последнее время в связи с увеличением объемов
обрабатываемой информации.
1 бит (минимальная единица информации)
1 байт (1 байт — один символ)
1 Килобайт (Кб, КЬ, К) (одна страница
машинописного текста = 2 Кб)
1 Мегабайт (Мб, Mb, М) (соответствует
примерно 500 страницам текста)
1 Гигабайт (Гб, Gb, Г) (соответствует при-
мерно двум комплектам энциклопедии)
1 Терабайт (Тб, Tb, Т) (соответствует
примерно 2000 комплектам энциклопедии)
1 Петабайт
1 Эксабайт
1 бит — 0 или 1
8 бит
210 байт = 1024 байт
210 Кбайт = 1024 Кбайт = 22() байт
210 Мбайт = 1024 Мбайт = 230 байт
210 Гбайт = 1024 Гбайт = 240 байт
210 Тбайт = 1024 Тбайт = 250 байт
210 Пбайт = 1024 Пбайт = 260 байт
Пример 1.5. Книга содержит 100 страниц, на каждой стра-
нице — 35 строк, в каждой строке — 50 символов. Рассчитаем
объем информации, содержащейся в книге.
Страница содержит 1750 байт (35 • 50) информации. Объем
всей информации в книге (в разных единицах):
1750 - 100= 175 000 байт;
175 000/1024 = 170,8984 Кбайт;
170,8984/1024 = 0,166893 Мбайт.
Пр и мер 1.6. Осуществить преобразование:
1 984 546 281 байт = 1 Гбайт 984 Мбайта 546 байт 281 байт.
Примечание. В информатике смысл приставок кило-, мега- и других в обще-
принятом смысле выполняется не точно, а приближенно, поскольку соответству-
ет увеличению не в 1000, а в 1024 раза.
Скорость передачи информации по линиям связи измеряется
в бодах: I бод = I бит/с.
1.2. Измерение количества информации
49
В частности, если говорят, что пропускная способность ка-
кого-то устройства составляет 28 Кбод, то это значит, что с его
помощью можно передать по линии связи около 28 тыс. нулей и
единиц за 1 секунду.
1.2.2. Цифровое представление изображений
Под изображением будем понимать прямоугольную область,
закрашенную непрерывно изменяющимся цветом. Поэтому для
представления изображений в целых числах необходимо отдель-
но дискретизировать прямоугольную область и цвет. Для того
чтобы описать область, ее разбивают на множество точечных
элементов — пикселей (pixel). Само множество называется рас-
тром (рис. 1.19), а изображения, которые формируются на осно-
ве растра, называются растровыми.
Горизонтальное разрешение
1 Г
Y
Рис. 1.19. Дискретизация области изображения
Число пикселей называется разрешением. Часто встречают-
ся значения 640 х 480, 800 х 600, 1024 х 768, 1280 х 1024. Каж-
дый пиксель нумеруется, начиная с нуля слева направо и свер-
ху вниз.
Для представления цвета используются цветовые модели.
Цветовая модель — это правило, по которому может быть вычис-
лен цвет. Самая простая цветовая модель — битовая. В ней для
описания цвета каждого пикселя (черного или белого) применя-
ется всего 1 бит. Для представления цветных изображений ис-
пользуются более сложные модели. Известно, что любой цвет
может быть представлен как сумма трех основных цветов: крас-
ного, зеленого и синего. Если интенсивность каждого цвета
представить числом, то любой цвет будет выражаться через набор
50
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
из трех чисел. Таким образом определяется наиболее известная
цветовая RGB-модель. На каждое число отводится 1 байт. Так
можно представить 224 цвета, т. е. примерно 16,7 млн цветов. Бе-
лый цвет в этой модели представляется как (1, 1, 1), черный —
(О, 0, 0), красный (1,0, 0), синий (0, 0, 1). Желтый цвет — комби-
нация красного и зеленого и потому представляется как (1, 1,0).
Пр и мер 1.7. Пусть имеется изображение вида (рис. 1.20).
5 пикселей
16 пикселей
Рис. 1.20. Исходное черно-белое изображение
Будем считать, что белый цвет представляется нулем, а чер-
ный — единицей, тогда в однобитовой модели такое изображе-
ние имеет вид:
0000000000000000
0000000000000000
0000111110000000
0000100010000000
0000100010000000
000011I110000000
0000000000000000
0000000000000000
В шестнадцатеричном коде этот двоичный набор будет вы-
глядеть так:
00 00 00 00 0F 80 08 80 08 80 OF 80 00 00 00 00
Всего для хранения такого изображения потребуется 16 байт.
Данное изображение легко преобразовать в RGB-модель, заме-
1.2. Измерение количества информации
51
нив в последовательности все нули тройками (1,1,1), а все еди-
ницы — тройками (0,0,0). Тогда получим следующее шестнадца-
теричное представление изображения:
FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF F0 00 IF FF FF
FF Fl FF IF FF FF FF Fl FF IF FF FF FF F0 00 IF FF FF
FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF
Для хранения такого изображения потребуется 48 байт.
1.2.3. Цифровое представление звука
Звук можно описать в виде совокупности синусоидальных
волн определенных частоты и амплитуды. Частота волны опре-
деляет высоту звукового тона, амплитуда — громкость звука.
Частота измеряется в герцах (Гц). Диапазон слышимости для че-
ловека составляет от 20 до 17 000 Гц (или 17 кГц).
Задача цифрового представления звука, таким образом, сво-
дится к задаче описания синусоидальной кривой (рис. 1.21). Ка-
ждой дискретной выборке присваивается целое число — значе-
ние амплитуды.
Количество выборок в секунду называется частотой выборки.
Таким образом, звуковая волна представляется в виде ступенча-
той кривой. Ширина ступеньки тем меньше, чем больше частота
выборки, а высота ступеньки тем меньше, чем больше точность
выборки.
52
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Пример 1.8. Возможности наиболее распространенной со-
временной аппаратуры предусматривают работу с частотой вы-
борки до 44,1 кГц, что позволяет правильно описывать звук час-
тотой до 22,05 кГц. Точность выборки имеет всего два значения:
8 и 16 бит, т. е. для представления амплитуды 8-битного звука
используется 28 = 256 уровней амплитуды.
1.2.4. Сжатие данных
Внутреннее представление данных характеризуется избыточ-
ностью. Например, при кодировании символов русского алфа-
вита можно учесть частоту, с которой эти символы встречаются
в предложениях русского языка. Тогда для цифрового представ-
ления текста потребуется меньшее количество информации.
Объем данных имеет большое значение не только для хранения,
но и непосредственно влияет на скорость передачи данных по
каналам вычислительных сетей. Поэтому были разработаны
специальные методы (алгоритмы сжатия данных), с помощью
которых можно существенно уменьшить объем данных. Сущест-
вуют как универсальные алгоритмы, которые рассматривают
данные как простую последовательность битов, так и специали-
зированные, которые предназначены для сжатия данных опре-
деленного типа (изображений, текста, звука и видео). Эффек-
тивность сжатия характеризуется коэффициентом сжатия, кото-
рый определяется как отношение размера исходных данных к
размеру сжатых. В некоторых случаях этот коэффициент дости-
гает значения 10.
Пример 1.9. Рассмотрим принцип сжатия простейшего
универсального RLE-метода. Для этого воспользуемся представ-
лением изображения, полученного в примере 1.7.
Особенность данного представления заключается в том, что
в нем содержатся длинные последовательности идущих подряд
нулей или единиц. В RLE-методе предлагается ставить сначала
значение числа повторений, а затем повторяющегося числа. То-
гда сжатое закодированное изображение получит вид:
С4 00 0F 80 08 80 08 80 OF 80 С4 00
Здесь символ С используется как признак последовательности
одинаковых символов, т. е. С4 означает, что далее идет последо-
1.2. Измерение количества информации
53
вательность из четырех символов. Размер хранимого изображения
уменьшился с 16 до 12 байт. Коэффициент сжатия равен 1,33. Эф-
фективность сжатия будет зависеть от размера и содержания изо-
бражения. Если то же самое изображение преобразовать в цвето-
вую RGB-модель, то в сжатой форме оно получит вид:
CD FF FO 00 IF C3 FF Fl FF IF C3 FF Fl FF IF C3 FF F0 00 IF CE FF
При этом вместо 48 байт сжатое изображение занимает
22 байта, а коэффициент сжатия равен 2,18.
Алгоритмы сжатия широко применяются для более компакт-
ного хранения изображений. Для этого было разработано боль-
шое число графических форматов растровых изображений. Наи-
более популярными являются графические форматы: BMP (Bit
МаР), PCX (PCExchange), GIF (Graphics Interchange Format),
TIFF (Tagged Image File Format), JPEG (Joint Photographic Experts
Group), которые, по существу, различаются между собой ис-
пользуемыми методами сжатия. Форматы BMP и PCX использу-
ют RLE-алгоритм, форматы GIF и TIFF — LZW-алгоритм,
JPEG применяет алгоритм сжатия.
Звук и видео также требуют для своего цифрового представ-
ления очень большой объем памяти, поэтому без алгоритмов
сжатия работа с видео и звуковыми данными была бы невозмож-
ной. Фактическим стандартом для представления звука стал фор-
мат MP3, а для представления видеоданных — формат MPEG.
На практике довольно часто случается, что код, удобный и
экономичный, может исказить сообщение из-за помех, которые
всегда, к сожалению, бывают в каналах связи: искажения звука в
телефоне, атмосферные помехи в радио, искажение или затем-
нение изображения в телевидении, ошибки при передаче в теле-
графе. Эти помехи, или шумы, обрушиваются на информацию,
поэтому для повышения надежности в передаче и обработке ин-
формации приходится вводить лишние символы — своеобраз-
ную защиту от искажений. Эти лишние символы не несут дейст-
вительного содержания в сообщении, они избыточны.
С точки зрения теории информации все то, что делает язык
красочным, гибким, богатым оттенками, многоплановым, мно-
гозначным — избыточность. Как избыточно с таких позиций
письмо Татьяны к Онегину! Сколько в нем информационных
излишеств для краткого и понятного сообщения «Я вас люблю!»
54
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
И как информационно точны рисованные обозначения, понят-
ные каждому, кто входит сегодня в метро, где вместо слов и
фраз объявлений висят лаконичные символьные знаки, указы-
вающие «Вход» или «Выход».
Уместно вспомнить рассказ о шляпочнике, пригласившем
своих друзей для обсуждения проекта вывески. Предполагалось
нарисовать на вывеске шляпу и написать: «Джон Томпсон, шля-
почник, делает и продает шляпы за наличные деньги». Один из
друзей заметил, что слова «за наличные деньги» являются из-
лишними — такое напоминание будет оскорбительным для по-
купателя. Другой нашел также лишним слово «продает», так как
само собой понятно, что шляпочник продает шляпы, а не раз-
дает их даром. Третьему показалось, что слова «шляпочник» и
«делает шляпы» представляют собой ненужную тавтологию.
Четвертый предложил выкинуть и слово «шляпочник» — нари-
сованная шляпа ясно говорит, кто такой Джон Томпсон. Нако-
нец, пятый уверял, что для покупателя совершенно безразлич-
но, будет ли шляпочник называться Джоном Томпсоном или
иначе, и предложил обойтись без этого указания. Таким обра-
зом, в конце концов на вывеске не осталось ничего, кроме ри-
сунка шляпы.
Конечно, если бы люди пользовались только такого рода ко-
дами, без избыточности в сообщениях, то все «информационные
формы» — книги, доклады, статьи — были бы предельно кратки-
ми. Но проиграли бы в доходчивости и красоте.
Проблема архивации данных особенно понятна тем пользо-
вателям, которые полностью или частично теряли результаты
своей кропотливой работы из-за сбоя программы, внезапного
отключения сети или по другой причине. Поэтому резервное ко-
пирование данных относится к числу важнейших операций для
пользователей персональных компьютеров.
Сохранение данных имеет несколько способов реализации —
от автоматизированных систем резервирования данных в сете-
вых системах до стандартных средств резервного копирования
данных. Самая простая и распространенная система предупреж-
дения от потери данных — это архив, созданный пользователем
на базе имеющихся у него магнитных дисков и простых про-
грамм упаковки или резервного копирования. Проблема хране-
ния документов в архивах особенно актуальна, если последствия
потери данных серьезны и испорченные документы восстанов-
лению не подлежат.
1.2. Измерение количества информации
55
В персональных компьютерах имеются две основные воз-
можности сохранения данных:
• система резервного копирования, суть которой заключается в
том, что выбранные пользователем данные периодически
копируются на жестком диске. Пользователь может приме-
нять специализированное программное обеспечение, по-
зволяющее в определенное время выполнять резервное ко-
пирование на диске тех папок и файлов, в которые перио-
дически вносятся изменения;
• архивация данных — самый простой способ сохранения дан-
ных. Он не имеет периодичности копирования на носитель
и позволяет сохранять не промежуточные копии, а конеч-
ные результаты работы. Архивация не спасает от сбоев сети,
программ и оборудования, поэтому должна сопровождаться
мерами, предпринимаемыми для промежуточного сохране-
ния информации.
Для резервирования и архивации данных применяется сжа-
тие данных, которое представляет собой уменьшение размеров
файла без значительных информационных потерь. Технология
сжатия данных используется при работе с файлами больших
размеров, поскольку программы-упаковшики позволяют умень-
шить объем исходного документа в 2—10 раз. Коэффициент
сжатия, или степень компрессии, представляет собой отноше-
ние размеров исходных и сжатых данных. Степень сжатия дан-
ных зависит от типа файлов. Например, текстовые файлы сжи-
маются в 2—3 раза. Файлы для черно-белых изображений фор-
мата PCX и BMP могут быть сжаты в 5—10 раз. Выполняемые
файлы EXE сжимаются очень плохо. Упакованные графические
файлы не сжимаются.
Технология сжатия данных решает также задачу восстановле-
ния сжатых файлов в исходном виде без значительных информа-
ционных потерь.
Программы-упаковщики, или архиваторы, — это служебные
программы, позволяющие создавать на дисках копии файлов
меньшего размера, объединять несколько файлов в один, а так-
же распаковывать сжатые файлы в документы исходного размера
без потери исходной информации.
Архивный файл представляет собой набор из одного или не-
скольких файлов, помещенных в сжатом виде в единый файл.
Архиваторы помещают копии файлов в сжатом виде в архивный
56
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
файл на диске. Архив содержит оглавление, в котором для каж-
дого файла хранится следующая информация:
• имя файла;
• сведения о местонахождении файла на диске;
• дата и время последней модификации файла;
• размер файла на диске и в архиве;
• коэффициент сжатия.
Наиболее распространенные архиваторы ARJ, WinZIP.
WinRaR, WinARJ, LHA, PKPAK, РАК имеют приблизительно оди-
наковые возможности. Утилита WinARJ имеет больше команд,
чем архиваторы WinZIP-семейства. Архиватор WinRaR имеет
наименьшее число функциональных элементов и возможностей
управления по сравнению с WinZIP и WinARJ. Вместе с тем архи-
ватор WinRaR, выполняя работу медленно, превышает в три-че-
тыре раза степень сжатия WinZIP-упаковщика, который считает-
ся одним из самых быстродействующих.
Рабочие окна архиваторов имеют очень существенные отли-
чия, однако назначение большинства кнопок, опций меню и ко-
манд совпадает. Программы-упаковщики обычно допускают
просмотр архивов других типов, но записывать в них файлы не
могут.
Большое количество утилит-архиваторов имеют встроенные
средства для создания так называемых самораспаковывающихся
архивов. Самораспаковывающийся архив имеет расширение ис-
полняемого файла .ехе, несколько больший размер, чем файл
без самораспаковки. Увеличенный объем самораспаковывающе-
гося файла объясняется тем, что в нем содержатся дополнитель-
ные программные средства, позволяющие извлекать файлы из
архива и распаковывать их.
Имена архивных файлов программ ARJ и WinZIP имеют сле-
дующие расширения: .zip — для архивных файлов программ
WinZIP, .arj — для архивных файлов программ ARJ.
1.2.5. Мера уменьшения неопределенности знания
Информационные процессы — это процессы, связанные с по-
лучением, хранением, обработкой и передачей информации.
В информатике рассматриваются информационные процессы,
поэтому важен вопрос об определении количества информации.
1.2. Измерение количества информации
57
Количественно измерить информацию позволит подход к ин-
формации как к мере уменьшения неопределенности знания.
В окружающем мире существует множество явлений, кото-
рые каждый раз происходят несколько по-иному, приводят к не-
ожиданному результату. Эти явления называют случайными.
Случай играет не последнюю роль в жизни человека. Не зря из-
давна существует понятие «Его Величество Случай».
Случайный эксперимент или опыт — это процесс, при кото-
ром возможны различные исходы, так что заранее нельзя пред-
сказать, каков будет результат. Опыт характеризуется тем, что
его, в принципе, можно повторить сколько угодно раз. Особое
значение имеет множество возможных, взаимно исключающих
друг друга исходов опыта (элементарных событий).
Если опыт подразделяется только на конечное число элемен-
тарных событий, которые являются к тому же равновероятными,
то речь идет о классическом случае. Примеры таких опытов —
бросание монеты, игральной кости. Для подобных опытов еще
Лаплас разработал теорию вероятностей (вероятность собы-
тия Р(Л) — это отношение числа элементарных событий благо-
приятных для А к числу всех возможных элементарных событий).
Пусть имеется шестигранный кубик, который будем бросать
на ровную поверхность. С равной вероятностью произойдет
одно из шести возможных событий — кубик окажется в одном
из шести положений: выпадет одна из шести граней. Можно го-
ворить о равновероятных событиях, если при возрастающем ко-
личестве экспериментов число выпадений каждой из граней по-
степенно будет выравниваться. Перед самим броском возможны
шесть событий, т. е. существует неопределенность нашего зна-
ния, мы не можем предсказать, сколько очков выпадет. После
того как событие произошло, наступает полная определенность,
так как мы получаем зрительное сообщение, что кубик в данный
момент находится в определенном состоянии. Неопределенность
нашего знания уменьшилась, одно из шести равновероятных со-
бытий произошло.
Начальная неопределенность нашего знания зависит от на-
чального числа возможных равновероятных событий. Чем оно
больше, тем большее количество информации будет содержать
сообщение о результатах опыта.
За единицу количества информации принято такое количе-
ство информации, которое содержит сообщение, уменьшающее
неопределенность знания в два раза.
58
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Пример 1.10. На примере игры «Угадай число» рассмотрим
уменьшение неопределенности. Первый участник загадывает це-
лое число (например. 30) из заданного интервала (например, от
1 до 32), цель второго — «угадать» число первого участника. Для
второго игрока начальная неопределенность знания составляет
32 возможных события. Чтобы найти число, необходимо полу-
чить определенное количество информации. Первый участник
может отвечать только «да» или «нет». Второй должен выбрать
следующую стратегию: последовательно, на каждом шаге умень-
шать неопределенность знания в два раза. Для этого он должен
делить числовой интервал пополам, задавая вопросы (табл. 1.7).
Таблица 1.7. Рабочая таблица
Вопрос второго уча- стника Ответ первого участника Количество возможных событий (неопределен- ность знания), 32 Полученное ко- личество инфор- мации, бит
Число больше 16? Да 16 1
Число больше 24? Да 8 1
Число больше 28? Да 4 1
Число больше 30? Нет 2 1
Это число 30? Да 1 1
Для того чтобы угадать число из интервала от 1 до 32, потре-
бовалось пять вопросов. Количество информации, необходимое
для определения одного из 32 чисел, составило 5 бит.
В 1948 г. американский математик К. Шеннон предложил
формулу для вычисления количества информации для событий с
различными вероятностями.
Если I — количество информации; к — количество возмож-
ных событий; р, — вероятности отдельных событий, то количест-
во информации для событий с различными вероятностями мож-
но определить по формуле
к
*°S2 А,
/=1
где I принимает значения от 1 до к.
Как частный случай формулы Шеннона можно рассматри-
вать формулу Хартли:
1= log2Af= log2( I/д) = - log2p или К= 2',
1.2. Измерение количества информации
59
где каждое из А'событий имеет равновероятный исход р= \/К.
Формулу Хартли применяют для случая, когда все состоя-
ния, в которых может находиться объект, равновероятны.
Пример 1.11. Определить количество информации, полу-
чаемое при реализации события, когда бросают несимметрич-
ную четырехгранную пирамидку.
Пусть вероятность отдельных событий будет такова:
Л = 1/2; />2=1/4; Л=1/8; р4= 1/8.
Тогда количество информации, получаемой после реализа-
ции одного из этих событий, рассчитывается по формуле Шен-
нона:
/=-(l/21og2l/2+ l/41og2l/4 + l/81og2l/8 + l/81og2l/8) =
= 1/2 + 2/4 + 3/8 + 3/8 = 14/8 = 1,75 бит.
Пример 1.12. В корзине лежат 16 шаров, все разного цвета.
Сколько информации несет сообщение о том, что из корзины
достали белый шар?
Сообщение содержит по формуле Хартли / = log216 = 4 бита
информации.
Пример 1.13. Определить стратегию угадывания одной
карты из колоды, состоящей из 32 игральных карт (все четыре
шестерки отсутствуют), если на вопросы будут даны ответы «да»
или «нет» (табл. 1.8).
Таблица 1.8. Рабочая таблица
Вопрос второго игрока Ответ пер- вого игрока Количество возможных событий, 32 Полученное количество ин- формации, бит
Задумана карта красной масти? Нет 16 1
Задумана карта крестовой масти? Да 8 1
Задумана карта-картинка? Да 4 1
Задумана дама или туз крестовой масти? Нет 2 1
Задуман валет крестовой масти? Нет 1 1
Ответ. Был задуман король крестовой масти.
60
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Пример 1.14. При угадывании целого числа в диапазоне
от 1 до К было получено 7 бит информации. Чему равно А?
По формуле Хартли 1= log2 К или К =2'. К=2‘ = 27 = 128.
Пример 1.15. Пусть имеются два объекта А и Б. С каждого
из них в определенные моменты времени диспетчеру передается
одно из двух сообщений: включен или выключен объект. Дис-
петчеру известны типы сообщений, но неизвестно, когда и какое
сообщение поступит. Определить среднее количество информа-
ции, которое получает диспетчер с указанных объектов.
Решение. Пусть объект А работает почти без перерыва,
т. е. вероятность того, что он включен, очень велика (например,
р_А_вкл = 0,99 и р_А_выкл = 0,01, а объект Б работает иначе и
для него р_Б_вкл - р Б выкл - 0,5). Тогда, если диспетчер полу-
чает сообщение том, что объект А включен, он получает очень
мало информации. С объектом Б дела обстоят иначе.
Подсчитаем среднее количество информации для указанных
объектов, которое получает диспетчер.
Объект А: 1= -(0,99 log2(0,99) + 0,01 log2(0,01)) = 0,0808.
Объект Б: / = -(0,50 • log2(0,50) + 0,50 • log2(0,50)) = 1.
Итак, каждое сообщение объекта Б несет 1 бит информации.
Пример 1.16. Пусть объект может находиться в одном из
восьми равновероятных состояний. Тогда количество информа-
ции, поступающей в сообщении о том, в каком именно состоя-
нии он находится, будет равно
1= log2(8) - 3 бита.
Пример 1.17. Пусть текст строится на основе 64 символов.
Допустим, что частота появления каждого из них одинакова,
т. е. все символы равновероятны.
Какое количество информации содержит один символ в сло-
ве или тексте?
Тогда количество информации в одном символе будет равно
I - log2(64) - 6 бит.
Из двух символов данного алфавита может быть образовано
п = 64 64 = 4096 различных сочетаний.
Следовательно, два символа несут /-log2(4096) - 12 бит ин-
формации.
1.3. Элементы математической логики
61
Пример 1.18. Оценим количество информации, содержа-
щейся в числах.
Если предположить, что цифры 0, 1, ..., 9 используются
одинаково часто (равновероятны), то одна цифра содержит
/= log2( 10) = 3,32 бита; четырехзначное число из диапазона
[0..9999], если все его значения равновероятны, содер-
жит I-log2( 10 000) - 13,28 бита; восьмиразрядное число I-
= log2(100 ООО 000) = 26,56 бита.
1.3. Элементы математической логики
В древности мыслители пытались давать рецепты правиль-
ных умозаключений, которые от истинных посылок приводят
только к истинным выводам. Таких мыслителей называли логи-
ками. Наука установила общие методы правильных умозаключе-
ний, называемых формальной логикой.
Термин «логика» происходит от древнегреческого слова logos,
означающего «слово, мысль, понятие, рассуждение, закон».
Понятие — это форма мышления, в которой отражены суще-
ственные (отличительные) свойства объектов.
Суждение — это форма мышления, отражающая связь поня-
тий друг с другом.
Умозаключение — это процесс получения нового сужде-
ния-вывода из одного или нескольких данных суждений.
Высказывание — это любое предложение какого-либо языка
(утверждение), содержание которого можно определить как ис-
тинное или ложное.
Предикат — высказывание, содержащее одну или несколько
неизвестных.
Всякое высказывание или истинно, или ложно; быть одно-
временно и тем и другим оно не может. Формулировка любой
теоремы — высказывание. Высказывания могут выражаться с по-
мощью математических, физических, химических и прочих зна-
ков. Из двух числовых выражений можно составить высказыва-
ния, соединив их знаками равенства или неравенства. Сами чи-
словые выражения высказываниями не являются. Равенства или
62
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
неравенства, содержащие переменные, также не являются выска-
зываниями.
Например, предложение Х< 12 становится высказыванием
при замене переменной каким-либо конкретным значением. Та-
кие предложения называют высказывательными формами.
Примерами высказываний могут служить.
1. {Число 2 является делителем числа 7} (ложное высказы-
вание).
2. {3 + 5 = 2 • 4} (ложное высказывание).
3. {2 + 6 > 10} (ложное высказывание).
4. {11 + VI > VIII} (ложное высказывание).
5. {Сумма чисел 2 и 6 больше числа 8} (ложное высказы-
вание).
6. {Two plus six is eight} (истинное высказывание).
7. {Студент Xлучший по информатике} (предикат).
Высказывание называется простым {элементарным), если ни-
какая его часть сама не является высказыванием, в противном
случае высказывание называется сложным.
В алгебре логики, как и в обычной алгебре, вводится ряд
операций.
1.3.1- Логические операции
В алгебре логики рассматриваются переменные, которые мо-
гут принимать только два значения: 0 и 1. Переменные будем
обозначать латинскими буквами х, у, z, , т, а также х0, xt,..., хп,
Уо> У\>-> Уп и т- Д-
Отношение эквивалентности (равенства) удовлетворяет сле-
дующим свойствам:
• рефлексивность: х - х;
• симметричность: если х = у, то у = х;
• транзитивность: х - у и у - z, то х - z, отсюда следует прин-
цип, если х- у, то в любой формуле, содержащей х, вместо
х можно подставить у, и в результате будет получена экви-
валентная формула.
Пусть л,, х2 и х3 — переменные булева типа (логические пе-
ременные), способные принимать лишь два значения {True
1.3. Элементы математической логики
63
и False), которые для удобства мы будем обозначать соответст-
венно I и 0.
К логическим переменным применяют ряд простейших ло-
гических функций, значения которых определяются по следую-
щим правилам (табл. 1.9).
Таблица 1.9. Рабочая таблица
*1 *2 Х| Л Х1 Х1 V Х2 Xi —> Х2 Xj © Х2 Х1 -х2 *1
0 0 0 0 1 0 1 1
1 0 0 1 0 1 0 0
0 1 0 1 1 1 0 —
1 1 I 1 1 0 1 —
Функции имеют следующие названия и обозначения:
• конъюнкция (логическое умножение) — л (И);
• дизъюнкция (логическое сложение) — v (ИЛИ);
• импликация----->;
• сумма по модулю 2 — Ф;
• функция эквивалентности —
• отрицание (логическое отрицание)----, (НЕ).
Справедливы следующие соотношения эквивалентности меж-
ду простейшими функциями:
Xi ->х2 =Xi v х2;
х, Ф х2 = (х, л х2) v (х, л х2);
х1 ~ х2 = (х, л х2) v (х, л х2).
1. Конъюнкция. А /\ В или А В (логическое умножение, чи-
тается как союз «и»).
Таблица 1.10. Таблица истинности для конъюнкции
64
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
2. Дизъюнкция. A v В или А + В (логическое сложение, чита-
ется как союз «или»).
Таблица 1. И. Таблица истинности для дизъюнкции
А 0 В Л V В 0 0
0 1 1
1 1 0 1 1 1
—
3. Отрицание. А или (-Л). Иногда отрицание называют
функцией Вебба или функцией Даггера.
Таблица /. 12. Таблица истинности для отрицания
А А
0 1 1 0
4. Импликация. А -> В (если А, то В), или логическое следо-
вание.
Таблица 1.13. Таблица истинности для импликации
А В А^> В
0 0 1
0 1 1
1 0 0
1 1 1
5. Эквиваленция, или тождественность. А <-> В (А ~ В) (читает-
ся: А тогда и только тогда, когда В).
Таблица 1.14. Таблица истинности для эквиваленции
А В А++ В
0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1
1.3. Элементы математической логики
65
6. Штрих Шеффера. А \ В = А л В (антиконъюнкция) (читает-
ся: неверно, что А и В). _____
7. Стрелка Пирса. А 1 В или А Ф В - A v В (антидизъюнкция)
(читается: А стрелка Пирса В).
Аксиомы алгебры логики
х =0, еслих*1;
х = 1, еслих^О,
0 + 0=0:
1-1=1.
J1 +1 =1;
|0 -0 = 0,
0 + 1 =1 + 0 = 1;
J 0=0 1 =0,
J0 =1;
|Т =0,
0+ 1 =1 +0 = 1;
10 = 01=0.
к
Формулой языка алгебры логики называется выражение, со-
ставленное из высказывательных (или пропозициональных) пе-
ременных, логических операций и скобок. Формулы наглядно
описывают построение составных высказываний.
Иногда вводят в рассмотрение и понятие «подформула».
Если F — формула, а Р — какая-либо ее связная часть, кото-
рая сама является формулой, то Р называется подформулой фор-
мулы F. Понятие «подформула» не следует путать с понятием
«связная часть формулы». Связная часть формулы — это часть
формулы, которая выписана из нсс без пропусков.
Например, в формуле
(ЛЛ)^((УТС) В)
есть следующие подформулы: А, В, В + С, (В + С)В. Никаких
других подформул данная формула не имеет. Выражение
(АВ) —> — часть формулы, но подформулой не является. АВ -> В
также не является подформулой, поскольку не является ее связ-
ной частью. Главной подформулой формулы F называется такая
ее подформула, которая не является частью никакой другой под-
формулы формулы F.
Например, формула
(А + В) -+ (CD)
имеет две главные подформулы: (А + В) и CD.
Запись формулы часто можно упростить, используя следую-
щие правила:
• внешние скобки опустить; _
• если подформула имеет вид (Я), то скобки можно опустить.
Таким образом, правила опускания скобок аналогичны со-
ответствующим правилам опускания скобок в арифметике,
66
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
нужно лишь учитывать приоритет выполнения логических
операций: отрицание, конъюнкция, дизъюнкция, имплика-
ция и эквиваленция.
Пример 1.19. Опустите лишние скобки в выражении
((Л + (ВС)) -> ((ДД) + С)) = ((А + ВС) -> (АВ + С)) =
- А + ВС -> АВ + С.
Пример 1.20. Восстановите опущенные скобки в формуле
(А + BD -> В) + (В + С -> D) -
= (((Л + (BD)) В) + ((В + С) -> D)).
Для каждой формулы может быть построена соответствую-
щая таблица истинности. Пусть задана формула АВ -> Д. Снача-
ла составим таблицу всевозможных значений переменных А, В
(оценок переменных), от которых зависит данная формула. Про-
ведем анализ строения этой формулы: вначале выпишем саму
формулу, затем ее главные подформулы, после чего под каждой
подформулой выпишем главные подформулы и т. д.
Если поэтапно строить таблицу истинности для всех формул,
то в результате получим таблицу истинности для исходной фор-
мулы (табл. 1.15).
Таблица 1.15. Таблица истинности
Оценка А в в АВ АВ АВ -> А
771[ 0 0 1 0 1 0
0 1 0 0 1 0
7713 1 0 1 1 0 1
771^ 1 1 0 0 1 1
Из полученной таблицы видно, что истинные значения фор-
мулы АВ —> А совпадают со значением А, либо одновременно
ложны, либо одновременно истинны. Такие формулы называют-
ся равносильными. Для обозначения равносильности пользуют-
ся обычно знаком равенства, т. е. АВ А- А.
1.3. Элементы математической логики
1.3.2. Законы математической логики
В алгебре логики выполняются следующие основные законы
(табл. 1.16), позволяющие проводить тождественные преобразо-
вания логических выражений.
Таблица 7.16. Основные законы алгебры логики
Закон Переместительный Для дизъюнкции х v у = у V X Для конъюнкции X • у = у • X
Сочетательный X v (у v Z) = (х v у) v Z X (у - z) = (х • у) Z
Распределительный X-(yvz) = X- yvX-Z X v(y- г) = (х vy)-(x V z)
Правила де Моргана х v у = у х х • у = у V X
Идемпотенции X V X = X X • X = X
Поглощения X V (х у) = X X • (х V у) = X
Склеивания (х у) V (х • у) = у (х V у) • (X V у) = у
Операция перемен- ной с ее инверсией X V X = 1 х • х = 0
Операция с констан- тами х v 0 = х; х v 1 =1 х • 1 = х; х • 0 = 0
Двойного отрицания X = = X
Примечание. Если левая и правая части одновременно, т. е. при одинаковых
наборах значений входящих в них переменных, принимают одинаковые значе-
ния, то закон доказан.
На основании аксиом алгебры логики можно вывести ряд за-
конов.
.V Х + У =у + 1]
1. Коммутативные законы
х-у = у х j
, . (х + у)+ z = х + (у + г)
2. Ассоциативные законы
(х-у)-г =х (у -г)
_ гг г * О' + ^) = X-y + X-Z I
3. Дистрибутивные законы >.
x + y-z =(х + у)-(х + z)\
68
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
л „ х у+ху=х 1 х + х-у=х + у
4. Операции склеивания _ к
(х + у)(х + у) = xj х(х + у) = ху
Большинство теорем, а также аксиом записаны парами. При
внимательном изучении пар можно вывести принцип двойствен-
ности — если в тождестве произвести взаимные замены опера-
ций дизъюнкции и конъюнкции, либо элементов 0 и 1, то полу-
чим тождество. Такое свойство называется принципом двойствен-
ности.
Пример 1.21. В нарушении правил обмена валюты подоз-
реваются четыре работника банка А, В, С и D. Известно, что
1) если А нарушил, то и В нарушил правила обмена валюты;
2) если В нарушил, то и С нарушил или А не нарушал;
3) если D не нарушил, то А нарушил, а С не нарушал;
4) если D нарушил, то и А нарушил.
Кто из подозреваемых нарушил правила обмена валюты?
Указание 1. Нужно всегда вводить минимальное количе-
ство простых высказываний. Пусть высказывание С означает
«солнечная погода», тогда противоположное высказывание «пас-
мурная погода» надо обозначать через С.
Указание 2. Если количество переменных (простых
высказываний) больше трех, то решение с помощью таблицы
истинности приводит, как правило, к большему объему вы-
числений.
Введем следующие простые высказывания:
А — «А нарушил правила обмена валюты»;
В — «В нарушил правила обмена валюты»;
С — «С нарушил правила обмена валюты»;
D — «D нарушил правила обмена валюты».
Запишем сложные высказывания, выражающие известные
факты:
А->В; В ^>(С+ А); D^(AC)D^A.
Логическое произведение указанных сложных высказываний
будет истинным, поскольку каждое из этих высказываний ис-
тинно:
Г=(Л->5)(Я->(С + Л))(0 >( Л С ) )(/)> Л).
1.3. Элементы математической логики
69
Используя соответствующие свойства, упростим полученную
логическую функцию:
F = (А + В)(В + С + A)(D + AC)(D + А) =
= (А + В)(В + С + A)(D + AC)(D + А) =
= (АВ + ВВ +АС + ВС + АА + BA)(D + AC)(D + А) =
= (АВ + ВВ + СА + ВС + АА + AB)(DD + ACD + AD + АСА) =
-(А(В + В) + СА + BC + A)(L + A(D + CD) + AC)~
-(А+СА + BC)(A(D + С) + АС)=(А + BC)(AD + АС) -
= AAD + ABCD +ААС + ВСАС =L + ABCD = ABCD = 1.
Поскольку ABCD= 1, то отсюда следует, что высказывания А,
В, С и D истинны, а следовательно, все работники банка нару-
шили правила обмена валюты.
Пример 1.22. Определить, кто из абитуриентов А, В, С, D
играет, а кто не играет в шахматы, если известно следующее:
1) если А или В играет, то С не играет;
2) если В не играет, то играют Си Л;
3) С — играет в шахматы.
Введем следующие простые высказывания:
А — «абитуриент А играет в шахматы»;
В — «абитуриент В играет в шахматы»;
С — «абитуриент С играет в шахматы»;
D — «абитуриент D играет в шахматы».
Запишем сложные высказывания, выражающие известные
факты в условии задачи:
a)(A + B)^C\ 6)B^»CD; в) С.
Составим логическое произведение указанных сложных вы-
сказываний:
F = ((А + В) С)(В -> CD)C.
Приведем указанную логическую функцию к нормальной
форме:
((Л + В) С)(В -+CD)C =(аТВ + С)(В + CD)C =
- (АВ + С)(В + CD)C - АВС(В + CD) = ABCD - 1.
70
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Отсюда —
/1 = 0; 5=0; С = I, Z) = 1 (1 — истина; 0 — ложь).
Таким образом, в шахматы играют абитуриенты С и D, а аби-
туриенты А и В не играют.
Пример 1.23. Аня, Вика и Сергей решили пойти в кино.
Классный руководитель, хорошо знавший этих ребят, высказал
следующие предположения:
а) Аня пойдет в кино только тогда, когда пойдут Вика и
Сергей;
б) Аня и Сергей пойдут в кино вместе или же оба останутся
дома;
в) для того чтобы Сергей пошел в кино, необходимо, чтобы
пошла Вика.
Когда ребята пошли в кино, оказалось, что классный руко-
водитель немного ошибся: из трех его утверждений истинными
оказались только два. Кто из названных ребят пошел в кино?
Решить задачу с помощью логических операций.
Введем следующие простые высказывания:
А — «Аня пойдет в кино»;
В — «Вика пойдет в кино»;
С — «Сергей пойдет в кино».
Тогда сложные высказывания, описывающие приведенные в
условии задачи факты, имеют вид:
а)А^ВС; б) АС + AC; в)С^>В.
Поскольку из трех утверждений истинными оказались толь-
ко два, то логическая функция F, учитывающая все условия за-
дачи, имеет вид:
F -(Л —> 5С)(ЛС + АС)(С -> В) + (А^> ВС)(АС + АС)(С -> В) +;
+ (Л -> ВС)(АС + АС)(С -> В).
Указание. Функцию /’такого вида можно составить с по-
мощью следующей таблицы истинности (табл. 1.17).
Функция F имеет истинные значения в трех случаях:
Т{ (0, 1, 1), Т2 (1, 0, 1) и Т3 (1, 1, 0), тогда
F = xyz + xyz + xyz,
1.3. Элементы математической логики
71
Таблица 1.17. Таблица истинности
0 Y Z 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 1
1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0
здесь х, у, z — сложные высказывания, описывающие приведен-
ные факты в условии задачи.
Преобразуем указанную функцию F по частям:
1) (А -> ВС)(АС + АС)(С -> Я) =(Л + ВС)(АС + АС)(С + В) =
= А(В + С)(АС + АС)(С + В) = АС(С + В)(С + В) =
АС(С + ВВ) =0;
2) (А -> ВС)(АС + АС)(С -> В) = (А + ВС)(АС • А(^)(С + В) =
(А + ВС)(А + С)(А + С)(С + В) = (С + АВ)(А + С)(А + ВС) =
= (АС + АВС)(А + ВС) = (АВС + АВС) - АВС;
3) (А ВС)(АС + АС)(С -> В) = (А + ВС)(АС + АС)(С + В) =
= (АВС + АС)(СВ) =0.
Таким образом, АВС =1. Отсюда >4 = 0, В=1, С= 1, т. е. в
кино пойдут Вика и Сергей, а Аня не пойдет в кино.
Пример 1.24. На вопрос, какая погода будет завтра, синоп-
тик ответил:
а) если не будет ветра, то будет пасмурная погода без дождя;
б) если будет дождь, то будет пасмурно и без ветра;
в) если будет пасмурная погода, то будет дождь и нс будет
ветра.
72
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Подумав немного, синоптик уточнил, что три его высказыва-
ния можно лаконично записать в виде одного составного выска-
зывания. Сформулируйте его, решив задачу с помощью логиче-
ских операций.
Введем следующие простые высказывания:
В — «будет ветер», Р — «будет пасмурная погода», D — «бу-
дет дождь».
Составные высказывания, выражающие известные факты (а,
б, в) в условии задачи, запишутся в виде:
а) В Р • Р;
б) D -> Р В;
в) Р ->D В.
Составим конъюнкцию этих высказываний:
(В -> PD)(D -+ РВ)(Р -> DB)=(B + PD)(D + РВ)(Р + DB) =
= (вр + рут» + в/в + рубвуф + РВ) =
= BP(D + РВ) = BPD.
Слагаемые PPD, BDB, PDDB равны нулю.
Таким образом, три высказывания синоптика можно заме-
нить одним: «Будет ясная погода без дождя, но с ветром».
Пр и мер 1.25. Миша решил поступить в МИЭТ1 и послал
домой три сообщения:
• если я сдам математику, то информатику я сдам только при
условии, что не получу двойку за диктант;
• не может быть, чтобы я получил двойки за диктант и мате-
матику;
• достаточное условие провала по информатике — это двой-
ка за диктант.
После сдачи экзаменов оказалось, что из трех Мишиных со-
общений только одно было ложным. Как Миша сдал экзамены?
Решить задачу с помощью логических операций.
Введем простые высказывания:
И — «Миша сдаст информатику»;
М — «Миша сдаст математику»;
Д — «Миша сдаст диктант».
1 Московский институт электронной техники (Технический Универ-
ситет) — МИЭТ (ТУ).
1.3. Элементы математической логики
73
Тогда сложные высказывания, учитывающие первые три ус-
ловия задачи, запишутся в виде:
М^(И^Д); ДМ; Д^Й.
Учитывая, что из трех сообщений только одно было ложным,
получим:
F = (М^(И ^Д))(ДЙ)(Д -+Й) +
+ (Л/ (И -+ Д))(ДМ)(Д ->Й) +
+ (Л/ -э(И Д))(ДМ)(Д ^Й).
Преобразуем полученную функцию по частям:
1) (Л/^(Я^Д))( JM)(Д -+Й) =
-(Л/ + (Я^Д))(Д + Л/)(Д + Я) =
= М(И -> Д)(Д + М)Щ + Й) =
- М(Й + Д)(Д + Л/)(Д +й) = МИД(Д + МЙ) -0;
2) (М -э (И ДУ)(ДМ)(Д -+Й) =
= (М + (И ДУ)Д М(Д + Й) = (М + Й + Д)ДМЙ = ДМЙ;
3) (М {И дмДВД -э й) -
= (м + (И Д))(Д + М)(Д + й) =
= (М + Й + Д)(Д + М)(ДИ)=(М + Й + Д}МИД =0.
Таким образом, F = Д И М, т. е. Миша провалит все экзаме-
ны: по математике, информатике и диктанту.
Пример 1.26. Проверьте правильность следующего умозак-
лючения. Для того чтобы Саша прошел по конкурсу в МИЭТ,
достаточно, чтобы или Аня, или Вика не прошли по конкурсу в
институт. Вика пройдет по конкурсу вместе с Димой. Не может
быть, чтобы по конкурсу прошли и Аня, и Саша.
Вывод. Для того чтобы Аня прошла по конкурсу в инсти-
тут, необходимо, чтобы по конкурсу прошли Дима и Саша.
74
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Введем простые высказывания:
А — «Аня пройдет по конкурсу в институт»;
С «Саша пройдет по конкурсу в институт»;
D — «Дима пройдет по конкурсу в институт»;
В — «Вика пройдет по конкурсу в институт».
Тогда соответствующие посылки и заключение (вывод) в
символической форме примут вид:
а) (А + В) -> С;
б) В • D-
в) АС.
Вывод. Л -> DC. Запишем теперь умозаключение в симво-
лической форме:
((Я + В) > С), BD, (АС) | - (А -> DC).
Составим импликацию:
((А + В) -+ С) • BD АС (А -> DC).
Выясним, является ли данное высказывание тавтологией.
Упростив формулу, получим:
((А + В) -> С) • BD АС (А -> DC) =
= ((А + В) + C)BD(A + С)^(А + DC) = (АВ + C)BD(A + С) ->
-> (А + DC) = (СА + ABC)BD + А+ DC -
= (СА + АВС) + BD + А + DC =СА ABC + B + D+ A+DC =
= (С + А)(А + В + С) +B+A+D+C=
- <£А + + АВ + а£ + B + A+ D+ C = B + A+ D+ C.
СА^СВ^АВ^О
Таким образом, данная функция не является тождественно ис-
тинной, и, следовательно, данное умозаключение неправильное.
1.3.3. Логические основы ЭВМ
Логическая функция — это логическое выражение, состоящее
из логических переменных, связанных между собой с помощью
операций алгебры логики.
1.3. Элементы математической логики
75
Функция может принимать в зависимости от значений пе-
ременных х только два значения: 0 и I. Для функции п пере-
менных %п1, хи будем использовать общее обозначение F(y) -
•••’ хо)’ где v=(x,K1, х0) каждая переменная xp(p = Q, 1,
2, п) может принимать только два значения: 0 и 1. Поэтому
число всех возможных комбинаций значений л;_ ,. х() конечно
и равно 2". Областью определения функции п переменных
х„_,, х0 является совокупность точек «-мерного пространства,
причем каждая из точек задается комбинацией значений этих
переменных:
"'n-l — ^и-1’ •••’ Хр ~ &Р'
где е - 0 или 1 (р - 0, 1,2, ..., п - 1).
Функции п переменных могут зависеть не от всех перемен-
ных х,н1, ..., х0. Такие функции называются вырожденными.
Функция может быть задана как во всех точках определения, так
и не во всех:
• функция п переменных /(у) называется полностью опреде-
ленной, если ее значения Ду;) = 0 или 1 заданы во всех 2"
точках V\ области определения;
• если значение функции не задано хотя бы в одной точке Vf,
то она называется не полностью определенной, это означает,
что функция в этой точке может иметь значение 1 или 0 —
такое значение будем называть коэффициентом с;
• если значения функции не заданы во всех точках 1<, то она
называется полностью неопределенной.
Аппарат алгебры логики широко используется при описании
работы так называемых контактных схем и цифровых машин.
При проектировании подобных схем на основе анализа условий
работы схемы составляются логические функции, описывающие
работу схемы. Наличие такой функции позволяет изучить разно-
образные свойства самой схемы и в ряде случаев заменить ее бо-
лее простой эквивалентной схемой.
Введем следующие обозначения для высказываний:
% — «контакт х замкнут»;
х — «контакт х не замкнут».
Рассмотрим участок цепи (рис. 1.22) с последовательно рас-
положенными контактами х и у.
Рис. 1.22. Последовательное расположение контактов
76
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Этот участок цепи будет замкнут тогда и только тогда, когда
одновременно замкнуты контакты х и у. Эта ситуация в алгебре
логики описывается конъюнкцией высказываний, т. е. х л у.
В случае, когда контакты х и у подключены параллельно друг
ДРУГУ (рис. 1.23), участок цепи будет замкнут, когда по крайней
мере один из контактов замкнут. Эта ситуация в алгебре логики
описывается дизъюнкцией высказываний, т. е. х v у.
Рис. 1.23. Параллельное расположение контактов
Пример 1.27. Составить функцию, соответствующую кон-
тактной схеме, изображенной на рис. 1.24.
Рис. 1.24. Общий вид контактной схемы
Решение. На участках ab, cd, тп контакты включены парал-
лельно друг другу, следовательно, эти участки описываются со-
ответствующими дизъюнкциями: х v у, z v х, z v у. Так как ab
и cd соединены последовательно, то участку ad соответствует
конъюнкция (хуу)л(г v х). На участке еп имеем последова-
тельно соединенные контакт у и участок тп, следовательно, весь
участок еп описывается конъюнкцией y/\(z v у). Так как уча-
сток ad параллельно соединен с участком еп, то всей схеме соот-
ветствует дизъюнкция высказываний, описывающих эти участ-
ки, т. е.
(х v у) л (z v х) v У л (z V у).
1.3. Элементы математической логики
77
Последнее выражение и представляет собой логическую
функцию/ описывающую работу данной схемы.
Ответ. f(x, у, z) ~ (х v у) л (z v х) v у л (z v у).
1.3.4. Логический синтез вычислительных схем
Функции и аргументы в алгебре логики определены на мно-
жестве {0, 1} и, следовательно, могут принимать только два зна-
чения. Различные комбинации значений аргументов называются
наборами. Для каждого набора аргументов можно задать два
значения функции алгебры логики (ФАЛ), следовательно, для и
аргументов можно получить (2") различных функций. С целью
получения новых функций можно использовать принцип супер-
позиции, позволяющий подставлять одни функции вместо аргу-
ментов в другие функции. Система ФАЛ, позволяющая полу-
чать любые, сколь угодно сложные функции, называется функ-
ционально полной системой, а набор элементов, реализующих
данные функции, — функционально полным набором или бази-
сом. При построении дискретных устройств наибольшее рас-
пространение получили функции, реализующие следующие опе-
рации (рис. 1.25).
а б
а
Рис. 1.25. Логические блоки операций: а — операция инверсия (инвертор);
б — операция конъюнкция (конъюнктир); в — операция дизъюнкция (дизъюнк-
тор); г — операция отрицание дизъюнкции (дизъюнктор с отрицанием)
Под логическим элементом понимается комбинационная
схема, реализующая некоторую элементарную булеву функцию.
Любой логический элемент характеризуется наличием одного
или нескольких входов, выхода и функцией, которая отображает
зависимость выходного сигнала от входных.
Логические схемы разделяются на два типа: последователь-
ностные и комбинационные.
В последовательностных схемах выходные сигналы в любой
момент времени зависят нс только от комбинации входных сиг-
налов, но и от предыстории их изменения, т. е. от изменения
78 Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
последовательности сигналов во времени. Последовательност-
ные схемы характеризуются наличием так называемых петель,
по которым выход некоторого элемента соединяется со входом
этого самого элемента (через другие элементы схемы). С учетом
этой задержки значение выходного сигнала по времени запазды-
вает на время задержки по сравнению с моментом изменения
входных сигналов (рис. 1.26).
Рис. 1.26. Комбинационная схема
Как правило, последовательностные схемы характеризуются
некоторым внутренним строением, от которого зависит значе-
ние выходного сигнала(ов). Внутреннее состояние такой схемы
сохраняется на запоминающих элементах (триггерах), в связи с
чем схемы этого типа называются схемами с памятью.
В общем случае последовательностная схема представляет
собой некоторый цифровой автомат (рис. 1.27).
В комбинационных схемах (КС) значение выходного сигнала
в любой момент времени зависит только от комбинации вход-
ных сигналов (в этот момент времени с учетом задержки распро-
странения сигнала по элементам схемы).
Функционирование комбинационной схемы может быть
описано булевой функцией, отражающей зависимость выходно-
го сигнала схемы от входных сигналов как аргументов этой
функции. Для комбинационных схем с несколькими выходами
эта зависимость отражается системой булевых функций.
Основные параметры комбинационных схем — стоимость и
быстродействие. Быстродействие схемы оценивается задержкой
1.3. Элементы математической логики
79
Рис. 1.27. Последовательностная схема
распространения сигналов от входов схемы к ее выходу. Для аб-
страктных КС эту задержку принято считать в виде:
Ь,
где т — задержка на одном логическом элементе; к — макси-
мальное количество логических элементов, через которые про-
ходит сигнал от входов к выходу.
Задержка схемы сопоставляется с числом уровней этой схе-
мы. Для этой цели все элементы схемы распределяются по уров-
ням. Уровень элемента, на выходе которого формируется выход-
ной сигнал схемы, совпадает с количеством уровней схемы и,
следовательно, с ее задержкой.
Примечание. В ряде случаев перед построением логической блок-схемы уст-
ройства по логической функции последнюю, пользуясь соотношениями алгебры
логики, следует преобразовать к более простому виду (минимизировать). Для ло-
гических схем «ИЛИ», «И» и «НЕ» существуют типовые технические схемы, реа-
лизующие их на интегральных схемах. Для построения современных компьюте-
ров обычно применяются системы интегральных элементов, у которых с целью
большей унификации в качестве базовой логической схемы используется всего
одна из схем:
«И — НЕ» (штрих Шеффера);
«ИЛИ — НЕ» (стрелка Пирса);
«И - ИЛИ - НЕ».
Пример 1.28. Три человека участвуют в тайном голосова-
нии. Составить логическую схему, регистрирующую результаты
тайного голосования большинством голосов.
Пусть А — первый человек, голосующий «за», В — второй
человек, голосующий «за» и С — третий человек, голосующий
«за». Составим таблицу истинности (табл. 1.18) интересующего
80
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
нас итогового высказывания F (предложение принимается боль-
шинством голосов).
Таблица 1.18. Таблица истинности
А в с р Ответ
0 0 0 0 —
0 0 1 0 —
0 1 0 0 —
0 1 1 1 АВС
1 0 0 0 —
1 0 1 1 АВС
1 1 0 1 АВС
1 1 1 1 АВС
Искомое высказывание имеет вид:
F= АВС + АВС + АВС + АВС.
После упрощения функция принимает вид:
F= ВС(А + А) + А(В С + ВС) - С(В + ВА) + АВС -
= С{В + А) + АВС = СВ+СА + АВС = В(С+АС) +СА =
= В(С + А) +СА = ВС+ BA + СА.
Таким образом, логическая схема, реализующая процесс го-
лосования, будет иметь вид (рис. 1.28).
Рис. 1.28. Логическая схема
1.3. Элементы математической логики
81
Пример 1.29. Как в условиях примера 1.28 реализовать
электрическую схему, зажигающую лампочку, если хотя бы один
из участников проголосовал «за»?
Составим таблицу истинности для указанного случая
(табл. 1.19).
Таблица 1.19. Таблица истинности
А 0 в 0 с 0 0 Ответ Я(0, 0, 0)
0 0 1 1 —
0 1 0 1 —
0 1 1 1 —
1 0 0 1 —
1 0 1 1 —
1 1 0 1 —
1 1 1 1 —
Далее составим логическую функцию. В данном случае целе-
сообразнее выбрать те строки, где F - 0. Это состояние 7?(0, 0, 0).
Тогда F= (Л + В + С).
Электрическая схема для указанного случая имеет вид
(рис. 1.29).
Рис. 1.29. Электрическая схема
Пример 1.30. Какое высказывание реализует приведенная
ниже электрическая цепь? Если можно, то нарисуйте более про-
стую электрическую цепь, реализующую то же самое высказыва-
ние (рис. 1.30).
82
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Рис. 1.30. Электрическая цепь
Решение. Электрическая цепь реализует высказывание:
F=AB+(AB + В).
Упростим полученную логическую функцию:
F=(A + V)B + АВ = В + АВ = В + А.
Таким образом, упрощенная электрическая цепь, реализую-
щая исходное высказывание, имеет вид (рис. 1.31).
Рис. 1.31. Электрическая цепь
Пример 1.31. Для представленной ниже электрической
цепи (рис. 1.32) введем следующие высказывания:
А — «элемент А вышел из строя»;
В — «элемент В вышел из строя»;
С — «элемент С вышел из строя»;
D — «элемент D вышел из строя».
Рис. 1.32. Электрическая цепь
1.3. Элементы математической логики
83
Что можно сказать о состоянии цепи, если:
а) высказывание А + BCD — истинно;
б) высказывание А(В + С + D) — истинно.
Решение.
а) высказывание А + BCD - 1 (истинно).
А BCD А + BCD
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
Таким образом, отсюда следует, что
А = 0, BCD= 1 => 5- 1;
Л= 1, ВСР-0; А=\, BCD- 1
или то, что:
• элемент А работает (Л = 0), а все элементы, соединенные
параллельно (В, С, D), вышли из строя. Цепь разомкнута;
• элемент А, соединенный последовательно с остальными
тремя элементами, вышел из строя, и поэтому независимо
от состояния остальных элементов цепь будет разомкнутой;
б) высказывание А(В + С + D)= 1 (истинно).
А (В + С + D) А(В + С + D)
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Так как известно, что А(В + С + D) — истинно, то возможна
только одна ситуация:
А=1, В +С + D = 1 А = 0, BC+D=loA = 0,
BCD-I <» Л = 0, BCD=0.
84
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Таким образом, элемент А исправен (А = 0) и обязательно ис-
правен, по крайней мере, один из элементов — В, С, D. Следова-
тельно, цепь замкнута и ток проходит по цепи.
Пример 1.32. Нарисуйте одну из наиболее простых элек-
трических цепей, реализующую данное высказывание:
(А + В)((С +В)^>В)-+В-
Решение. Преобразуем данное высказывание:
(А + В)((С + В) -> В) В = (А + В)(С + В) + В) -> В =
= (А + В)(СВ + В) В = (А + В)(СВ + В) > В
= (А + В)(С +В)^В=(АС + ВС + АВ + В)^В =
= (АС + ВС + В) > В =(АС+ В) -> В =(АС + В)+ В -
= А СВ + В = (А +С)В + В = В + А + С.
Таким образом, электрическая цепь имеет вид (рис. 1.33).
Рис. 1.33. Электрическая цепь
Пример 1.33. Нарисуйте одну из наиболее простых логиче-
ских схем, реализующую данное высказывание:
((/? + q) (р + г))+р.
Упростим данную функцию:
F=((p + q)(p + r)) + p = (p + qr)+p = p + qr.
Таким образом, логическая схема имеет вид (рис. 1.34).
1.3. Элементы математической логики
85
Рис. 1.34. Логическая схема
Пример 1.34. Для данной схемы запишите логическое вы-
ражение (рис. 1.35).
В
Рис. 1.35. Логическая схема
Пример 1.35. Для данной схемы запишите логическое вы-
ражение (рис. 1.36).
А
В
Рис. 1.36. Логическая схема
86
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
1.3.5. Представление логической функции в виде
графа
На практике бывает удобно изображать логическую функ-
цию, описывающую работу какого-либо устройства, в виде дере-
ва, где висячим вершинам поставлены в соответствие булевы пе-
ременные или их отрицания, а во внутренних вершинах указаны
операции, которые надлежит выполнить над переменными или
над формулами.
Пусть с некоторого устройства поступают сигналы х, у, z, х,
у, z, (х, у, z — инвертированные сигналы, т. е. сигналы противо-
положного содержания), на вычислительное устройство (ВУ),
логика работы которого описывается булевой функцией:
f(x, у, г) = ((х л у) v (х л у л z>) у (у л z) =
= ху V xyz V yz,
причем блоки суммирования и умножения ВУ имеют только два
входа.
Тогда изображение булевой функции в виде дерева имеет сле-
дующий вид (рис. 1.37).
Рис. 1.37. Изображение булевой функции в виде дерева
На выходе, у основания дерева имеем значение логической
функции f, которая является корнем дерева.
1.4. Системы счисления
87
1.4. Системы счисления
Человеку издревле приходилось считать различные предметы
и записывать их количество. Для этих целей возникла унарная
система записи, при которой числа обозначались соответствую-
щим количеством черточек (или засечек). Например, число 5
представлялось как 111 |.
Унарная запись очень громоздкая и неудобная, поэтому
были найдены более компактные способы обозначения больших
чисел. Появились разные условные обозначения чисел, в кото-
рых использовали в качестве цифр буквы, к которым добавляли
специальные значки. В табл. 1.20 указаны наиболее известные
нумерации.
Таблица 1.20. Наиболее известные нумерации мира
Древнеегипетская нумерация Древнегреческая нумерация Вавилонская нумерация Нумерация индейцев майя
Старокитайская нумерация Славянская кириллическая нумерация Славянская глаголическая нумерация Латинская нумерация
Современная арабская нумерация
Египетская нумерация. Египтяне придумали эту систему око-
ло 5000 лет тому назад. Это одна из древнейших систем записи
чисел (табл. 1.21), известная человеку.
Таблица 1.21. Египетская нумерация
I 1______________________________________________________________
|| Если нужно изобразить несколько палочек, то их изображали в
ill два ряда, причем в нижнем должно быть столько же палочек,
сколько в верхнем, или на одну больше
п •»
л л л Если нужно изобразить несколько десятков, то иероглиф повто-
I II 11 1 ряли определенное количество раз
А юо
Древняя греческая нумерация. В древнейшее время в Греции
была распространена так называемая аттическая нумерация.
В этой нумерации числа 1, 2, 3, 4 изображались соответствую-
88
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
щим количеством вертикальных полосок. Число 5 записывалось
знаком Р (древнее начертание буквы «пи», с которой начиналось
слово «пенте» — пять).
Числа 6, 7, 8, 9 обозначались сочетаниями этих знаков:
и гп пн гни
Примерно в III в. до н. э. аттическая нумерация в Греции
была вытеснена ионийской системой. Числа 1—9 в ней обозна-
чаются первыми буквами греческого алфавита:
а = 1, р = 2, 7 = 3, 5 = 4, £ = 5, о, = 6, £ = 7, т| = 8, 9 = 9.
Вавилонская нумерация. В древнем Вавилоне примерно за
40 вв. до нашего времени создалась позиционная нумерация, т. е.
такой способ записи чисел, при котором одна и та же цифра мо-
жет обозначать разные числа, в зависимости от места, занимае-
мого этой цифрой. В вавилонской поместной нумерации ту роль,
которую у нас играет число 10, играет число 60, и потому эту ну-
мерацию называют шестидесятиричной. Числа менее 60 обозна-
чались с помощью двух знаков: у для единицы и для десятка.
Эти знаки повторялись нужное число раз. например:
(3) (20) (32)
Нумерация индейцев майя. Эта нумерация очень интересна
тем, что на ее развитие не повлияла ни одна из цивилизаций
Старого Света. Сначала эта нумерация использовала пятеричную
систему счисления, а потом ее приспособили для двадцатерич-
ной (табл. 1.9).
Таблица 1.22. Нумерация индейцев майя
• 1 9
• • 5^5^55 10
♦ ♦ • • з 11
4 ** 12
5 13
1.4. Системы счисления
89
Китайская нумерация. Эта нумерация одна из старейших и
самых прогрессивных, поскольку в нее заложены такие же прин-
ципы, как и в современную арабскую. Возникла эта нумерация
около 4000 лет тому назад в Китае (табл. 1.23).
Славянская кириллическая нумерация. Эта нумерация была
создана вместе со славянской алфавитной системой для пере-
писки священных книг для славян греческими монахами братья-
ми Кириллом (Константином) и Мефодием в IX в. Форма запи-
си чисел получила большое распространение в связи с тем, что
имела полное сходство с греческой записью чисел (табл. 1.24).
До сих пор православные церковные книги используют эту ну-
мерацию.
Таблица 1.24. Славянская кириллическая нумерация
А 1 I 10 р 100
б 2 к 20 с 200
г - 3 л 30 т 300
А 4 м - 40 у 400
е 5 н 50 ф - 500
5-6 А - 60 х - 600
з - 7 о - 70 t - 700
и - 8 п 80 w - 800
*-9 ч 00 ц 900
Цифры числа записывались слева направо, начиная с боль-
ших значений и заканчивая меньшими. Запись числа, использо-
90
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
ванная славянами, аддитивная, т. е. в ней применяется только
сложение:
W3r = 863 (800 + 60 + 3).
Для того чтобы не перепутать буквы и цифры, использова-
лись титла — горизонтальные черточки над числами. В России
славянская нумерация сохранилась до конца XVII в. При Пет-
ре I возобладала так называемая арабская нумерация.
Славянская глаголическая нумерация. Эта нумерация исполь-
зовалась с VIII по XIII в. и была создана для записи чисел в свя-
щенных книгах западных славян (табл. 1.12).
Таблица 1.25. Славянская глаголическая нумерация
Латинская (римская) нумерация. Это самая известная нумера-
ция после арабской. С ней мы достаточно часто сталкиваемся в
повседневной жизни. Это номера глав в книгах, указание века,
числа на циферблате часов и т. д. Возникла эта нумерация в
Древнем Риме (табл. 1.26).
Таблица 1.26. Латинская (римская) нумерация
I 1
V 5
X 10
L 50
С 100
D 500
М 1000
Цифры числа записывались, начиная с больших значений и
заканчивая меньшими, слева направо. Если цифра с меньшим
1.4. Системы счисления
91
значением записывалась перед цифрой с большим значением, то
происходило ее вычитание.
CCXXXVII = 100 + 100 + 10 + 10 + 10 + 5 + 1 + 1 = 237,
но
XXXIX = 10 + 10 + 10 + 10 - 1 = 39.
Арабская нумерация. Это самая распространенная на сего-
дняшний день нумерация. Название «арабская» для нее не со-
всем верно, поскольку хоть и завезли ее в Европу из арабских
стран, но там она тоже была не родной. Настоящая родина этой
нумерации — Индия. В различных районах Индии существовали
разнообразные системы нумерации, но в какой-то момент среди
них выделилась одна. В ней цифры имели вид начальных букв
соответствующих числительных на древнеиндийском языке —
санскрите, использующем алфавит «Деванагари»:
01 234567X9
Система счисления. Это способ наименования и представле-
ния чисел с помощью символов, имеющих определенное коли-
чественное значение. Такие символы в любой системе счисле-
ния называются цифрами.
Совокупность приемов наименования и записи чисел назы-
вается счислением.
Алфавит системы счисления — совокупность символов, ис-
пользуемых в данной системе счисления.
Основание системы счисления — количество цифр, используе-
мых в данной системе счисления.
Разряд — номер позиции в числе (цифры нумеруются справа
налево, начиная с нуля).
Вес разряда — число, равное основанию системы счисления в
степени номера разряда.
Системы счисления, в которых числа записывают как после-
довательность цифр, можно разбить на два класса: позиционные
и непозиционные.
В непозиционных системах значения цифр не изменяются при
изменении их положения в последовательности. В качестве при-
мера нспозиционной системы приведем известную всем рим-
скую систему счисления. В римской системе счисления сим-
92
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
вол X на любом месте равен 10, но в записи слева от старшего
(например, ХС) символ X равен -10, а в сочетании перед млад-
шим (например, XV) равен +10. В непозиционных системах
счисления действия над числами связаны с большими трудно-
стями и не имеют правил. В этих системах нельзя выразить от-
рицательные и дробные числа, поэтому непозиционные системы
имеют ограниченное применение. В основном их используют
для наименования дат, томов, глав и т. д.
Напротив, в позиционных системах счисления количествен-
ное значение цифры в числе зависит от ее позиции. Одним из
примеров позиционной системы счисления является десятичная
система.
Например, число 444 записано тремя одинаковыми цифра-
ми, но каждая из них имеет свое значение: четыре сотни, четыре
десятка и четыре единицы, т. е. его можно представить:
444 = (4 - 100 + 4 - 10 + 4- 1) или 444 = (4- 102 + 4- 1О‘+4- 10°).
Выберем наименьшее из возможных оснований позицион-
ной системы счисления 2 и посмотрим, как записать произволь-
ное натуральное число при помощи суммы степеней двойки.
Для записи двоичного числа используются только две цифры 0
и 1 (табл. 1.27).
Таблица 1.27. Запись произвольных натуральных чисел
Десятичные Двоичные
0 = 0-2° 0
1 = 1-2° 2=1 • 21 + 0-2° 1 10
3 - 1 • 2‘ + 1 • 2° 11
4 = 1 • 22 + 0 • 2* + 0 • 2° 5 = 1 • 22 + 0 • 21 + 1 • 2° 100 101
6 = 1 • 22 + 1 • 2* + 0 • 2° по
7 = 1 22 + 1 • 21 + 1 - 2° 8 = 1 • 23 + 0 • 22 + 0 • 21 + 0 • 2° 111 1000
9 = 1 • 23 + 0 • 22 + 0 • 21 + 1 • 2° 10 = 1 -23 + 0 - 22 + 1 • 21 + 0 - 2° 1001 1010
1.4. Системы счисления
93
Для записи чисел в позиционной системе счисления с осно-
ванием р нужно иметь алфавит из р цифр. Обычно для этого при
р< 10 используют р первых арабских цифр, при р> 10 к десяти
арабским цифрам добавляют латинские буквы. В качестве деся-
тичных цифр применяются арабские цифры, а основание систе-
мы равно десяти, т. е. оно равно отношению соседних разрядов.
В р-ной системе с основанием р (р — целое число больше I) чис-
ло записывается в виде последовательностей р-ных цифр, разде-
ленных запятой на две последовательности:
Q,, 9„-i ••• Q\ 9-i - Q-m-
Позиции, расположенные левее запятой, пронумерованы
справа налево числами 0, 1, 2,..., а справа от запятой — пронуме-
рованы подряд слева направо -1, -2, -3 и т. д. Пронумерованные
позиции называются разрядами.
Таким образом:
Яп . ••• <7i 9 о 9-1 9-,„ = £9,Р'-
7 =-т
Последовательность цифр слева от запятой называется целой
частью числа, а справа — дробной частью.
В современных ЭВМ в настоящее время в основном исполь-
зуются позиционные системы счисления с основаниями 2, 8, 16
и 10, хотя были попытки, правда не совсем успешные, примене-
ния и других систем счисления (например, троичной).
Наиболее просто осуществить перевод чисел из р-ной пози-
ционной системы счисления в /-ную (или обратно), если имеет
место соотношение р- tk, где к — целое положительное. В этом
случае перевод из р-ной системы счисления в /‘-ную осуществля-
ется поразрядно, с заменой каждой р-ной цифры равным ей
A-разрядным числом в /-ной системе счисления. Разбивка числа
на группы по к цифр осуществляется при движении от запятой
влево и вправо, если при этом самая левая и правая группы ока-
жутся неполными, то к ним приписывается необходимое коли-
чество нулей.
Если требуется указать основание системы, к которой отно-
сится число, то оно записывается как нижний индекс этого
числа. В системе счисления с основанием р (р-ная система
счисления) единицами разрядов служат последовательные сте-
пени числа р.
94
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
В системе счисления с основанием р в одном разряде могут
стоять символы от 0 до (р - 1). Так, в 16 системе счисления в од-
ном разряде могут стоять символы от 0 до 15 (табл. 1.28).
Таблица 1.28. Системы счисления
Двоичная (основание 2) 0 Восьмеричная (основание 8) Десятичная (основание 10) 0 Шестнадцатеричная (основание 16)
алфавит 0 триады 000 алфавит 0 тетрады 0000
1 1 001 1 1 0001
— 2 010 2 2 0010
— 3 он 3 3 ООН
— 4 100 4 4 0100
— 5 101 5 5 0101
— 6 но 6 6 оно
— 7 111 7 7 0111
— — — 8 8 1000
— — — 9 9 1001
— — — — А 1010
— — — — В 1011
— — — — С 1100
— — — — D 1101
— — — — Е 1110
— — — — F 1111
Примечание. К нетрадиционным системам счисления относится фибоначчие-
ва система счисления. Базисом фибоначчиевой системы счисления является по-
следовательность 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, т. е. подряд идущие числа Фибо-
наччи. В качестве цифр в этой системе счисления используются только 0 и 1.
Например: (37)10 = 34 + 3 = (100000100)ф; (25)10 = 21+3+ 1 = (1000101)ф.
Пр имер 1.36. Перевести двоичное число (1110101,1011111)2
в восьмеричную систему счисления. Так как 8 - 23 и к - 3, тогда
001 ПО 101, 101 111 100(2)= 165,574(8>
1.4. Системы счисления
95
либо другой вариант записи:
(001 НО 101, 101 111 100)2 = (165,574)8.
Пр имер 1.37. Перевести восьмеричное число (73,16)8 в дво-
ичную систему счисления.
(73,16)8= (111 011, 001 110) = (111011,00111)2.
Пр имер 1.38. Перевести двоичное число (11100,01)2 в ше-
стнадцатеричную систему счисления. Принимая во внимание,
что 16 = 24 и к = 4,
(11100,01)2= (0001 1100, 0100) = (10,4)16-
Так как только 10 цифр из 16 в шестнадцатеричной системе
счисления имеют общепринятые обозначения, то для записи
цифр 10, 11, 12, 13, 14 и 15 используются соответственно буквы
А, В, С, D, Е и F.
Для быстрого перевода двоичного числа 1100 в шестнадцате-
ричную систему счисления можно воспользоваться следующим
приемом:
(1 Ю0)2 = (1000 + 100) = (8 + 4) = (12)|0= (С)|6.
Этим же приемом можно воспользоваться и при обратном
переводе:
(С)16= (12),0= (8 + 4) = (1000 + 100) = (1100)2.
Для этого надо лишь запомнить следующую таблицу для 2"
(табл. 1.29).
Таблица 1.29. Рабочая таблица
Десятичная система счисления 1 Двоичная система счисления 1
2 10
4 100
8 1000
96
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Пр и мер 1.39. Перевести число (1AF,4)16 в двоичную систе-
му счисления.
(IAF,4),6= (0001 1010 1111, 0100) = (1101011II,01)2.
Легко выполняется также перевод из одной системы счисле-
ния в другую, если основание систем — степень 2. В этом случае
перевод целесообразнее осуществить через двоичную систему
счисления.
Для перевода числа из произвольной системы счисления в
десятичную необходимо записать его в виде многочлена, состоя-
щего из произведений цифр числа и соответствующей степени
числа р (основания системы), и вычислить по правилам десятич-
ной арифметики:
Хр = АпР"~' +А,,_1Рп-2 +Ап_2Рп-2 + ... + А2Р{ + АхР\
Пр и мер 1.40. Перевести числа из одной системы счисле-
ния в другую:
а) число (11101000)2 перевести в десятичную систему счис-
ления
(11101000)2 =
= 1 • 27+ 1 • 26 + 1 • 25+0 • 24 + 1 • 23+0- 22 +
+ 0- 2*4- 0 - 2°=(232)10;
б) число (75 013)х перевести в десятичную систему счисления
(75 013)я = 7 • 84+5 • 83+0 • 82+ 1 • 8‘+3 • 8° = (31 243)|0;
в) число (FDA1)|6 перевести в десятичную систему счисления
(FDA1)16 = 15- 163 + 13- 162+ 10- 16'+ 1 • 16" = (64 929)1О;
г) перевести число из восьмеричной системы счисления в де-
сятичную: (703,04)8 -+ ( )|0 = ?
(703,04)8 = 7 • 82 + 0 • 81 + 3 • 8" + 0 • 8“‘ + 4 • 8’2 = (451,0625)1о;
д) перевести число (В2Е,4)16 ()10
(В2Е,4)и, = И • 162+ 2- 16'+ 14- 16"+4- 16-' = (2862,25)10;
1.4. Системы счисления
97
е) перевести число (10101101,101)2 -> ( )1()
(10101101,101), =
= 1 • 27+ 0 - 26 + 1 25+0 • 24+ 1 • 23+ 1 • 22+0 • 2' + 1 2() +
+ 1 2-' + 0 • 2’2 + 1 • 2"3 = (173,625)10.
Перевод целых чисел из одной системы счисления в другую.
Сформулируем алгоритм перевода целых чисел из системы с ос-
нованием р в систему с основанием q.
1. Основание новой системы счисления выразить цифрами
исходной системы счисления и все последующие действия про-
изводить в исходной системе счисления.
2. Последовательно выполнять деление данного числа и по-
лучаемых целых частных на основание новой системы счисле-
ния до тех пор, пока не получим частное, меньшее делителя.
3. Полученные остатки, являющиеся цифрами числа в новой
системе счисления, привести в соответствие с алфавитом новой
системы счисления.
4. Составить число в новой системе счисления, записывая
его, начиная с последнего разряда.
Пример 1.41. Перевести десятичное число (65)10 в двоич-
ную систему счисления:
65 2
64|32Т2
1 32 ГТбТ 2
0 161~8~|~2
0 8 Ир
0 ±Г2р
0 2П
0
Порядок записи разрядов,
начиная с последнего частного
Таким образом, получаем: (65)|0 = (1000001),= (01000001 )2.
Обратите внимание на то, что ведущий нуль в двоичном пред-
ставлении числа может быть добавлен для дополнения двоично-
го представления до 8 бит.
98
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Пример 1.42. Перевести десятичное число (571)10 в восьме-
ричную систему счисления.
571
56
II
"_8
3
8
Результат. (571)10 = (1073)8.
Пример 1.43. Перевести десятичное число (7467) 1() в шест-
надцатеричную систему счисления.
7467
7456
II
16
Результат. (7467)|О= (1D2B)1(1.
Пример 1.44. Перевести число (181)10 в восьмеричную сис-
тему счисления.
181 8
Результат. (181)10 = (265)8.
Пр имер 1.45. Перевести число (622)10 в шестнадцатерич-
ную систему счисления.
622 16
Результат. (622)10 = (26Е)16.
1.4. Системы счисления
99
Пример 1.46. Перевести число (23),0 в двоичную систему
счисления.
Результат. (23)Н) = (10111)2.
Пр имер 1.47. Перевести число (363)|О в двоичную систему
счисления.
Иногда более удобно записать алгоритм перевода в форме
таблицы (табл. 1.30).
Таыица 1.30. Рабочая таблица
Делимое 363 181 90 45 22 И 5 2 1
Делитель 2 2 2 2 2 2 2 2 2
Остаток 1 1 0 1 0 1 1 0 1
Результат. (363)10= (101 10101 1)2.
Перевод дробных чисел из одной системы счисления в другую.
Сформулируем алгоритм перевода правильной дроби с основа-
нием р в дробь с основанием q.
1. Основание новой системы счисления выразить цифрами
исходной системы счисления и все последующие действия про-
изводить в исходной системе счисления.
2. Последовательно умножать данное число и получаемые
дробные части произведений на основание новой системы до
тех пор, пока дробная часть произведения не станет равной
нулю или будет достигнута требуемая точность представления
числа.
3. Полученные целые части произведений, являющиеся циф-
рами числа в новой системе счисления, привести в соответствие
с алфавитом новой системы счисления.
100
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
4. Составить дробную часть числа в новой системе счисле-
ния, начиная с целой части первого произведения.
П ример 1.48. Перевести число (0,65625)1о в восьмеричную
систему счисления.
65625
*8
65625
*8
00000
Результат. (0,65625)1О= (0,52)8.
П ример 1.49. Перевести число (О,65625)1о в шестнадцате-
ричную систему счисления.
65625
*16
50000
х
00000
Результат. (0,65625)10 = (0,А8)16.
Пр имер 1.50. Перевести число (О,65)1о в двоичную систему
счисления.
0 65x2
1
0
1
0
0
1
3x2
6x2
2x2
4x2
8x2
2x2
Результат, полученный
(0,65)1о« (0,101001)2.
за шесть шагов:
1.4. Системы счисления
101
Очевидно, что этот процесс может продолжаться бесконеч-
но, давая все новые и новые знаки в изображении двоичного эк-
вивалента числа (0,65) |0. Например, за четыре шага получаем
число (0,1010)2, а за пять шагов число (0,10100)2 и т. д. Такой
бесконечный процесс обрывают на некотором шаге, когда счи-
тают, что получена требуемая точность представления числа.
Пр имер 1.51. Перевести десятичную дробь (0,5625)|О в дво-
ичную систему счисления.
5625
2
1250
2
2500
2
5000
2
5000
Результат. (0,5625)10 = (0,1001)2.
Пример 1.52. Перевести число (0,3125)1о в восьмеричную
систему счисления.
0
2
4
3125 х8
5000 х 8
0000
Результат. (О,3125)1о- (0,24)8.
Перевод произвольных чисел из одной системы счисления в
другую. Перевод произвольных чисел, т. е. чисел, содержащих
целую и дробную части, осуществляется в два этапа. Отдельно
переводится целая часть, отдельно — дробная. В итоговой запи-
си полученного числа целая часть отделяется от дробной запятой
(точкой).
102
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Пример 1.53. Перевести число (25,125) 10 в двоичную систе-
му счисления.
Таким образом: (23)10 = (10111)2; (0,125)|0 = (0,001 )2.
Результат. (23,125)|0 = (10111,001)2.
П ример 1.54. Перевести число (17,25)10 в двоичную систе-
му счисления.
Переводив 1 целую часть: Переводим дробную часть:
17 2 0, 25
1 8 2 х2
0 4 2 0 50
0 2 2 х2
о И 1 00
Результат. (17,25)10- (10001,01 )2.
Пр имер 1.55. Перевести число (124,25)|() в восьмеричную
систему счисления.
Переводи\ 1 целую часть: Переводим дробную часть:
124 8 0, 25
4 15 8 х8
7 1 2 00
Результат. (124,25)|0= (174,2)8.
1.4. Системы счисления
103
Пример 1.56. Перевести в двоичную систему счисления.
(537,1)8 = (101 011 111, 001)2;
5 3 7 1
(1A3,F)16 = (1 1010 001 1, Г111)2.
1 Л 3 F
Примечание. Для перевода двоичных чисел в восьмеричную и шестнадцате-
ричную системы можно использовать более простые правила. В трех двоичных
разрядах (триаде) можно представить любой восьмеричный символ от 0(000) до
7(1 II). Аналогично и любой шестнадцатеричный символ можно представить че-
тырьмя двоичными разрядами (тетрадой): 0(0000)— F(llll).
Пример 1.57. Перевести двоичные числа в восьмеричную и
шестнадцатеричную системы счисления.
Для того чтобы перевести число из двоичной системы в
восьмеричную, его нужно разбить на триады (тройки цифр), на-
чиная с младшего разряда, в случае необходимости дополнив
старшую триаду нулями, и каждую триаду заменить соответст-
вующей восьмеричной цифрой.
Перевести (1101111001,1101)2 -> ( )„.
001101111001.110100 = 1571.648.
15 7 1 6 4
Чтобы перевести число из двоичной системы в шестнадцате-
ричную, его нужно разбить на тетрады (четверки цифр), начиная
с младшего разряда, в случае необходимости дополнив старшую
тетраду нулями, и каждую тетраду заменить соответствующей
цифрой.
Перевести (11111111011,100111)2 -> ( )|6.
011111111011.10011100 = 7FB.9C16.
7 F В 9 С
П ример 1.58. Перевести в двоичную систему счисления,
а) (305.4)8 -> ()2.
3 0 5.4 = 11000101.12.
'—у—' '-V-' '-у-' V—• 8
011 000 101 100
104
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
б) (7В2.Е)|6 -> ( )2.
7 В 2 . Е = 11110110010.1112.
-16
0111 1010 0010 1110
Пр имер 1.59. Перевести число (175,24)8 из восьмеричной в
шестнадцатеричную систему.
1 7 5.2 4 = 1111101.01012 = 01111101.01012 = 7D.5I6.
001 111 101 010 100 7 D 5
Результат. (175,24)8 = (7D,5)16.
1.4.1. Двоичная арифметика
Арифметические операции над двоичными числами осуще-
ствляются с помощью алгоритма под названием «сложение в
столбик». Правила выполнения арифметических действий над
двоичными числами задаются таблицами двоичных сложения,
вычитания и умножения (табл. 1.31).
Таблица 1.31. Арифметические операции над двоичными числами
Таблица двоичного сложения 0 + 0 = 0 Таблица двоичного вычитания 0-0 = 0 Таблица двоичного умножения 0x0 = 0
0+1 = 1 1+0=1 1-0=1 1-1=0 0x1=0 1x0 = 0
1 + 1 = 10 0 - 1 = 10 - 1 = 1 1x1 = 1
п ример 1.60. Произвести сложение чисел 55,25 и 19,5 в
десятичной и в двоичной системах счисления.
Первое слагаемое 55 , 25 110 1 1 1,0 1
Второе слагаемое 19 , 50 1 0 0 11,1 0
Сумма
74 , 75
1001010,11
1.4. Системы счисления
105
Образующийся дополнительный бит называется битом пере-
носа.
Пример 1.61. Произвести сложение чисел 65 и 42 в двоич-
ной системе счисления.
65|О = 010000012.
42|0 = 00 1 0 1 0 1 02.
Выполним сложение этих чисел:
01000001 Первое слагаемое
00101010 Второе слагаемое
01101011 Результат
Можно убедиться, что (01101011)2 =(107)|0:
0 • 27+ 1 • 26 + I • 25 + 0 - 24 + 1 • 23+0- 22 + 1 • 2*+ 1-2° =
= 64+ 32 + 8 + 2+1 = 107.
Пример 1.62. Выполнить сложение двоичных чисел Xи Y.
а)Х= 1101; У= 101.
110 1
1 0 1
Х +Y = 10010
Результат. 1101+ 101 =10010.
б) Х= 1101; У= 101; Z= 111.
Х= 1101
У= 10 1
Z = 111
Х+У+ Z = 110 0 1
Результат. 1101 + 101 + 111 = 11001.
106
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Примечание. Вычитание чисел в двоичной системе счисления выполняется
так же, как и в десятичной. При необходимости занимается единица из сле-
дующего старшего разряда, причем занимаемая единица равна двум единицам
данного разряда. Заем единицы производится каждый раз. когда цифра в раз-
ряде вычитаемого количественно больше цифры в том же разряде уменьшае-
мого. Для выполнения операции вычитания она заменяется сложением, а в
качестве второго слагаемого берется инвертированное (противоположное) чис-
ло. Например, пусть нужно выполнить вычитание: 65 - 42. Заменим его сло-
жением: 65 + (-42).
Все представленные выше двоичные числа имеют положи-
тельные значения, что обозначается нулевым значением самого
левого (старшего) разряда. Отрицательные двоичные числа со-
держат единичный бит в старшем разряде. Для получения отри-
цательного двоичного числа можно использовать следующий
алгоритм:
• взять соответствующее положительное число и инвертиро-
вать его биты (1 заменить на 0, и наоборот);
• к полученному числу прибавить 1.
Пр имер 1.63. Заданы двоичные числа Х = 10010 и Y= 101.
Вычислить X - Y.
При вычитании двоичных чисел в данном разряде при необ-
ходимости занимается единица из старшего разряда. Эта зани-
маемая единица равна двум единицам данного разряда.
10 0 10
10 1
0 110 1
Результат. 10010 - 101 = 1101.
П ример 1.64. Вычесть из 65 число 42. Двоичное представ-
ление для 42 — это 00101010, а для -42 двоичное представление
будет следующим — 11010110:
65 = 01000001
+
(-42) =11010110
23 (1)00010111
1.4. Системы счисления
107
Пример 1.65. Выполнить умножение двоичных чисел:
1001 • 101.
Умножение двоичных чисел производится по тем же прави-
лам, что и для десятичных с помощью таблиц двоичного умно-
жения и сложения.
1001
+ 1001
1001
101101
Результат. 1001 • 101 = 101101.
Каждое частичное произведение или равно нулю, если в со-
ответствующем разряде множителя стоит нуль, или равно мно-
жимому, сдвинутому на один разряд влево (по отношению к
предыдущему частичному произведению), если в соответствую-
щем разряде множителя стоит единица.
Пример 1.66. Выполнить деление двоичных чисел:
1100,011/10,01.
Деление двоичных чисел производится аналогично делению
десятичных чисел. При делении нецелых чисел они могут быть
приведены к целым путем переноса запятой в делимом и делите-
ле на одинаковое число разрядов и дописывания нулей в недос-
тающие разряды справа.
110001.1
1001
1101
1001
101.1
1001
1001
1001
0
Результат. 1100,011/10,01 - 101,1.
108
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Пр име р 1.67. Выполнить действия: А + В, А - В, А • В, А/В
если А= 1010(2) В= 101(2).
Сложение:
1010
101
1111
Вычитание:
1010
101
101
Умножение:
1010
х 101
+ 101
101
Деление:
1010 | 101
101 10
0
110010
Таким образом: А + В- 1111(2); А- В- 101(7); А • В= 110010(7);
Л/Л=10(2).
Пример 1.68. Л(|6) = FA, Вв6) = 75. Найти А + В и А - В.
FA FA
+ 75 75
Результат: 16F 85
Пр имер 1.69. Выполнить следующие операции: А + В,
А - В, А В и А/В, если А = 144(6), В= 24(6).
144 144 144 144 24
+ 24 24 х 24 " 144 Ц
212 120 1104 0
+___
4424
Таким образом:
А+В=212(6); А-В^120(Ь); А • В = 4424(б); А/В = 4,6).
П ример 1.70. В лаборатории имеются 35(д) компьютеров
марки Pentium и 22(х) компьютера марки Celeron, всего 101(д)
компьютер. В какой системе счисления х записаны числа?
1.4. Системы счисления
109
Пусть р — неизвестное основание системы, тогда:
35 + 22 - 101;
Зр + 5р°+ 2р + 2р° = р2 + р°;
5р + 6 - р2, отсюда р2 - 5р - 6 = 0;
р,= 6; р2=-\ (посторонний корень).
Таким образом, числа записаны в шестеричной системе счис-
ления.
1.4.2. Прямой и обратный коды
Использование кодов позволяет свести операцию вычитания
чисел к арифметическому сложению кодов этих чисел. Приме-
няются прямой, обратный и дополнительный коды чисел. Пря-
мой код используется для представления отрицательных чисел в
запоминающем устройстве ПЭВМ, а также при умножении и де-
лении. Обратный и дополнительный коды применяются для за-
мены операции вычитания операцией сложения.
К кодам предъявляются следующие требования:
I) разряды числа в коде жестко связаны с определенной раз-
рядной сеткой;
2) для записи кода знака в разрядной сетке отводится фикси-
рованный, строго определенный разряд.
Например, если за основу представления кода взят 1 байт, то
для представления числа будет отведено семь разрядов, а для за-
писи кода знака один разряд.
Прямой код. Прямой код двоичного числа совпадает по изо-
бражению с записью самого числа. Значение знакового разряда
для положительных чисел равно 0, а для отрицательных чисел 1.
Знаковым разрядом обычно является крайний разряд в раз-
рядной сетке. В дальнейшем при записи кода знаковый разряд
от цифровых условимся отделять запятой. Если количество раз-
рядов кода не указано, будем предполагать, что под запись кода
выделен I байт.
Обратный код. Обратный код для положительного числа сов-
падает с прямым кодом. Для отрицательного числа все цифры
числа заменяются на противоположные (инвертируются), а в зна-
ковый разряд заносится единица.
по
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Дополнительный код. Дополнительный код положительного
числа совпадает с прямым кодом. Для отрицательного числа до-
полнительный код образуется путем получения обратного кода и
добавлением к младшему разряду единицы.
Пример 1.71. Пусть для записи кода выделен 1 байт, тогда:
для числа +1101 прямой код 0,0001101;
для числа-1101 прямой код 1,0001101.
Пример 1.72. Пусть для записи кода выделен 1 байт, тогда:
для числа +1101 прямой код 0,0001101;
обратный код 0,0001101;
для числа-1101 прямой код 1,0001101;
обратный код 1,1110010.
Пример 1.73.
а) для числа +1101 определить прямой (П), обратный (ОК)
и дополнительный (ДК) коды:
Прямой код Обратный код Дополнительный код
0,0001101 0,0001101 0,0001101
б) для числа -1101 определить прямой, обратный и дополни-
тельный коды:
Прямой код Обратный код Дополнительный код
1,0001101 1,1110010 1,1110011
П ример 1.74. Сложить два числа: Л10= 7 и 51()= 16.
4=+0111; Л2=+10000.
Исходные числа имеют различную разрядность, необходимо
провести выравнивание разрядной сетки:
[Л]п=1Л]ок=И2]дк=0, 00111;
[Я21п = [52]ок= [52]дк= 0, 10000.
1.4. Системы счисления
111
Сложение в обратном или дополнительном коде дает один и
тот же результат
О, 00111
+ 0 , 10000
С2 = 0 , 10111
Qo — +23
При сложении цифр отсутствуют переносы в знаковый раз-
ряд и из знакового разряда, что свидетельствует о получении
правильного результата.
Пример 1.75. Сложить два числа: Л10 = + 16; В10 = -7 в ОК и
ДК. В этом случае должна быть реализована зависимость
(Л + (-5)), в которой второй член преобразуется с учетом знака:
[Л2]п = 0, 10000 = 0, 10000; [Л2]ок = 0, 10000; М2]дк = 0, 10000;
[Я2]п = 1, 111 - 1, 00111; [В2]ок= h 11000; [52|дк= 1, 11001.
Сложение в ОК:
Шок = 0, 10000
+ [В2]0К= 1, 11000
:^о/оюо0
Сложение в ДК:
1Л1дк = о, 10000
1Д2|дк= 1, 11001
V61001
1
О, 01001
С2 = О, 01001;
с1о = +9.
С2 = 0. 01001;
С10 = +9.
При сложении чисел в ОК и ДК были получены переносы в
знаковый разряд и из знакового разряда. В случае ОК перенос из
знакового разряда требует дополнительного прибавления едини-
цы младшего разряда. В случае ДК этот перенос игнорируется.
Примечание. Произведение чисел получается путем сложения частных произ-
ведений, представляющих собой разряды множимого, сдвинутые влево в соот-
ветствии с позициями разрядов множителя. Частные произведения, полученные
умножением на нуль, игнорируются. Важная особенность операции умножения
/7-разрядных сомножителей — увеличение разрядности произведения до
п + п = 2п. Знак произведения формируется путем сложения знаковых разрядов
сомножителей. Возможные переносы из знакового разряда игнорируются.
112
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Пр имер 1.76. Разделить два числа ЛИ)=45; 510 = 5. Опера-
ция деления, как и в десятичной арифметике, — обратная опе-
рации умножения. Покажем, что и эта операция приводится к
последовательности операций сложения и сдвига.
и2]п= 101101; [52]п = 101
Делимое: Делитель:
101101 | 101
101 1001 — частное
0101
" 101
о
[С2]п = 1001;
С10 = 9.
Деление произведено так же, как это делается обычно в де-
сятичной системе. Сначала проверяется, можно ли вычесть зна-
чение делителя из старших разрядов делимого. Если возможно,
то в разряде частного записывается единица и определяется ча-
стная разница. В противном случае в частное записывается нуль
и разряды делителя сдвигаются вправо на один разряд по отно-
шению к разрядам делимого. К полученной предыдущей разни-
це сносится очередная цифра делимого, и данный процесс по-
вторяется, пока не будет получена необходимая точность.
Если учесть, что все вычитания в ЭВМ заменяются сложени-
ем в ОК или в ДК, то действительно операция деления приво-
дится к операциям сложения и сдвигам вправо разрядов делите-
ля относительно разрядов делимого. Отметим, что делимое пе-
ред операцией деления должно быть приведено к 2я-разрядной
сетке. Только в этом случае при делении на «-разрядный дели-
тель получается «-разрядное частное.
Знак частного формируется также путем сложения знаковых
разрядов делимого и делителя, как это делалось при умножении.
1.4.3. Примеры двоичного кодирования информации
Среди разнообразия информации, обрабатываемой на
компьютере, значительную часть составляет числовая, тек-
стовая, графическая и аудиоинформация. Познакомимся с не-
1.4. Системы счисления
113
которыми способами кодирования этих типов информации в
ПЭВМ.
Кодирование чисел. Существуют два основных формата пред-
ставления чисел в памяти компьютера. Один из них использует-
ся для кодирования целых чисел, другой (так называемое пред-
ставление числа в формате с плавающей точкой) используется
для задания некоторого подмножества действительных чисел.
Множество целых чисел, представимых в памяти ПЭВМ, огра-
ничено. Диапазон значений зависит от размера области памяти,
используемой для размещения чисел. В A-разрядной ячейке может
храниться 2* различных значений целых чисел. Для того чтобы по-
лучить внутреннее представление целого положительного числа N,
хранящегося в A-разрядном машинном слове, необходимо:
1) перевести число N в двоичную систему счисления;
2) полученный результат дополнить слева незначащими ну-
лями до к разрядов.
Пример 1.77. Получить внутреннее представление целого
числа 1607 в двухбайтовой ячейке.
Решение. Переведем число в двоичную систему: (1607) 1() -
- (11001000111)2. Внутреннее представление этого числа в ячейке
будет следующим:
0000 ОНО 0100 0111.
Для записи внутреннего представления целого отрицательно-
го числа (-N) необходимо:
I) получить внутреннее представление положительного числа /V;
2) обратный код этого числа получается заменой 0 на 1
и 1 на 0;
3) к полученному числу прибавить 1.
Пример 1.78. Получить внутреннее представление целого
отрицательного числа -1607.
Решение. Воспользуемся результатом предыдущего приме-
ра и запишем внутреннее представление положительного числа
1607: 0000 ОНО 0100 0111. Инвертированием получим обратный
код: 1111 1001 1011 1000. Добавим единицу: 1111 1001 1011 1001 -
получим внутреннее двоичное представление числа -1607.
Формат с плавающей точкой использует представление веще-
ственного числа R в виде произведения мантиссы т на основа-
114
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
ние системы счисления п в некоторой целой степени р, которую
называют порядком:
R- т • пр.
Представление числа в форме с плавающей точкой неодно-
значно. Например, справедливы следующие равенства:
12.345 = 0.0012345 - 104 = 1234.5 • 1 (Г2 = 0.12345 102.
Чаще всего в ЭВМ используют нормализованное представле-
ние числа в форме с плавающей точкой. Мантисса в таком пред-
ставлении должна удовлетворять условию:
0.1р < т < 1/Г
Иначе говоря, мантисса меньше единицы и первая значащая
цифра — не нуль (р — основание системы счисления).
В памяти компьютера мантисса представляется как целое
число, содержащее только значащие цифры (нуль целых и запя-
тая не хранятся), так для числа 12.345 в ячейке памяти, отведен-
ной для хранения мантиссы, будет сохранено число 12 345. Для
однозначного восстановления исходного числа остается сохра-
нить только его порядок, в данном случае порядок равен двум.
Кодирование текста. Множество символов, используемых при
записи текста, называется алфавитом. Количество символов в ал-
фавите называется его мощностью. Для представления тексто-
вой информации в компьютере чаще всего используется алфавит
мощностью 256 символов. Один символ из такого алфавита несет
8 бит информации, так как 28 = 256. Но 8 бит составляют 1 байт,
следовательно, двоичный код каждого символа занимает 1 байт
памяти ПЭВМ.
Все символы такого алфавита пронумерованы от 0 до 255,
а каждому номеру соответствует 8-разрядный двоичный код
от 00000000 до 11111111. Этот код является порядковым номе-
ром символа в двоичной системе счисления.
Для разных типов ЭВМ и операционных систем используют-
ся различные таблицы кодировки, отличающиеся порядком раз-
мещения символов алфавита в кодовой таблице. Международ-
ным стандартом на персональных компьютерах является уже
упоминавшаяся таблица кодировки ASCII.
Принцип последовательного кодирования алфавита заключает-
ся в том, что в кодовой таблице ASCII латинские буквы (про-
1.4. Системы счисления
115
писные и строчные) располагаются в алфавитном порядке. Рас-
положение цифр также упорядочено по возрастанию значений.
Стандартные в этой таблице — только первые 128 симво-
лов, т. е. символы с номерами от 0 (двоичный код 00000000) до
127 (01111111). Сюда входят буквы латинского алфавита, циф-
ры, знаки препинания, скобки и некоторые другие символы.
Остальные 128 кодов, начиная со 128 (двоичный код 10000000)
и кончая 255 (11111111), используются для кодировки букв на-
циональных алфавитов, символов псевдографики и научных
символов.
Кодирование графической информации. В видеопамяти нахо-
дится двоичная информация об изображении, выводимом на эк-
ран. Почти все создаваемые, обрабатываемые или просматривае-
мые с помощью компьютера изображения можно разделить на
две большие части — растровую и векторную графику.
Растровые изображения представляют собой однослойную
сетку точек, называемых пикселями (англ, picture element, pixel).
Код пикселя содержит информации о его цвете. Для черно-бело-
го изображения (без полутонов) пиксель может принимать толь-
ко два значения: белый и черный, а для его кодирования доста-
точно одного бита памяти: 1 — белый, 0 — черный.
Пиксель на цветном мониторе может иметь различную окра-
ску, поэтому одного бита на пиксель недостаточно. Для кодиро-
вания четырехцветного изображения требуются два бита на пик-
сель, так как два бита могут принимать четыре различных со-
стояния. При этом может быть использован следующий вариант
кодировки цветов: 00 — черный, 10 — зеленый, 01 — красный,
11 — коричневый.
На RGB-мониторах все разнообразие цветов получается
сочетанием базовых цветов — красного (Red), зеленого (Green),
синего (Blue), из которых можно получить восемь основных ком-
бинаций (табл. 1.32).
Разумеется, если иметь возможность управлять интенсивно-
стью (яркостью) свечения базовых цветов, то количество различ-
ных вариантов их сочетаний, порождающих разнообразные от-
тенки, увеличивается. Количество различных цветов — К и ко-
личество битов для их кодировки — N связаны между собой
простой формулой: 2N - К.
В противоположность растровой графике векторное изобра-
жение многослойно. Каждый элемент векторного изображения —
линия, прямоугольник, окружность или фрагмент текста — рас-
116
Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
Таблица 1.32. Таблица комбинаций цветов
R G в Цвет
0 0 0 Черный
0 0 1 Синий
0 1 0 Зеленый
0 1 1 Голубой
1 0 0 Красный
1 0 1 Розовый
1 1 0 Коричневый
1 1 1 Белый
полагается в своем собственном слое, пиксели которого устанав-
ливаются независимо от других слоев. Каждый элемент векторно-
го изображения является объектом, который описывается с помо-
щью специального языка (математических уравнений линий, дуг,
окружностей и т. д.). Сложные объекты (ломаные линии, различ-
ные геометрические фигуры) представляются в виде совокупно-
сти элементарных графических объектов (примитивов).
Объекты векторного изображения в отличие от растровой
графики могут изменять свои размеры без потери качества (при
увеличении растрового изображения увеличивается зернистость).
Кодирование звука. Из курса физики известно, что звук —
это колебания воздуха. Если преобразовать звук в электрический
сигнал (например, с помощью микрофона), мы увидим плавно
изменяющееся с течением времени напряжение. Для компью-
терной обработки такой аналоговый сигнал нужно преобразо-
вать в последовательность двоичных чисел.
Поступим следующим образом. Будем измерять напряжение
через равные промежутки времени и записывать полученные
значения в память компьютера. Этот процесс называется дискре-
тизацией (или оцифровкой), а устройство, выполняющее его, —
аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
Для того чтобы воспроизвести закодированный таким обра-
зом звук, нужно выполнить обратное преобразование (для него
служит цифро-аналоговый преобразователь — ЦАП), а затем сгла-
дить получившийся ступенчатый сигнал.
Чем выше частота дискретизации (т. с. количество отсчетов за
секунду) и чем больше разрядов отводится для каждого отсчета,
1.4. Системы счисления
117
тем точнее будет представлен звук. Но при этом увеличивается и
размер звукового файла. Поэтому в зависимости от характера зву-
ка, требований, предъявляемых к его качеству и объему занимае-
мой памяти, выбирают некоторые компромиссные значения.
Описанный способ кодирования звуковой информации дос-
таточно универсален, он позволяет представить любой звук и
преобразовывать его самыми разными способами.
Человек издавна использует довольно компактный способ
представления музыки — нотную запись. В ней специальными
символами указывается, какой высоты звук, на каком инстру-
менте и как сыграть. Фактически ее можно считать алгоритмом
для музыканта, записанным на особом формальном языке.
В 1983 г. ведущие производители компьютеров и музыкальных
синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систе-
му кодов, — он получил название MIDI. Конечно, такая система
кодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она го-
дится только для инструментальной музыки. Но есть у нее и не-
оспоримые преимущества: чрезвычайно компактная запись, ес-
тественность для музыканта (практически любой MIDI-редактор
позволяет работать с музыкой в виде обычных нот), легкость за-
мены инструментов, изменения темпа и тональности мелодии.
Заметим, что существуют и другие, чисто компьютерные,
форматы записи музыки. Среди них следует отметить формат
MP3, позволяющий с очень высокими качеством и степенью
сжатия кодировать музыку. При этом вместо 18—20 музыкаль-
ных композиций на стандартный компакт-диск (CD-ROM) по-
мещается около 200. Одна песня занимает примерно 3,5 Мбайт,
что позволяет пользователям сети Интернет легко обмениваться
музыкальными композициями.
1.4.4. Экономичность системы счисления
Число в системе счисления рек разрядами, очевидно, будет
иметь наибольшее значение в том случае, если все цифры числа
окажутся максимальными, т. е. равными (р - 1). Тогда
(Zp)тт = (р-1).(р-1) = рк -1.
к цифр
Количество разрядов числа при переходе от одной системы
счисления к другой в общем случае меняется. Очевидно, если
118 Глава 1. Информационно-логические основы ЭВМ
р = qa (о — необязательно целое), то (Z^)1"14 = pk - 1 = qak - 1, т. е.
количество разрядов числа в системах счисления р и q будет раз-
личаться в с раз. Очевидно соотношение:
ст_ log?
log Я
При этом основание логарифма никакого значения не имеет,
поскольку о определяется отношением логарифмов.
Под экономичностью системы счисления будем понимать то
количество чисел, которое можно записать в данной системе с
помощью определенного количества цифр. Речь в данном случае
идет не о количестве разрядов, а об общем количестве сочетаний
цифр, которые интерпретируются как различные числа.
Пусть в нашем распоряжении имеется 12 цифр. Мы можем
разбить их на шесть групп по две цифры (0 и 1) и получить
шестиразрядное двоичное число; общее количество таких чисел
равно 26.
Можно разбить заданное количество цифр на четыре группы
по три цифры и воспользоваться троичной системой счисле-
ния — в этом случае общее количество различных их сочетаний
составит З4. Аналогично можно произвести другие разбиения;
при этом число групп определит разрядность числа, а количест-
во цифр в группе — основание системы счисления. Результаты
различных разбиений можно проиллюстрировать табл. 1.33.
Таблица 1.33. Результаты разбиений
Основание системы счисления (р) Разрядность числа (к) Общее количество различных чисел (N)
2 6 26 = 64
3 4 З4 = 81
4 3 43 = 64
6 2 62 = 36
Из приведенных оценок видно, что наиболее экономичной
оказывается троичная система счисления, причем результат бу-
дет тем же, если исследовать случаи с другим исходным количе-
ством цифр.
1.4. Системы счисления
119
Пусть имеется п знаков для записи чисел, а основание сис-
темы счисления р. Тогда количество разрядов числа к = п/р, а
общее количество чисел (Af), которые могут быть составлены,
равно:
N = рпр.
Если считать JV(p) непрерывной функцией, то можно найти
то значение рт, при котором N принимает максимальное значе-
ние. Функция имеет вид, представленный на рис. 1.38.
Рис. 1.38. Зависимость количества чисел от основания
системы счисления
После преобразований получаем lnp= 1, или рт = е, где
е = 2,71828... — основание натурального логарифма. Ближайшее
к е целое число, очевидно, 3 — по этой причине троичная систе-
ма счисления оказывается самой экономичной для представле-
ния чисел. В 1960-х гг. в нашей стране была построена вычисли-
тельная машина «Сетунь», которая работала в троичной системе
счисления. Предпочтение все же отдается двоичной системе, по-
скольку по экономичности она оказывается следующей за тро-
ичной, а технически реализуется гораздо проще остальных. Та-
ким образом, простота технических решений оказывается не
единственным аргументом в пользу применения двоичной сис-
темы в компьютерах.
120
Глава 7. Информационно-логические основы ЭВМ
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятия ЭВМ.
2. Объясните понятие структуры. Перечислите типы структурных
средств.
3. Что включает понятие «архитектура ЭВМ»?
4. Перечислите принципы архитектурного и структурного построения
ЭВМ.
5. Перечислите технические характеристики ЭВМ и поясните их.
6. Укажите основной принцип построения ЭВМ.
7. Дайте определение понятиям «алгоритм» и «программа».
8. Перечислите базовые компоненты ЭВМ архитектуры фон Неймана.
9. В чем заключается стандарт (фон Неймана) построения ЭВМ?
10. Опишите структурную схему ЭВМ первого и второго поколений.
11. Опишите структурную схему ЭВМ третьего поколения.
12. Опишите структурную схему ЭВМ четвертого поколения.
13. Перечислите стандартные элементы структуры современной ЭВМ.
14. Поясните многопрограммный (мультипрограммный) режим ЭВМ.
15. Перечислите этапы подготовки и решения задач на ЭВМ.
16. Опишите схемы ручной и автоматической обработки информации.
17. Опишите структурную схему ЭВМ. Какие основные блоки входят
в состав ЭВМ?
18. Укажите функциональное назначение частей ЭВМ.
19. Приведите иерархию запоминающих устройств ПК и поясните их на-
значение.
20. Приведите определение интерфейса. Что такое системная шина?
21. Что такое центральный процессор? Каковы его состав и основные
функции?
22. Что такое система счисления?
23. Дайте определение позиционной и непозиционной систем счисления,
основания системы счисления.
24. Опишите правила арифметических операций в двоичной и восьмерич-
ной системах счисления.
25. Перечислите формы и коды представления чисел в ЭВМ.
26. Приведите формы представления двоичных чисел в ЭВМ.
27. Что такое дополнительный код числа, как он получается?
28. Что такое информация? Опишите способы представления информации
и перечислите ее свойства.
1.4. Системы счисления
121
29. Дайте определение понятиям «алфавит» и «кодирование». Опишите
способы формирования видеоизображения в ЭВМ.
30. Как представляются числа в форме с фиксированной и плавающей за-
пятой?
31. Что такое: бит, байт, килобайт, мегабайт?
32. Чем определяется быстродействие запоминающего устройства при
считывании информации?
33. Какое из запоминающих устройств в составе ЭВМ обладает наиболее
высоким быстродействием?
34. Какое из запоминающих устройств в составе ЭВМ обладает наиболь-
шей емкостью?
35. Чем определяется быстродействие запоминающего устройства при
записи информации?
36. Чем определяется емкость памяти?
37. Назовите основные факторы, влияющие на производительность ПК.
Глава 2
ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ
Существующие типы ЭВМ выпускаются семействами, в ко-
торых различают старшие и младшие модели, где 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, т. е. программы, разработанные для
ранних и младших моделей, могут обрабатываться и на старших,
но не обязательно наоборот. Модульность структуры ЭВМ тре-
бует стандартизации и унификации оборудования, номенклату-
ры 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
эксплуатационных характеристик ЭВМ, росту технологичности
их производства.
Децентрализация управления предполагает иерархическую ор-
ганизацию структуры ЭВМ. Централизованное управление осу-
ществляет устройство управления главного, или центрального,
процессора. Подключаемые к центральному процессору модули
могут, в свою очередь, использовать специальные шины или ма-
гистрали для обмена управляющими сигналами, адресами и дан-
ными. Результаты выполнения требуемых операций представля-
ются ими «вверх по иерархии» для правильной координации
всех работ. Иерархический принцип построения и управления
характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для от-
дельных ее подсистем.
2.1. Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ
123
По этому же принципу строится система памяти ЭВМ. Так,
с точки зрения пользователя желательно иметь в ЭВМ оператив-
ную память большой информационной емкости и высокого бы-
стродействия. Однако одноуровневое построение памяти не по-
зволяет одновременно удовлетворять этим двум противоречивым
требованиям, поэтому память современных ЭВМ строится по
многоуровневому, пирамидальному принципу. Организация об-
мена информационными потоками между запоминающими уст-
ройствами различных уровней при децентрализованном управле-
нии ими позволяет рассматривать иерархию памяти как единую
абстрактную кажущуюся (виртуальную) память.
Часть машинных программ, обеспечивающих автоматиче-
ское управление вычислениями, может размещаться в постоян-
ном запоминающем устройстве (ПЗУ). На более низких уровнях
иерархии находятся внешние запоминающие устройства на маг-
нитных носителях: на жестких и гибких магнитных дисках, маг-
нитных лентах, магнитооптических дисках и др.
Современные ЭВМ работают в сложных многопрограммных
(мультипрограммных) режимах, т. е. одновременно могут обра-
батывать несколько программ пользователей.
В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обра-
ботка является кажущейся. Она предполагает параллельную ра-
боту отдельных устройств, задействованных в вычислениях по
различным задачам пользователей.
В ЭВМ или вычислительных системах, имеющих несколько
процессоров обработки, автоматическое управление вычисле-
ниями предполагает усложнение структуры за счет включения в
ее состав систем и блоков, разделяющих различные вычисли-
тельные процессы друг от друга, исключающие возможность
возникновения взаимных помех и ошибок (системы прерываний
и приоритетов, защиты памяти).
2.1. Магистрально-модульный принцип
организации ЭВМ
Модульность построения предполагает выделение в структуре
ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно
законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель
на жестком или гибком магнитном диске). Модульная конструк-
124
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
ция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и
совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные
устройства, улучшая ее технические и экономические показате-
ли. Появляется возможность увеличения вычислительной мощ-
ности, улучшения структуры путем замены отдельных устройств
на более совершенные, изменения и управления конфигурацией
системы, приспособления ее к конкретным условиям примене-
ния в соответствии с требованиями пользователей.
Главный принцип построения современных ЭВМ — это про-
граммное управление, в основе которого лежит представление
алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.
Стандартом для построения практически всех электронно-вы-
числительных машин стал способ, описанный Дж. фон Нейма-
ном в 1945 г. при построении первых образцов ЭВМ.
Суть его заключается в следующем.
1. Принцип программного управления, согласно которому про-
грамма состоит из набора команд, которые выполняются процес-
сором друг за другом в определенной последовательности.
2. Принцип однородности памяти, согласно которому про-
граммы и данные хранятся в одной и той же памяти.
3. Принцип адресности, согласно которому основная память
состоит из перенумерованных ячеек и процессору в любой мо-
мент времени доступна любая ячейка.
Исходя из этого, были определены основные составные час-
ти вычислительной машины:
• арифметико-логическое устройство, выполняющее ариф-
метические и логические операции;
• устройство управления, которое организует процесс выпол-
нения программ;
• запоминающее устройство (или память) для хранения про-
грамм и данных, которое состоит из пронумерованных яче-
ек, легко доступных для других устройств компьютера;
• внешнее устройство для ввода-вывода информации.
Каждый тип информации имеет форматы — структурные еди-
ницы информации. Обычно все форматы данных, используемые
в ЭВМ, кратны байту, т. е. состоят из целого числа байтов. После-
довательность битов в формате, имеющая определенный смысл,
называется полем. Например, в каждой команде программы раз-
личают поле кода операций, поле адресов операндов. Примени-
тельно к числовой информации выделяют знаковые разряды,
поле значащих разрядов чисел, старшие и младшие разряды.
2.1. Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ
125
Для больших ЭВМ размер слова составляет 4 байта, для пер-
сональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ) —
2 байта. В качестве структурных элементов информации разли-
чают также полуслово, двойное слово и др.
Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управле-
ния, определяется исходя из этапов последовательных преобра-
зований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму
(программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поко-
лений представлена на рис. 2.1.
Программы и исходные
данные
Рис. 2.1. Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений
В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв),
с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы ре-
шаемых задач и данные к ним. Введенная информация полно-
стью или частично сначала запоминается в оперативном запоми-
нающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запо-
минающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного
хранения информации, где преобразуется в специальный про-
граммный объект — файл (наименьшая единица хранения дан-
ных). Файлы находятся вне программы во внешней памяти и
доступны программе посредством специальных операций. При
использовании файла в вычислительном процессе его содержи-
мое переносится в ОЗУ. Затем программная информация коман-
да за командой считывается в устройство управления (УУ), пред-
назначенное для автоматического выполнения программ путем
принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ.
Цепи сигналов управления показаны на рис. 2.1 пунктирными
линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устрой-
ством управления: определяются код операции, которую необхо-
димо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих
участие в данной операции.
126
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
В зависимости от количества используемых в команде опе-
рандов различаются одно-, двух-, трех- и безадресные команды.
В одноадресных командах указывается, где находится один из
двух обрабатываемых операндов. Другой операнд должен быть
помещен заранее в арифметическое устройство (для этого в сис-
тему команд вводятся специальные команды пересылки данных
между устройствами). Двухадресные команды содержат указания
о двух операндах, размещаемых в памяти (или в регистрах и па-
мяти). После выполнения команды в один из этих адресов засы-
лается результат, а находившийся там операнд теряется. В трех-
адресных командах обычно два адреса указывают, где находятся
исходные операнды, а третий — куда необходимо поместить ре-
зультат. В безадресных командах, как правило, обрабатывается
один операнд, который до и после операции находится на одном
из регистров арифметико-логического устройства (АЛУ). Кроме
того, безадресные команды используются для выполнения слу-
жебных операций (очистить экран, заблокировать клавиатуру,
снять блокировку и др.).
Все команды программы выполняются последовательно, ко-
манда за командой, в том порядке, как они записаны в памяти
ЭВМ (естественный порядок следования команд). Этот порядок
характерен для линейных программ, т. е. программ, не содержа-
щих разветвлений. Для организации ветвлений используются
команды, нарушающие естественный порядок следования
команд. Отдельные признаки результатов г (г=0, г<0, г>0 и
др.) устройство управления использует для изменения порядка
выполнения команд программы.
Арифметико-логическое устройство выполняет арифметиче-
ские и логические операции над данными. Основная часть
АЛУ — операционный автомат, состоящий из сумматоров, счет-
чиков, регистров, логических преобразователей, который каж-
дый раз перенастраивается на выполнение очередной операции.
Результаты отдельных операций сохраняются для последующего
использования на одном из регистров АЛУ или записываются в
память. Результаты, полученные после выполнения всей после-
довательности вычислений, передаются на устройства вывода
(УВыв) информации. В качестве УВыв может использоваться эк-
ран дисплея, принтер, графопостроитель и др.
Современные ЭВМ обладают достаточно развитыми систе-
мами машинных операций. Например, ЭВМ типа IBM PC име-
ют около 200 различных операций (170—230 в зависимости от
2.1. Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ 127
типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по
определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соот-
ветствующей последовательностью сигналов управления (микро-
команд). Каждая микрокоманда — это простейшее преобразова-
ние данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи
информации и т. п.
Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности
широко применялось совмещение операций. При этом последо-
вательные фазы выполнения команд программы (формирование
адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции,
отсылка результата) осуществлялись функциональными блока-
ми. Они образовывали своеобразный конвейер, а их параллель-
ная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого бло-
ка команд. Этот принцип получил развитие в ЭВМ следующих
поколений. ЭВМ первого и второго поколений имели очень
сильную централизацию управления, единые стандарты форма-
тов команд и данных, жесткое построение циклов выполнения
операций, что объясняется ограниченными возможностями
элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вы-
числительные операции, но и операции ввода-вывода, пересы-
лок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степе-
ни упростить аппаратуру ЭВМ, но сдерживало рост их произво-
дительности.
В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структу-
ры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и ее
обработки (рис. 2.2). Сильносвязанные устройства АЛУ и УУ
получили название процессор, т. е. устройство, предназначенное
Рис. 2.2. Структурная схема ЭВМ третьего поколения
128
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
для обработки данных. В схеме ЭВМ появились также дополни-
тельные устройства, которые имели названия: процессоры вво-
да-вывода, устройства управления обменом информацией, кана-
лы ввода-вывода (КВВ).
В больших ЭВМ наметилась тенденция к децентрализации
управления и параллельной работе отдельных устройств, что по-
зволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.
Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные ка-
налы, способные обслуживать большое количество медленно ра-
ботающих УВВ, и селекторные каналы, обслуживающие в мно-
гоканальных режимах скоростные ВЗУ.
В персональных ЭВМ (ПЭВМ), относящихся к ЭВМ четвер-
того поколения, произошло дальнейшее изменение структуры
(рис. 2.3).
Рис. 2.3. Структурная схема ПЭВМ
Соединение всех устройств в ПЭВМ обеспечивается с помо-
щью общей шины, представляющей собой линии передачи дан-
ных, 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.
Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), со-
стоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего
устройства (ПЗУ), которое предназначено для записи и постоян-
ного хранения наиболее часто используемых программ управле-
ния. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), монитора
2.1. Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ
129
(дисплея), клавиатуры, ВЗУ обеспечивается через соответствую-
щие адаптеры — согласователи скоростей работы сопрягаемых
устройств или контроллеры — специальные устройства управле-
ния периферийной аппаратурой. Контроллеры в ПЭВМ 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 ПЭВМ — достаточно ло-
гичный и естественный стандарт для данного класса ЭВМ. Де-
централизация построения и управления вызвала к жизни та-
кие элементы, которые являются общим стандартом структур
современных ЭВМ: модульность построения, магистральность
и иерархия управления.
В состав процессоров может входить сверхоперативное запо-
минающее устройство небольшой емкости, образованное не-
сколькими десятками регистров с быстрым временем доступа.
Здесь обычно хранятся данные, непосредственно используемые в
обработке.
Кэш-память, или память блокнотного типа, представляет со-
бой буферное запоминающее устройство, предназначенное для
хранения активных страниц объемом десятки и сотни килобайт.
Время обращения к данным составляет 10—20 нс, и при этом
может использоваться ассоциативная выборка данных. Кэш-па-
мять, как более быстродействующая ЗУ, предназначается для ус-
корения выборки команд программы и обрабатываемых данных,
сами же программы пользователей и данные к ним размещаются
в оперативном запоминающем устройстве.
Согласованная работа всех уровней обеспечивается под
управлением программ операционной системы. Пользователь
имеет возможность работать с памятью, намного превышающей
емкость ОЗУ.
Все приведенные структуры объединяют следующие признаки:
• ядро ЭВМ образует процессор — единственный вычисли-
тель в структуре, дополненный каналами обмена информа-
цией и памятью;
• линейная организация ячеек всех видов памяти фиксиро-
ванного размера;
• одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая разли-
чия между всеми типами информации;
130
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
• внутренний машинный язык низкого уровня, при котором
команды содержат элементарные операции преобразования
простых операндов;
• последовательное централизованное управление вычисле-
ниями;
• достаточно примитивные возможности устройств ввода-
вывода.
В соответствии с принципами фон Неймана для работы ком-
пьютера необходимы следующие устройства:
• АЛУ, выполняющее арифметические и логические опе-
рации;
• УУ, которое организует процесс выполнения программ;
• ЗУ, или память, для хранения программ и данных;
• УВВ для ввода-вывода информации;
• пульт управления (ПУ).
Несмотря на достигнутые успехи, классическая структура
ЭВМ не обеспечивает возможностей дальнейшего увеличения
производительности. В ней наметился кризис, обусловленный
рядом существенных недостатков:
• плохо развитые средства обработки нечисловых данных
(структур, символов, предложений, графических образов,
звуков, больших массивов данных и др.);
• несоответствие машинных операций операторам языков
высокого уровня;
• примитивная организация памяти ЭВМ;
• низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допус-
кающих параллельную обработку, и т. п.
Все эти недостатки приводят к чрезмерному усложнению
комплекса программных средств, используемого для подготовки
и решения задач пользователей. В ЭВМ будущих поколений, с
примененным в них искусственным интеллектом, предполагает-
ся дальнейшее усложнение структуры. В первую очередь это со-
вершенствование процессов общения пользователей с ЭВМ (ис-
пользование аудиовидеоинформации, систем мультимедиа и
др.), обеспечение доступа к базам данных и базам знаний, орга-
низация параллельных вычислений. Всему этому должны соот-
ветствовать новые параллельные структуры с новыми принципа-
ми их построения.
Параллельные компьютеры подразделяются на следующие
типы (табл. 2.1): массивно-параллельные системы (МРР), сим-
метричные мультипроцессорные системы (SMP), системы с не-
2.7. Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ 131
однородным доступом к памяти (NUMA) и параллельные век-
торные системы (PVP).
Таблица 2.1. Классификация паралелльных компьютеров
Тип систем Описание систем Примеры
архитектура масштабируемость
Массив- Система состоит из од- Общее число про- IBM RS/6000 SP2,
но-парал- неродных вычислитель- цессоров в peajib- Intel PARAGON/
дельные сис- ных узлов, включающих: ных системах дос- ASCI Red, CRAY
темы (МРР) • один или несколько цен1ральных процессо- ров (обычно RISC); • локальную память (прямой доступ к памя- ти других узлов невоз- можен); • коммуникационный процессор или сетевой адаптер. К системе могут быть добавлены специальные узлы ввода-вы вода и управляющие узлы, свя- занные через некоторую коммуникационную сре- ду (высокоскоростную сеть, коммутатор и т. п.) тигает нескольких тысяч (ASCI Red, Blue Mountain) T3E. Hitachi SR8000, транс- пьютерные сис- темы Parsytec
Симметрии- Система состоит из не- Наличие общей HP 9000 V-class,
ные мульти- скольких однородных памяти значитель- N-class;
процессор- процессоров и массива но упрощает взаи- SMP-серверы и
ные системы общей памяти (обычно моденствие про- рабочие станции
(SMP) из нескольких независи- мых блоков). Все про- цессоры имеют доступ к любой точке памяти с одинаковой скоростью. Процессоры подключены к памяти либо с помо- щью общей шины (базо- вые 2—4-процессорные SMP-серверы), либо с помощью crossbar-ком- мутатора (HP 9000) цессоров между собой, однако на- кладывает ограни- чения на их чис- ло — не более 32 на базе процес- соров Intel IBM, HP, Compaq. Dell, ALR, Unisys, DG, Fujitsu
132
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
Продолжение табл. 2.1
Тип систем Описание систем Примеры
архитектура масштабируемость
Системы с неоднород- ным досту- пом к памяти (NUMA) Система состоит из од- нородных базовых моду- лей (плат), состоящих из небольшого числа про- цессоров и блока памяти. Модули объединены с помощью высокоскоро- стного коммутатора. Поддерживается единое адресное пространство, аппаратно поддерживает- ся доступ к удаленной памяти, т. е. к памяти других модулей Масштабируе- мость NUMA-сис- тем ограничивает- ся объемом адрес- ного пространства, возможностями аппаратуры под- держки когерент- ности кэшей и возможностями операционной сис- темы по управле- нию большим чис- лом процессоров. Максимальное число процессоров в NUMA-системах составляет 256 (0rigin2000) HP 9000 V-class в SCA-конфигура- циях, SG1 0rigin2000, Sun НРС 10000, IBM/Sequent NUMA-Q 2000, SNJ RM600
Параллель- ные вектор- ные системы (PVP) Основной признак PVP-систем — наличие специальных вектор- но-конвейерных процес- соров, в которых преду- смотрены команды одно- типной обработки векторов независимых данных, эффективно вы- полняющиеся на конвей- ерных функциональных устройствах. Как правило, несколько таких процессоров (1 — 16) работают одно- временно над общей па- мятью (аналогично SMP-системам) в рамках многопроцессорных кон- фигураций NEC SX-4/SX-5, линия вектор- но-конвейерных компьютеров CRAY (CRAY-1, CRAY J90/T90, CRAY SV1, CRAY XI), серия Fujitsu VPP
2.1. Магистрально-модульный принцип организации ЭВМ
133
Окончание табл. 2.1
Описание ci Тип систем архитектура истем масштабируемость Примеры
Кластерные Набор рабочих станций системы (или ПК) общего назна- чения. применяется в ка- честве варианта массив- но-параллельного компь- ютера. Для связи узлов используется одна из стандартных сетевых тех- нологий (Fast/Gigabit Ethernet, Myrinet) на базе шинной архитектуры или коммутатора. При объединении в кла- стер компьютеров разной мощности или разной архитектуры говорят о гетерогенных (неодно- родных) кластерах. Узлы кластера могут одновре- менно использоваться в качестве пользователь- ских рабочих станций NT-кластер в NCSA, Beowulf-кластеры
Основной параметр классификации паралеллъных компьюте-
ров, использующих несколько процессоров в одной вычисли-
тельной системе, — наличие общей (SMP) или распределенной
памяти (МРР). Нечто среднее между SMP и МРР представляют
собой NUMA-архитектуры, где память физически распределена,
но логически общедоступна.
Кластерные системы — более дешевый вариант МРР. При
поддержке команд обработки векторных данных говорят о век-
торно-конвейерных процессорах, которые, в свою очередь, мо-
гут объединяться в PVP-системы с использованием общей или
распределенной памяти. Все большую популярность приобрета-
ют идеи комбинирования различных архитектур в одной системе
и построения неоднородных систем.
Быстродействие современных мощных вычислительных ма-
шин исчисляется десятками триллионов операций в секунду над
134
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
числами с плавающей запятой. Оценка производительности
ЭВМ всегда приблизительная, так как при этом ориентируются
на некоторые усредненные либо на конкретные виды операций.
Реально при решении различных задач используются и различ-
ные наборы операций, поэтому для характеристики ПЭВМ вме-
сто производительности обычно указывают тактовую частоту,
более объективно определяющую быстродействие машины, так
как каждая операция требует для выполнения определенного ко-
личества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точ-
но определить время выполнения любой машинной операции.
При отсутствии конвейерного выполнения команд тактовый
генератор с частотой 33 МГц обеспечивает выполнение 7 млн
коротких машинных операций (сложение и вычитание с фикси-
рованной запятой, пересылки информации и др.) в секунду;
с частотой 100 МГц — 20 млн коротких операций в секунду.
2.2. Классификации архитектур вычислительных
систем
Стремительное развитие науки, проникновение человече-
ской мысли во все новые области вместе с решением поставлен-
ных прежде проблем постоянно порождает поток вопросов и
ставит новые, как правило, более сложные, задачи. Во времена
первых компьютеров казалось, что увеличение их быстродейст-
вия в 100 раз позволит решить большинство проблем, однако ги-
гафлопная производительность современных суперЭВМ сегодня
явно недостаточна для многих ученых. Наиболее перспективное
и динамичное направление увеличения скорости решения при-
кладных задач — широкое внедрение идей параллелизма в рабо-
ту вычислительных систем.
К настоящему времени спроектированы и опробованы сотни
различных компьютеров, использующих в своей архитектуре тот
или иной вид параллельной обработки данных. В научной литера-
туре и технической документации можно найти более десятка раз-
личных названий, характеризующих лишь общие принципы
функционирования параллельных машин: векторно-конвейерные,
массивно-параллельные, компьютеры с широким командным сло-
вом, систолические массивы, гиперкубы, спецпроцессоры и муль-
типроцессоры, иерархические и кластерные компьютеры, архи-
тектуры параллельных вычислений, матричные ЭВМ и др.
2.2. Классификации архитектур вычислительных систем
135
Архитектурой компьютера называется его описание на неко-
тором общем уровне, включающее описание пользовательских
возможностей программирования, системы команд, системы ад-
ресации, организации памяти и т. д. Архитектура определяет
принципы действия, информационные связи и взаимное соеди-
нение основных логических узлов компьютера: процессора, опе-
ративного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств.
Наиболее распространены следующие архитектурные ре-
шения.
I . Классическая архитектура (архитектура Дж. фон Нейма-
на) — одно АЛУ.
2 . Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере
нескольких процессоров означает, что параллельно может быть
организовано много потоков данных и команд, т. е. могут вы-
полняться несколько фрагментов одной задачи.
3 . Многомашинная вычислительная система. Несколько про-
цессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют обшей
оперативной памяти, а каждый имеет свою локальную. Каждый
компьютер в многомашинной системе имеет классическую архи-
тектуру, и такая система применяется достаточно широко. Одна-
ко эффект от применения многомашинной системы может быть
получен только при решении задач, имеющих специальную
структуру, которая должна разбиваться на столько слабосвязан-
ных подзадач, сколько компьютеров в системе.
Классификация помогает разобраться с тем, что представляет
собой каждая архитектура, как они взаимосвязаны между собой,
что необходимо учитывать для написания действительно эффек-
тивных программ или на какой класс архитектур следует ориен-
тироваться для решения требуемого класса задач. Одновременно
удачная классификация могла бы подсказать возможные пути со-
вершенствования компьютеров, и в этом смысле она должна
быть достаточно содержательной.
Классическая архитектура (фон-неймановская) — это одно-
процессорный компьютер, в котором все функциональные бло-
ки связаны между собой общей шиной, называемой также сис-
темной магистралью (рис. 2.4).
Функции процессора команд во многом схожи с функциями
устройств управления последовательных машин и сводятся к
следующим:
• на основе своего состояния и полученной от процессора
данных (DP) информации процессор команд (IP) опре-
136
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
Рис. 2.4. Общая схема компьютера
деляет адрес команды, которая будет выполняться сле-
дующей;
• осуществляет доступ к запоминающим устройствам (1М)
для выборки команды;
• получает и декодирует выбранную команду;
• сообщает процессору данных команду, которую надо вы-
полнить;
• определяет адреса операндов и посылает их в процессор
данных;
• получает от процессора данных информацию о результате
выполнения команды.
В терминах таким образом определенных основных частей
компьютера структура традиционной фон-неймановской архи-
тектуры имеет вид, показанный на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Структура традиционной фон-неймановской архитектуры: DP — про-
цессор данных; IP — процессор команд
2.2. Классификации архитектур вычислительных систем
137
Существуют следующие классификации архитектур вычис-
лительных систем: Флинна, Фенга, Хокни, Шнайдера, Скилли-
корна и Дункана.
Классификация Флинна. Самая ранняя и наиболее извест-
ная — классификация архитектур вычислительных систем, пред-
ложенная в 1966 г. М. Флинном. Классификация базируется на
понятии потока, под которым понимается последовательность
элементов, команд или данных, обрабатываемых процессором.
Флинн выделяет четыре класса архитектур на основе числа пото-
ков команд и данных (табл. 2.2): ОКОД (SISD), ОКМД (SIMD),
МКОД (MISD) и МКМД (MIMD).
Таблица 2.2. Классы архитектур
Класс
Характеристика
ОКОД (SISD) — одиночные потоки команд и
данных. К этому классу относятся классические
ЭВМ фон-неймановского типа, например
PDP-II или VAX 11/780. В таких ЭВМ имеется
только один поток команд, все команды обраба-
тываются последовательно друг за другом и каж-
дая команда инициирует одну операцию с одним
потоком данных
ОКМД (SIMD) — одиночный поток команд и
множественный поток данных. В архитектурах
подобного рода сохраняется один поток команд,
включающий векторные команды. Это позволяет
выполнять одну арифметическую операцию сразу
над многими данными — элементами вектора
МКОД (MISD) — множественный поток команд
и одиночный поток данных, что подразумевает
наличие в архитектуре множества процессоров,
обрабатывающих один и тот же поток данных
МКМД (MIMD) — множественные потоки
команд и данных. Этот класс ЭВМ предполагает,
что в вычислительной системе имеется несколь-
ко устройств обработки команд, объединенных в
комплекс и работающих каждое со своим пото-
ком команд и данных
Предложенная схема классификации — самая распростра-
ненная при характеристике того или иного компьютера. Если
говорится, что компьютер принадлежит классу ОКМД (SIMD)
138
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
или МКМД (MIMD), то сразу становится понятным базовый
принцип его работы.
В архитектуру класса ОКОД (SISD) входят последовательные
однопроцессорные компьютеры, например на базе Intel 80486.
Бесспорными представителями класса ОКМД (SIMD) счита-
ются матрицы процессоров: ILLIAC IV, ICL DAP, Goodyear
Aerospace МРР, Connection Machine 1 и т. п. Данный класс чрез-
вычайно популярен в системах: Intel MMX/SSE/SSE2, AMD
3DNow, SPARC VIS.
Класс МКМД (MIMD) чрезвычайно широк, поскольку
включает всевозможные мультипроцессорные системы: C.mmp,
CRAY Y-MP, Denelcor HEP, BBN Butterfly, Intel Paragon, CRAY
T3D и многие др.
Классификация Фенга. Т. Фенг в 1972 г. предложил класси-
фицировать вычислительные системы на основе двух простых ха-
рактеристик. Первая — число бит (и) в машинном слове, обраба-
тываемых параллельно при выполнении машинных инструкций.
Практически во всех современных компьютерах это число совпа-
дает с длиной машинного слова. Вторая характеристика равна
числу слов (т), обрабатываемых одновременно данной вычисли-
тельной системой.
Немного изменив терминологию, функционирование любого
компьютера можно представить как параллельную обработку би-
товых слоев, на каждом из которых независимо преобразуется оп-
ределенное количество бит. Опираясь на такую интерпретацию,
вторую характеристику обычно называют шириной битового слоя.
Если рассмотреть предельные верхние значения данных ха-
рактеристик, то каждую вычислительную систему С можно опи-
сать парой чисел (л, т) и представить точкой на плоскости в
системе координат: длина слова — ширина битового слоя. Пло-
щадь прямоугольника со сторонами п и т определяет интеграль-
ную характеристику потенциала параллельности Р архитектуры и
носит название максимальной степени параллелизма вычислитель-
ной системы:
Р(С) = т • п.
Классификация Хокни. Р. Хокни разработал подход к класси-
фикации, введенной им для систематизации компьютеров, попа-
дающих в класс МКМД(М1МИ) по систематике Флинна. Хок-
ни, пытаясь систематизировать архитектуры внутри этого клас-
са, получил иерархическую структуру (рис. 2.6).
2.2. Классификации архитектур вычислительных систем
139
Рис. 2.6. Классификация Хокни
Множественный поток команд может быть обработан двумя
способами: либо конвейерным устройством обработки, работаю-
щим в режиме разделения времени для потоков, либо каждый
поток обрабатывается своим собственным устройством. Первая
возможность используется в МКМД (MIMD) компьютерах, ко-
торые Хокни называет конвейерными.
Архитектуры МКМД (M1MD), использующие вторую воз-
можность, в свою очередь, подразделяются на два подкласса:
• компьютеры, в которых возможна прямая связь каждого
процессора со всеми остальными, реализуемая с помощью
переключателя;
• компьютеры, в которых прямая связь каждого процессора
возможна только с ближайшими соседями по сети, а взаи-
модействие удаленных процессоров поддерживается специ-
альной системой маршрутизации через процессоры-посред-
ники.
Классификация Шнайдера. В 1988 г. Л. Шнайдер предложил
новый подход к описанию архитектур параллельных вычисли-
тельных систем, попадающих в класс ОКМД (SIMD) системати-
ки Флинна. Основная идея заключается в выделении этапов вы-
борки и непосредственно исполнения в потоках команд и дан-
ных. Именно разделение потоков на адреса и их содержимое
позволяет описать такие ранее «неудобные» для классификации
архитектуры, как компьютеры с длинным командным словом,
систолические массивы и др.
140
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
Классификация Скилликорна. В 1989 г. Д. Скилликорн разра-
ботал подход, пригодный для описания свойств многопроцес-
сорных систем и некоторых нетрадиционных архитектур.
Предлагается рассматривать архитектуру любого компьютера
как абстрактную структуру, состоящую из четырех компонентов:
• процессор команд (Instruction Processor — IP) — функцио-
нальное устройство, работающее как интерпретатор команд
(в системе, вообще говоря, может отсутствовать);
• процессор данных (Data Processor — DP) — функциональное
устройство, работающее как преобразователь данных в со-
ответствии с заданными арифметическими операциями;
• иерархия памяти (Instruction Memory — IM, Data Memory —
DM) — запоминающее устройство, в котором хранятся дан-
ные и команды, пересылаемые между процессорами;
• переключатель — абстрактное устройство, обеспечивающее
связь между процессорами и памятью.
В соответствии с выбранными терминами структуру архитек-
туры можно представить в следующем виде (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Условное изображение архитектуры Скилликорна: DP — процессор
данных; SW — переключатель; 1Р — процессор команд
Для описания параллельных вычислительных систем автор
зафиксировал четыре типа переключателей (SW):
• 1:1— переключатель такого типа связывает два функцио-
нальных устройства;
• п : п — переключатель связывает /-е устройство из одного
множества устройств с /-м устройством из другого множе-
ства, т. е. фиксирует попарную связь;
2.3. Программный принцип управления компьютером
141
• I : п — переключатель соединяет одно выделенное устрой-
ство со всеми функциональными устройствами из некото-
рого набора;
• п п — каждое функциональное устройство одного множе-
ства может быть связано с любым устройством другого
множества, и наоборот.
Классификация Дункана. Р. Дункан предлагает неформальное
определение параллельной архитектуры, причем именно нефор-
мальность позволила ему включить в данный класс компьютеры,
которые ранее не вписывались в систематику Флинна. Парал-
лельная архитектура — это такой способ организации вычисли-
тельной системы, при котором допускается, чтобы множество
процессоров (простых или сложных) могли бы работать одно-
временно, взаимодействуя друг с другом.
Все разнообразие параллельных архитектур Дункана приве-
дено на рис. 2.8.
Синхронные
--- Векторные
---- SIMD
--- Систолические
Матричные
С ассоциативной
памятью
СС распределенной памятью
С общей памятью
Машины,
использующие
идеи MIMD
---- MIMD/SIMD
--- Dataflow
--- Reduction
Wavefront
Рис. 2.8. Классификация параллельных архитектур Дункана
Практика показала, что каждая структура вычислительной
системы эффективно обрабатывает лишь задачи определенного
класса. Только в этом случае система обеспечивает максималь-
ную производительность.
2.3. Программный принцип управления
компьютером
Структура компьютера — это совокупность его функцио-
нальных элементов и связей между ними. Элементами могут
быть самые различные устройства — от простейших схем до ос-
новных логических узлов компьютера.
142
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
Структура компьютера графически представляется в виде
иерархической схемы с различными уровнями детализации.
Работу компьютера можно описать следующим образом.
Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в па-
мять компьютера вводится программа; устройство управления
считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая ин-
струкция (команда) программы, и организует ее выполнение.
Команда может задавать выполнение арифметических или логи-
ческих операций, чтение из памяти данных для этих операций
или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего
устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее
устройство.
Как правило, после выполнения одной команды устройство
управления начинает осуществлять команду из следующей ячей-
ки памяти, однако этот порядок может быть изменен с помощью
команд передачи управления (перехода). Эти команды указыва-
ют устройству управления, что следует продолжить выполнение
программы, начиная с команды, содержащейся в другой ячейке
памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может вы-
полняться не всегда, а только при соблюдении определенных ус-
ловий, например, если некоторые числа равны, если в результате
предыдущей арифметической операции получился нуль и т. д.
Это позволяет использовать одни и те же последовательности
команд в программе много раз (организовывать циклы), выпол-
нять их в зависимости от определенных условий, т. е. создавать
сложные программы. Таким образом, управляющее устройство
выполняет инструкции программы автоматически, без вмеша-
тельства человека. Оно может обмениваться информацией с опе-
ративной памятью и внешними устройствами компьютера.
Поскольку внешние устройства работают значительно мед-
леннее, чем остальные части компьютера, управляющее устрой-
ство может приостанавливать выполнение программы до завер-
шения операции ввода-вывода с внешним устройством.
Все результаты программы должны быть выведены на внеш-
ние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к
ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.
Устройство управления координирует взаимодействие раз-
личных частей ЭВМ.
Процессор (или микропроцессор) — основное устройство ЭВМ,
представляющее собой функционально законченное устройство
обработки информации. Микропроцессор — программно-управ-
2.3. Программный принцип управления компьютером
143
ляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для
обработки информации, построенное на одной или нескольких
БИС. Он предназначен для вычислений по хранящейся в запо-
минающем устройстве программе и обеспечения общего управ-
ления ЭВМ (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Схема основных устройств компьютера
Физически микропроцессор представляет собой большую
интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического
кремния прямоугольной формы площадью несколько квадрат-
ных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие
все функции процессора.
Примечание. Большая интегральная схема (БИС) — это сверхминиатюрная
электронная схема (микросхема), оформленная на полупроводниковой пластин-
ке площадью менее 1 см2, содержащая сотни и тысячи элементов (транзисторов,
диодов, резисторов, конденсаторов) и выполняющая определенные функции.
Компьютер — миниатюрная вычислительная машина, со-
стоящая из микропроцессора, запоминающего устройства, уст-
ройства ввода-вывода и блоков сопряжения с устройствами вво-
144 Глава 2. Принципы организации ЭВМ
да-вывода (или интерфейсов ввода-вывода). Перечисленные
компоненты компьютера связаны друг с другом с помощью сис-
темной магистрали, содержащей в общем случае магистрали ад-
ресов, данных и управления. В состав компьютера также входит
источник питания. Общая структурная схема микрокомпьютера
представлена на рис. 2.10.
Рис. 2.10. Общая структурная схема микрокомпьютера
Важнейшие характеристики процессора — разрядность, так-
товая частота и адресное пространство.
Микропроцессор, называемый иногда центральным процессо-
ром (ЦП) компьютера, выполняет следующие функции:
• управление и координация работы компонентов компью-
тера;
• выборка команд и обрабатываемых данных из памяти;
• декодирование команд;
• выполнение с помощью АЛУ арифметических, логических
и других операций, закодированных в командах;
• передача данных между микропроцессором и основной па-
мятью, а также между микропроцессором и устройствами
ввода-вывода;
• обработка сигналов, поступающих от устройств ввода-вы-
вода, в том числе сигналов прерывания.
2.3. Программный принцип управления компьютером
145
Приступая к написанию программ, программист должен уяс-
нить лишь те моменты, которые влияют на временные или ре-
сурсные характеристики программы. К ним относятся:
• форматы и системы команд микропроцессора;
• длительность выполнения команд;
• имена (или номера) программно-доступных регистров, т. е.
регистров, которые могут использоваться в составляемых
программах;
• длина разрядной сетки (разрядность);
• правила адресации внешних устройств и особенности вы-
полнения операций ввода-вывода;
• размер адресного пространства;
• схема обработки прерываний.
Перечисленные элементы образуют основу архитектуры мик-
ропроцессора и в совокупности представляют собой его модель с
точки зрения программиста.
При выполнении программы ЭВМ выбирает очередную
команду, расшифровывает ее, определяет, какие действия и над
какими операндами следует осуществить. Обращение к внутрен-
ней памяти ЭВМ выполняется с высоким быстродействием, но
она имеет ограниченный объем, определяемый системой адреса-
ции машины.
Взаимодействие процессора и памяти сводится в основном к
двум операциям: запись и чтение информации из памяти. При
записи процессор по специальным проводникам (шине адреса)
передает информацию, кодирующую адрес; по другим провод-
никам (шине управления) — управляющий сигнал «запись» и по
еще одной группе проводников (шине данных) — записываемую
информацию.
Шина — это магистраль для передачи данных от одного уст-
ройства ПК к другому. Локальная шина используется для связи
материнской платы с контроллерами и адаптерами (например,
для подключения видеокарты). Шина памяти предназначена для
связи между процессором и оперативной памятью и передачи
информации. Системная шина используется для организации
взаимодействия всех узлов и периферийного оборудования с
ядром ПК, в которое входят процессор, ОЗУ и ПЗУ.
Шина представляет собой канал для передачи данных в виде
проводников на печатной плате или на многожильном кабеле.
На рис. 2.11 шина изображена в виде двунаправленной стрелки,
чтобы указать на то, что информация по ней движется как от
146
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
Дисковые CD-ROM Принтер Сетевой- Локальная компьютерная
накопители адаптер сеть
Рис. 2.11. Магистраль передачи данных
процессора к периферийным устройствам, так и в обратную сто-
рону. Черными квадратиками обозначены разъемы. Упрощенно
системную шину можно представить как совокупность сигналь-
ных линий, объединенных по их назначению (данные, адреса,
управление). Важнейшая характеристика этих линий — их раз-
рядность.
Системная шина включает в себя:
• кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы
сопряжения для параллельной передачи разрядов числово-
го кода (машинного слова) операнда;
• кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схе-
мы сопряжения для параллельной передачи разрядов кода
адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода
внешнего устройства;
• кодовую шину инструкций (универсальный периферийный
интерфейс (УПИ)), содержащую провода и схемы сопря-
жения для передачи инструкций (управляющих сигналов,
импульсов) во все блоки ЭВМ;
• шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для
подключения блоков ПК к системе энергопитания.
Системная шина обеспечивает три направления передачи
информации:
I ) между микропроцессором и основной памятью;
2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внеш-
них устройств;
3) между основной памятью и портами ввода-вывода внеш-
них устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
Вес порты ввода-вывода блоков подключаются к шине непо-
средственно через соответствующие унифицированные разъемы
2.3. Программный принцип управления компьютером
147
или через контроллеры (адаптеры). Управление системной ши-
ной осуществляется микропроцессором либо непосредственно,
либо через дополнительную микросхему — контроллер шины,
формирующий основные сигналы управления. Обмен информа-
цией между внешними устройствами и системной шиной вы-
полняется с использованием ASCII-кодов.
Каждое внешнее устройство, которому нужно обратиться к
процессору, имеет на шине собственную линию. Когда перифе-
рийное устройство обращается к процессору, оно устанавливает
на линии специальный сигнал (сигнал прерывания), в результате
чего процессор прерывает выполняемые в этот момент действия
и обращается (командой чтения или записи) к устройству.
Рассмотрим схему работы с шинами на примере команды
чтения из памяти:
• процессор устанавливает на шине адреса адрес ячейки па-
мяти, которую необходимо прочитать;
• на шине управления процессор выставляет сигнал чтения и
сигнал готовности;
• заметив сигнал готовности, все устройства проверяют, име-
ется ли на шине их адрес;
• память «замечает», что выставлен се адрес, и считывает адрес;
• память выставляет на шине данных требуемую информацию;
• память выставляет на шине управления сигнал готовности;
• процессор читает данные с шины данных;
• процесс завершен.
Процессор, сопроцессор, память и шина с разъемами для
подключения периферийных устройств размещаются на единой
плате, называемой материнской или основной (рис. 2.12).
Рис. 2.12. Схема подключения периферийных устройств к материнской плате
148
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
Материнская плата находится в системном блоке компьюте-
ра и включает микросхемы, электронные устройства и разъемы
(слоты), в которые вставлены платы, к которым посредством ка-
белей подключены другие устройства.
Конфигурация — состав устройств, подключенных к компью-
теру.
В современных персональных компьютерах, как правило, ис-
пользуется принцип открытой архитектуры.
Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:
• регламентируются только описание принципа действия
компьютера и его конфигурация (определенная совокуп-
ность аппаратных средств и соединений между ними). Та-
ким образом, компьютер можно собирать из узлов и дета-
лей, разработанных и изготовленных независимыми фир-
мами-изготовителями;
• компьютер легко расширяется и модернизируется за счет
наличия внутренних гнезд, в которые пользователь может
вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие за-
данному стандарту, и тем самым устанавливать конфигура-
цию машины в соответствии с личными предпочтениями.
Преимущества открытой архитектуры заключаются в том,
что пользователь получает возможность: выбрать конфигурацию
компьютера; расширить систему, подключив к ней новые уст-
ройства; модернизировать систему, заменив любое из устройств
более новым.
Устройства, непосредственно участвующие в обработке ин-
формации (процессор, сопроцессор, оперативная память), со-
единяются с остальными устройствами единой магистралью —
шиной. Устройства, связанные с процессором через шину, а не
напрямую, называют периферийными.
Арифметико-логическое устройство (рис 2.13) состоит обыч-
но из двух регистров, сумматора и схем управления (местного
устройства управления).
АЛУ содержит операционный блок — цифровое электронное
устройство, которое может настраиваться на различные опера-
ции и непосредственно осуществлять их. Настройка операцион-
ного блока на конкретную операцию и последовательность ша-
гов ее выполнения обеспечиваются с помощью управляющих
сигналов, поступающих от управляющего устройства.
Регистры — важные элементы микропроцессора. Регистр —
это электронное цифровое устройство для временного запоми-
2.3. Программный принцип управления компьютером
149
Кодовая шина Кодовая шина
данных инструкций
Рис. 2.13. Функциональная схема АЛУ
нания информации в форме двоичного числа или кода. Регистр
выполняет функцию кратковременного хранения числа или
команды. Над содержимым некоторых регистров специальные
электронные схемы могут осуществлять некоторые манипуля-
ции, например «вырезать» отдельные части команды для после-
дующего их использования или выполнять определенные ариф-
метические операции над числами.
Запоминающий элемент в регистре — триггер, который мо-
жет находиться в одном из двух состояний. Одно из них соответ-
ствует запоминанию двоичного нуля, а другое — запоминанию
двоичной единицы. В общем случае регистр содержит несколько
связанных друг с другом триггеров — по одному триггеру на ка-
ждый разряд запоминаемого двоичного числа. Число триггеров в
регистре называется разрядностью регистра. Например, регистр
из восьми триггеров — это 8-разрядный или 8-битовый регистр,
так как каждый разряд регистра обеспечивает хранение 1 бита
информации. Многие регистры специализированы по функции:
регистр-аккумулятор, или аккумулятор, программный счетчик,
регистр команд, регистр адреса памяти и т. д. Аккумулятор вхо-
дит в АЛУ и предназначен для хранения одного из операндов
перед выполнением операции в АЛУ или для кратковременного
запоминания результата операции. Операнд — это данное, ис-
пользуемое в текущей операции. Например, в операции сумми-
рования операнды — оба слагаемых.
Программный счетчик (счетчик команд, регистр адреса
команды) служит для формирования и запоминания адреса оче-
редной выполняемой команды. После выполнения каждой ко-
манды программный счетчик содержит адрес следующей коман-
ды, по которому эта команда хранится в памяти компьютера.
150
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
Регистр команд используется для хранения кода текущей вы-
полняемой команды. Входящий в состав команды код операции
используется, как уже говорилось, для формирования в УУ оп-
ределенной серии управляющих сигналов, зависящей от кон-
кретного кода операции. Оставшаяся часть кода команды может
содержать информацию об адресах операндов, участвующих в
выполнении данной команды.
Регистр адреса памяти служит для запоминания адреса кода
команды, операнда или результата операции во время извлече-
ния (чтения) команды или операнда из памяти или записи ре-
зультата операций в память. Регистр адреса памяти может вхо-
дить не в состав микропроцессора (МП), а в состав элементов
памяти микрокомпьютера.
Изменить роль специализированных регистров или даже уз-
нать их содержимое программным путем нельзя, т. е. эти регист-
ры программно недоступны. Но в состав МП входят и регистры,
которые программист может использовать в своей программе,
они называются программно-доступными. Состав и назначение
их различны в разных типах микропроцессоров. Однако среди
них почти всегда имеются регистр словосостояния процессора
(РССП) и несколько регистров общего назначения (РОН). Ре-
гистр словосостояния процессора хранит слово состояния про-
цессора (ССП), отражающее информацию о состояниии МП и
выполняемой им программы в каждый данный момент времени.
Регистры общего назначения обычно не имеют конкретного
функционального назначения. Программист может в своей про-
грамме задействовать их так, как он считает нужным. Для того
чтобы отличить РОНы друг от друга, им присвоены уникальные
имена (или номера), которые и записываются в программе.
Сумматор — вычислительная схема, выполняющая процеду-
ру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов, имеющая
разрядность двойного машинного слова. Регистры — быстродей-
ствующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 (Рг1) име-
ет разрядность двойного слова, а регистр 2 (Рг2) — разрядность
слова (см. рис. 2.13).
При выполнении операции в Рг1 помещается первое число,
участвующее в операции, и по завершении операции — резуль-
тат; в Рг2 — второе число, участвующее в операции (по заверше-
нии операции информация в нем не изменяется). Регистр 1 мо-
жет принимать информацию с кодовых шин данных и выдавать
информацию с этих шин. Схемы управления принимают по ко-
2.3. Программный принцип управления компьютером 151
довым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства
управления и преобразуют их в сигналы для управления работой
регистров и сумматора АЛУ. Арифметико-логическое устройство
выполняет арифметические операции (сложение, вычитание,
умножение, деление) только над двоичной информацией с запя-
той, фиксированной после последнего разряда, т. е. только над
целыми двоичными числами. Выполнение операций над двоич-
ными числами с плавающей запятой и над двоично-кодирован-
ными десятичными числами осуществляется или с привлечени-
ем математического сопроцессора, или по специально состав-
ленным программам.
Для того чтобы соединить друг с другом различные устройст-
ва компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс.
Устройство управления. Предназначено для управления рабо-
той всех компонентов компьютера и обеспечения взаимодейст-
вия различных компонентов друг с другом. Управление осущест-
вляется с помощью импульсных сигналов, посылаемых УУ на
соответствующие входы управляемых компонентов. Кроме того,
устройство управления может получать ответные сигналы с
управляемых компонентов. Физически УУ представляет собой
цифровую электронную схему, на вход которой поступают коды
подлежащих выполнению операций, а входом являются серии
управляющих сигналов. Восприняв код операции, УУ формирует
цепочку управляющих сигналов и передает их в соответствую-
щие элементы ПЭВМ.
Устройство управления — функционально наиболее сложное
устройство ПК. Оно вырабатывает управляющие сигналы, по-
ступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки маши-
ны (рис. 2.14).
Рис. 2.14. Связи микропроцессора с основной памятью
152
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
Устройство управления содержит регистр команд и запоми-
нающий регистр, в котором хранится код команды (код выпол-
няемой операции и адреса операндов, участвующих в операции).
Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке
регистров команд.
Запоминающий регистр хранит код команды: код выполняе-
мой операции и адреса операндов, участвующих в операции (де-
шифратор операций).
Дешифратор операций — логический блок, выбирающий в
соответствии с поступающим из регистра команд кодом опера-
ции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропро-
грамм — хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импуль-
сы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обра-
ботки информации. Импульс по выбранной дешифратором опе-
рации в соответствии с кодом операции считывает из ПЗУ мик-
ропрограмм нужную последовательность управляющих сигналов.
Микропроцессорная память (МПП) — память небольшой ем-
кости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обра-
щения к МПП, т. е. время, необходимое на поиск, запись или
считывание информации из этой памяти, измеряется наносекун-
дами — тысячными долями микросекунды).
Она предназначена для кратковременного хранения, записи и
выдачи информации непосредственно в ближайшие такты работы
ЭВМ, участвующей в вычислениях. Микропроцессорная память
используется для обеспечения высокого быстродействия маши-
ны, так как основная память не всегда обеспечивает скорость за-
писи, поиска и считывания информации, необходимую для эф-
фективной работы быстродействующего микропроцессора.
Микропроцессорная память состоит из быстродействующих
регистров с разрядностью не менее машинного слова. Количест-
во и разрядность регистров в разных микропроцессорах различ-
ны: от 14 двухбайтных регистров у МП 8086 до нескольких де-
сятков регистров разной длины у МП Pentium.
Регистры микропроцессора делятся на регистры общего на-
значения и специальные.
Специальные регистры применяются для хранения различных
адресов (например, адреса команды), признаков результатов вы-
полнения операций и режимов работы ПК (например, регистр
флагов) и др.
2.3. Программный принцип управления компьютером
153
Кодовые шины данных, адреса и инструкций — это часть внут-
ренней шины микропроцессора. В общем случае УУ формирует
управляющие сигналы для выполнения следующих основных
процедур: выборки из регистра-счетчика адреса команды МПП
адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;
выборки из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема счи-
танной команды в регистр команд; расшифровки кода операции
и признаков выбранной команды; считывания из соответствую-
щих коду операции ячеек ПЗУ управляющих сигналов (импуль-
сов), определяющих во всех блоках машины процедуры выпол-
нения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов
в эти блоки; считывания из регистра команд и регистров МПП
составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычис-
лениях, и формирования полных адресов операндов; выборки
операндов (по сформированным адресам) и выполнения задан-
ной операции обработки этих операндов: записи результатов
операции в память; формирования адреса следующей команды
программы.
Интерфейс. Это средство сопряжения двух устройств, в кото-
ром все физические и логические параметры согласуются между
собой. Если интерфейс — общепринятый, например, утвержден-
ный на уровне международных соглашений, то он называется
стандартным. Каждый из функциональных элементов (память,
монитор или другое устройство) связан с шиной определенного
типа — адресной, управляющей или шиной данных.
Для согласования интерфейсов периферийные устройства
подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры
(адаптеры) и порты.
Интерфейсная часть предназначена для связи и согласования
МП с системной шиной ПК, а также для приема, предваритель-
ного анализа команд выполняемой программы и формирования
полных адресов операндов и команд. Интерфейсная часть вклю-
чает адресные регистры МП, узел формирования адреса, блок ре-
гистров команд — буфер команд в МП, внутреннюю интерфейс-
ную шину МП и схемы управления шиной и портами ввода-вы-
вода.
Порты ввода-вывода — это пункты системного интерфейса
ПК, через которые МП обменивается информацией с другими
устройствами. Всего портов у МП может быть 65 536. Каждый
порт имеет адрес — номер порта, соответствующий адресу ячей-
ки памяти, являющейся частью устройства ввода-вывода, ис-
154
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
пользующего этот порт, а не частью основной памяти компьюте-
ра. Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два
регистра памяти — для обмена данными и управляющей инфор-
мацией. Некоторые внешние устройства используют и основную
память для хранения больших объемов информации, подлежа-
щей обмену. Многие стандартные устройства (НЖМД, НГМД,
клавиатура, принтер, сопроцессор и др.) имеют постоянно за-
крепленные за ними порты ввода-вывода.
Схема управления шиной и портами выполняет следующие
функции: формирование адреса порта и управляющей информа-
ции для него (переключение порта на прием пли передачу и др.),
прием управляющей информации от порта, информации о готов-
ности порта и его состоянии; организация сквозного канала в
системном интерфейсе для данных между портом устройства
ввода-вывода и микропроцессором.
Схема управления шиной и портами использует для связи с
портами кодовые шины инструкций, адреса и данных системной
шины: при доступе к порту МП посылает сигнал по УПИ, ко-
торым оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на
КША — адрес порта, а затем посылает и сам адрес порта. Устрой-
ство, адрес порта которого совпадает, дает ответ о готовности, по-
сле чего по КШД осуществляется обмен данными.
Таким образом, периферийные устройства подключаются к
системной магистрали не непосредственно, а через специальные
устройства — контроллеры.
Магистраль можно сравнить с телефонным кабелем, к кото-
рому параллельно подключены абоненты — блоки компьютера.
Обращение процессора к внешнему устройству похоже на вызов
абонента.
Все устройства компьютера пронумерованы. Когда нужно
обратиться к какому-нибудь из них, в магистраль посылается его
адрес. Как и телефон, устройство может быть свободно или за-
нято. Приняв сигнал «свободно», процессор посылает внешнему
устройству информацию. Контроллер внешнего устройства мож-
но сравнить с телефонным аппаратом, который принимает сиг-
нал от процессора и дешифрует его. Например, контроллер эк-
рана, приняв от процессора сигнал 01000001 (код буквы А), пре-
образует его в указание электронно-лучевой трубке изобразить
на экране букву А.
Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы элек-
тронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с
2.3. Программный принцип управления компьютером
155
целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме то-
го, осуществляют непосредственное управление периферийными
устройствами по запросам микропроцессора.
Порт — точка подключения внешнего устройства к компью-
теру. Порты устройств представляют собой электронные схемы,
содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и по-
зволяющие подключать периферийные устройства компьютера к
внешним шинам микропроцессора. Портами также называют
устройства стандартного интерфейса: последовательный, парал-
лельный и игровой порты (или интерфейсы).
Последовательный порт обменивается данными с процессо-
ром побайтно, а с внешними устройствами — побитно. К после-
довательному порту обычно подсоединяют медленно действую-
щие или достаточно удаленные устройства, такие как мышь и
модем.
Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.
К параллельному порту подсоединяют более «быстрые» устрой-
ства — принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется
джойстик.
Клавиатура и монитор подключаются к специализирован-
ным портам, которые представляют собой просто разъемы.
Электронные компоненты, определяющие архитектуру про-
цессора, размещаются на основной плате компьютера, которая
называется системной или материнской. Контроллеры и адапте-
ры дополнительных устройств либо сами эти устройства выпол-
няются в виде плат расширения (DaughterBoard — дочерняя пла-
та) и подключаются к шине с помощью разъемов расширения,
называемых также слотами расширения (англ, slot — щель, паз).
Для согласования интерфейсов периферийные устройства под-
ключаются к шине не напрямую, а через контроллеры (адапте-
ры) и порты (рис. 2.15).
Рис. 2.15. Согласование интерфейсов ПЭВМ
156
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
Системная шина служит для передачи информации между
процессором и остальными компонентами компьютера, а также
для осуществления адресации устройств и обмена специальными
служебными сигналами.
Шина адреса предназначена для передачи по ней адреса
того устройства (или ячейки памяти), к которому обращается
процессор. Ее адрес выдает всегда только процессор. При опе-
рации записи информацию на шину данных посылает процес-
сор, а считывает то устройство (например, память или принтер),
адрес которого выставлен на шине адреса. При операции чтения
информацию посылает устройство, адрес которого выставлен на
шине адреса, а считывает процессор. На шине управления уста-
навливаются управляющие сигналы, такие, например, как сиг-
налы чтения, записи и готовности.
Блок питания. Подключается к электрической сети и преобра-
зует стандартное сетевое напряжение в несколько других напря-
жений, необходимых для питания внутренних устройств. Он —
неотъемлемая часть корпуса и поставляется вместе с ним. Основ-
ные параметры блока питания — мощность и типоразмер. Мощ-
ность выбирают исходя из количества внутренних устройств, ус-
танавливаемых в системном блоке. В большинстве случаев для
базовой конфигурации достаточной считается мощность 200 Вт.
Обычно источник питания (ИП) формирует выпрямленные ста-
билизированные напряжения ±12 и ±5 В. Этот набор напряже-
ний может изменяться для различных классов компьютеров.
Архитектура — описание сложной системы, состоящей из
множества элементов как единого целого. В вычислительной
технике архитектура определяет состав, назначение, логическую
организацию и порядок взаимодействия всех аппаратных и про-
граммных средств, объединенных в вычислительную систему.
Иными словами, архитектура описывает то, как ЭВМ представ-
ляется пользователю.
2.4. Устройства хранения информации
Память ЭВМ состоит из двоичных запоминающих элемен-
тов — битов (англ. Binary Digit — двоичная цифра). В обычных
ЭВМ применяются ячейки, состоящие из четырех последова-
тельно расположенных байтов (из слов), но в ранних ЭВМ ис-
2.4. Устройства хранения информации 157
пользуются одно- или двухбайтовые ячейки (полуслова), а в не-
которых супер-ЭВМ — восьмибайтовые ячейки.
В каждую ячейку памяти может быть записано только одно
число либо одна команда. Двоичный код хранится в ячейке до
тех пор, пока в нее не будет записан новый двоичный код или
пока не будет обесточена машина. Разбиение памяти на слова
для четырехбайтовых ЭВМ представлено на рис. 2.16.
64-разрядный процессор
32-разрядный процессор
16-разряд ный
процессор
1 3 5 7 1
24682468
Байт 0 Байт 1 Байт 2 Байт 3
Байт 4 Байт 5 Байт 6 Байт 7
Полуслово
Слово
Полуслово Полуслово Полуслово
Слово
Двойное слово
Рис. 2.16. Разбиение памяти на слова в ПЭВМ
В современных компьютерах принята 32-разрядная адреса-
ция, а это означает, что независимых адресов всего может
быть 232. Таким образом, возможна непосредственная адресация
к полю памяти размером 232= 4 294 967 296 байт (4,3 Гбайта).
Различают устройства хранения информации, реализованные
в виде электронных схем, и накопители информации, с помо-
щью которых данные записываются на какой-либо носитель
(рис. 2.17), например магнитный или оптический (ранее исполь-
зовались бумажные носители — перфокарты и перфоленты).
Внешняя память располагается на магнитных или оптических
дисках. Запись и считывание информации при работе с внешней
памятью происходят медленнее, чем при работе с RAM, зато
внешняя память имеет большой объем и содержимое ее не меня-
ется при выключении компьютера.
Энергонезависимая память представлена микросхемой памя-
ти, в которую записана информация о типе аппаратуры компью-
158
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
Электронные схемы
Накопители информации
Постоянное
запоминающее
устройство
(ПЗУ, ROM)
Оперативное Магнитные
запоминающее диски
устройство
(ОЗУ, RAM)
или оперативная
память
Магнитные
ленты
Оптические
диски
Магнитооптические
диски
Простые
(CD)
Гибкие
магнитные
диски
(дискеты)
Жесткие
магнитные
диски
(винчестеры)
С возможностью
записи
(CD-RW)
Рис. 2.17. Классификация накопителей и устройств
хранения информации
тера и его настройке. Настройка ПК может меняться по желанию
пользователя, поэтому энергонезависимая память позволяет не
только считывать из нее данные, но и записывать. По существу,
здесь используется обычная микросхема RAM, но изготовленная
по особой CMOS-технологии, обеспечивающей малое потребле-
ние энергии при работе этого устройства, поэтому энергонезави-
симую память часто называют CMOS-памятью. По CMOS-тех-
нологии изготавливают все микросхемы для портативных ПК,
чтобы обеспечить длительную работу их батарей питания. Мик-
росхема энергонезависимой памяти подключается к батарейке,
что сохраняет записанные в микросхеме данные при выключе-
нии ПК из сети.
Устройства, представляющие собой электронные схемы, от-
личаются небольшим временем доступа к данным, но не позво-
ляют хранить большие объемы информации. Накопители ин-
формации, наоборот, дают возможность хранить большие объе-
мы информации, но время ее записи и считывания велико,
поэтому эффективная работа на компьютере возможна только
при совместном использовании накопителей информации и уст-
ройств хранения, реализованных в виде электронных схем.
Микросхема (чип) BIOS (Basic Input/Output System — базовая
система ввода-вывода). Это встроенное в компьютер програм-
мное обеспечение, которое доступно без обращения к диску; со-
вокупность программ, предназначенных для автоматического
тестирования устройств после включения питания компьютера и
загрузки операционной системы в оперативную память.
2.4. Устройства хранения информации
159
Роль BIOS двоякая: с одной стороны, это неотъемлемый эле-
мент аппаратуры (Hardware), а с другой стороны, важный модуль
любой операционной системы (Software). BIOS содержит код,
необходимый для управления клавиатурой, видеокартой, диска-
ми, портами и другими устройствами.
Обычно BIOS размещается в микросхеме ПЗУ (ROM), рас-
положенной на материнской плате компьютера (поэтому дан-
ный чип часто называют ROM BIOS). Эта технология позволяет
BIOS всегда быть доступным, несмотря на повреждения, напри-
мер, дисковой системы и позволяет компьютеру самостоятельно
загружаться. Поскольку доступ к RAM (оперативной памяти)
осуществляется значительно быстрее, чем к ROM, производите-
ли компьютеров создают системы таким образом, чтобы при
включении компьютера выполнялось копирование BIOS из
ROM в оперативную память.
Постоянная память предназначена для хранения неизменной
информации, которая записывается в микросхему постоянной
памяти заводом — изготовителем компьютера. В состав BIOS
входят программа самотестирования компьютера при его вклю-
чении, драйверы некоторых устройств (монитора, дисковых на-
копителей информации и пр.), а также программа загрузки опе-
рационной системы с дисковых устройств. В настоящее время
почти все материнские платы комплектуются микросхемой для
постоянного хранения начального исполняемого кода загрузки
комьютера FLASH BIOS, который в любой момент может быть
перезаписан в микросхеме ROM с помощью специальной про-
граммы.
Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ). Данное устройство
делится на оперативное запоминающее устройство, постоянное
запоминающее устройство и кэш-память.
Внешняя память предназначена для длительного хранения
программ и данных, и целостность ее содержимого не зависит от
того, включен или выключен компьютер. Дополнительными уст-
ройствами внешней памяти являются:
• FDD (Floppy Disk Drive) — накопитель на гибких магнит-
ных дисках, емкость — 1,44 Мб;
• CD-ROM и R/W — накопитель на лазерных компакт-дис-
ках, емкость — 800 Мб;
• DVD-ROM и R/W — накопитель на лазерных DVD-дисках,
емкость — до 16 Гб;
160
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
• HDD (Hard Disk Drive) — накопитель на жестких магнит-
ных дисках, емкость — более 100 Гб;
• FLASH — накопитель на микросхемах памяти, емкость —
до 8 Гб.
Память компьютера должна состоять из некоторого количе-
ства пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут нахо-
диться или обрабатываемые данные, или инструкции программ.
Все ячейки памяти должны быть одинаково доступны для других
устройств компьютера.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, англ. Random
Access Memory, RAM) — предназначено для записи, считывания
и временного хранения программ (системных и прикладных), ис-
ходных данных, промежуточных и окончательных результатов.
При выключении компьютера информация в ОЗУ стирается.
В современных компьютерах объем памяти обычно составляет
от 128 Мб до 2 Гб. Объем памяти — важная характеристика ком-
пьютера, она влияет на скорость работы компьютера и на рабо-
тоспособность программ. Современные прикладные программы
часто требуют для выполнения более 4 Мбайт памяти, в против-
ном случае программа просто не сможет работать. Часть ОЗУ,
называемая «видеопамять», содержит данные, соответствующие
текущему изображению на экране.
Конструктивно элементы оперативной памяти выполняются
в виде микросхем типа DIP (Dual In-line Package — двухрядное
расположение выводов) или в виде модулей памяти типа SIP
(Single In-line Package — однорядное расположение выводов).
Персональный компьютер содержит оперативную память че-
тырех типов: модули SIMM, применяемые в устаревших компью-
терах на процессорах 386, 486 и Pentium; более совершенные мо-
дули DIMM, используемые в компьютерах от Pentium II и Celeron
до Pentium III и Athlon; более современные модули DDR DIMM
и RIMM, которые используются с новыми процессорами и мате-
ринскими платами. Оперативное запоминающее устройство стро-
ится на микросхемах памяти с произвольным доступом к любой
ячейке. Оперативная память бывает либо статической (на тригге-
рах) и называется SRAM (Static RAM), либо динамической (на ос-
нове конденсаторных ячеек) — DRAM (Dynamic RAM).
В статических ОЗУ в качестве ЭП используется статический
триггер, который способен сохранять состояние 0 или I неогра-
ниченно долго (при включенном ПК). Динамические ОЗУ стро-
ятся на конденсаторах, реализованных внутри кристалла крем-
2.4. Устройства хранения информации
161
ния. Динамические ЭП (конденсаторы) с течением времени са-
моразряжаются и записанная информация теряется, поэтому
динамическим ЭП требуется периодическое восстановление за-
ряда — регенерация. Во время регенерации запись новой инфор-
мации должна быть запрещена.
По сравнению со статическими динамические ОЗУ имеют бо-
лее высокую удельную емкость и меньшую стоимость, но большее
энергопотребление и меньшее быстродействие. Оперативные за-
поминающие устройства имеют модульную структуру. Увеличе-
ние емкости ОЗУ производится установкой дополнительных мо-
дулей. Время доступа к модулям DRAM составляет 60—70 нс.
Современные компьютеры имеют ОЗУ, составляющую
512—1024 Мбайт. Процессор компьютера может работать толь-
ко с данными, которые находятся в оперативной памяти. Дан-
ные с диска для обработки считываются в оперативную память.
Основные фирмы — производители памяти — IBM, Seagate,
Maxtor, Western, Digital, Fujitsi и Kingston. Доля продаж памяти
DIMM значительно снижается, уступая место модулям памяти
DDR DIMM (256 и 512 Мбайт) или RIMM (128 и 256 Мбайт).
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, англ. Real Only
Memory — ROM — память только для чтения) — энергонезави-
симая память, используется для хранения данных, которые ни-
когда не требуют изменения.
Модули и кассеты ПЗУ имеют емкость, как правило, не пре-
вышающую нескольких сотен килобайт. Структурно основная
память состоит из миллионов отдельных ячеек памяти емкостью
1 байт каждая. Общая емкость основной памяти современных
ПК обычно лежит в пределах от 1 до 32 Мбайт.
Перепрограммируемая постоянная память (FLASH Memory) —
энергонезависимая память, допускающая многократную переза-
пись своего содержимого с дискеты.
Регистровая кэш-память — высокоскоростная память, яв-
ляющаяся буфером между оперативной памятью и микропро-
цессором, позволяющая увеличивать скорость выполнения опе-
раций. Создавать ее целесообразно в персональном компьютере
с тактовой частотой задающего генератора 40 МГц и более. Ре-
гистры кэш-памяти недоступны для пользователя, отсюда и на-
звание кэш (англ, cache — тайник). По принципу записи резуль-
татов различают два типа кэш-памяти:
• с обратной записью — результаты операций прежде, чем
записать их ОЗУ, фиксируются в кэш-памяти, а затем кон-
162
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
троллер кэш-памяти самостоятельно перезаписывает эти
данные в ОЗУ;
• со сквозной записью — результаты операций одновремен-
но параллельно записываются и в кэш-память, и в ОЗУ.
Для ускорения операций с основной памятью используется
регистровая кэш-память внутри микропроцессора (кэш-память
первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате
(кэш-память второго уровня). Для ускорения операций с диско-
вой памятью организуется кэш-память на ячейках электронной
памяти.
Микропроцессоры Pentium и Pentium Pro имеют кэш-память
отдельно для данных и отдельно для команд, причем если у Pen-
tium емкость этой памяти небольшая — по 8 Кбайт, то у Pentium
Pro она достигает 256—512 Кбайт. Следует иметь в виду, что для
всех МП может использоваться дополнительная кэш-память,
размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой
может достигать нескольких мегабайтов.
Основная цель применения кэш-памяти — компенсация раз-
ницы в скорости обработки информации процессором (его реги-
стры самые быстродействующие) и несколько менее быстродей-
ствующей оперативной памятью. Кэш-память не доступна для
пользователя, используется компьютером автоматически. Следу-
ет иметь в виду, что наличие кэш-памяти емкостью 256 Кбайт
увеличивает производительность ПК примерно на 20 %.
Основная память компьютера делится на две логические об-
ласти: непосредственно адресуемую память, занимающую пер-
вые 1024 Кбайта ячеек с адресами от 0 до 1024 Кбайт — I, и рас-
ширенную память, доступ к ячейкам которой возможен при ис-
пользовании специальных программ-драйверов.
Стандартной памятью (Conventional Memory Area — СМА)
называется непосредственно адресуемая память в диапазоне от 0
до 640 Кбайт. Непосредственно адресуемая память в диапазоне
адресов от 640 до 1024 Кбайт называется верхней памятью
(UMA — Upper Memory Area). Верхняя память зарезервирована
для памяти монитора (видеопамять) и постоянного запоминаю-
щего устройства. Однако обычно в ней остаются свободные уча-
стки — «окна», которые могут быть использованы с помощью
диспетчера памяти в качестве оперативной памяти общего на-
значения.
Расширенная память — память с адресами 1024 Кбайта и
выше. Непосредственный доступ к этой памяти возможен толь-
2.4. Устройства хранения информации
163
ко в защищенном режиме работы микропроцессора. В реаль-
ном режиме имеются два способа доступа к этой памяти, но
только при использовании драйверов: по спецификациям XMS
(extended Memory Specification) и EMS (Expanded Memory Spe-
cification).
Доступ к расширенной памяти согласно спецификации XMS
организуется при использовании драйверов ХММ (extended
Memory Manager). Эту память часто называют дополнительной,
учитывая, что в первых моделях персональных компьютеров эта
память размещалась на отдельных дополнительных платах. Спе-
цификация EMS — более ранняя, доступ в ней реализуется пу-
тем отображения полей Expanded Memory в определенную об-
ласть верхней памяти. При этом хранится не обрабатываемая
информация, а лишь адреса, обеспечивающие доступ к этой ин-
формации. Память, организуемая по спецификации EMS, носит
название отображаемой.
Расширенная память может быть использована главным об-
разом для хранения данных и некоторых программ ОС. Расши-
ренную память часто применяют для организации виртуальных
(электронных) дисков.
Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ОЗУ, в
котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ органи-
зовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройст-
вам — процессору и монитору, поэтому изображение на экране
меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.
Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы элек-
тронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с
целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме то-
го, осуществляют непосредственное управление периферийными
устройствами по запросам микропроцессора.
Порты устройств представляют собой электронные схемы,
содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и по-
зволяющие подключать периферийные устройства компьютера к
внешним шинам микропроцессора.
Системная (материнская) плата компьютера. Материнская
плата — основная плата ПК (рис. 2.18), на которой размешаются:
• процессор (микросхема, выполняющая большинство вы-
числительных операций);
• микропроцессорный комплект (чипсет) — набор микро-
схем, управляющих работой внутренних устройств компь-
ютера;
164
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
• три шины (наборы проводников, по которым происходит
обмен сигналами между внутренними устройствами компь-
ютера);
• оперативная память (ОЗУ) — набор микросхем, предназна-
ченных для временного хранения данных;
• ПЗУ — микросхема, предназначенная для длительного хра-
нения данных;
• разъемы (слоты) для подключения дополнительных уст-
ройств;
• средства мониторинга состояния системной платы.
Слоты модулей памяти Разъемы НГМД и IDE
Зоны внешних разъемов
встроенной периферии
Слоты плат
расширения
Рис. 2.18. Системная плата компьютера
Синхронизация и разгон системной платы. Основной тактовый
генератор системной платы вырабатывает высокостабильные им-
пульсы опорной частоты, используемой для синхронизации про-
цессора, памяти и шин ввода-вывода. Поскольку быстродействие
этих подсистем существенно различается, каждая из них может
синхронизироваться со своей частотой. В чипсетах асинхронного
типа частоты относительно независимы, что открывает возмож-
2.4. Устройства хранения информации
165
ность для оптимизации производительности и разгона. Наиболее
частый объект для разгона — центральный процессор. Вполне
очевидно, что производительность конкретного процессора зави-
сит от тактовой частоты ядра и частоты системной шины. Первая
составляющая определяет темп обработки, а вторая — скорость
доставки инструкций и данных. Максимально допустимая такто-
вая частота определяется задержками между различными сигна-
лами и рассеиваемой мощностью процессора.
Кэш-память — память небольшой емкости, но чрезвычайно
высокого быстродействия (время обращения к МПП, т. е. время,
необходимое на поиск, запись или считывание информации из
этой памяти, измеряется наносекундами). Она предназначена
для кратковременного хранения, записи и выдачи информации
в ближайшие такты работы машины, непосредственно участвую-
щей в вычислениях.
Процессор. Это центральная часть любого современного
компьютера, управляющая остальными устройствами. В нем
расположены арифметико-логическое устройство, устройство
управления и регистры для временного хранения информации.
Процессор считывает данные из ОЗУ (оперативной памяти)
компьютера, туда же он пересылает результат действия над эти-
ми данными. Процессор может выполнять следующие операции
над двоичными числами: арифметические, логические, опера-
ции сравнения, операции с памятью и операции по передаче
управления.
Процессор выполняет все действия только по программе,
т. е. определенную последовательность команд. Большинство
ошибок компьютера во время работы связано именно с ошибка-
ми программиста, который не сумел предусмотреть все возмож-
ные ситуации.
Процессор выполняет следующие функции:
• обработка данных по заданной программе путем выполне-
ния арифметических и логических операций;
• программное управление работой устройств компьютера.
Скорость работы процессора определяется его тактовой час-
тотой. Чем она больше, тем более быстродействующий процес-
сор. Современные процессоры работают на частотах более 3 ГГц
(табл. 2.3).
Каждый конкретный процессор может работать только с оп-
ределенным количеством оперативной памяти. Максимальное
количество памяти, которое процессор может обслужить, назы-
166
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
Таблица 2.3. Фирмы-производители процессоров
Фирма Характеристики
AMD: «Athlon» Тактовые частоты: 1000...3500 МГц. Кэш 1-го уровня: 128 Кб (64 Кб для инструкций и для данных). Кэш 2-го уровня: 512... 1024 Кб. Технология: 0,18 мкм
Intel: «Celeron» Тактовые частоты: 1700—2600 МГц. Стандартная частота шины: 66 МГц. Кэш 1-го уровня: 32 Кб (16 Кб для инструкций и для данных). Кэш 2-го уровня: 128—256 Кб. Технология: 0,18 мкм
вается адресным пространством процессора и является важной ха-
рактеристикой компьютера. Определяется адресное пространст-
во разрядностью адресной шины.
2.5. Периферийные и внутренние устройства
Разнообразие современных компьютеров очень велико, но
их структуры основаны на общих логических принципах, позво-
ляющих выделить в любом компьютере следующие главные уст-
ройства (рис. 2.19).
Системный блок. Системный блок — центральная часть ПК.
Внутри корпуса системного блока размещены электронные схе-
мы, смонтированные на нескольких печатных платах. Кроме
того, в системном блоке находятся блок питания, вентилятор,
динамик, жесткий магнитный диск и дисководы для считыва-
ния/записи данных на дискеты.
Основные электронные схемы в системном блоке размеще-
ны на системной плате, на которой находятся микропроцессор,
выполненный в виде большой микросхемы с индивидуальным
вентилятором, тактовый генератор, микросхемы оперативной и
постоянной памяти.
На системной плате имеются специальные разъемы (зажи-
мы), в которые вставляются дополнительные печатные платы —
адаптеры внешних устройств (обеспечивающих обмен информа-
цией между системным блоком и подключенным к нему внеш-
К другим
вычислительным
системам
Рис. 2.19. Общая структура персонального компьютера с периферийными устройствами
2.5. Периферийные и внутренние устройства
168
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
ним оборудованием) и модули дополнительной оперативной па-
мяти.
Конфигурация системного блока приведена на рис. 2.20.
Рис. 2.20. Конфигурация системного блока
По способу размещения устройств относительно системного
блока их подразделяют на внешние и внутренние.
По внешнему виду системные блоки различаются формой
корпуса горизонтальное (desktop) и вертикальное (tower) испол-
нение.
Корпуса в вертикальном исполнении различают по габари-
там: полноразмерный, средний и малый. От типа и размера кор-
пуса, в основном зависит количество внутренних устройств, ко-
торые можно разместить в системном блоке (рис. 2.21).
Рис. 2.21. Системный блок LC 320: а — общий вид; б — структура: / — вентиля-
тор; 2 — блок питания; 3 — дисковод; 4 — жесткий диск; 5 — динамик;
6 — системная (материнская) плата; 7 — порты (разъемы для подключения
внешних устройств)
2.5. Периферийные и внутренние устройства
169
Жесткий диск. Устройство для долговременного хранения
больших объемов данных и программ, представляющее собой
несколько соосных магнитных дисков, постоянно вращающихся
с высокой скоростью. Каждый из дисков имеет две стороны с
магнитным покрытием, и всю конструкцию условно рассматри-
вают как один диск, имеющий много поверхностей.
Для увеличения информационной емкости и быстродействия
в одном корпусе размещаются несколько жестких дисков, распо-
ложенных на общей оси (пакет дисков). Диски изготавливаются
из легких сплавов, скорость их вращения велика — тысячи обо-
ротов в минуту (на порядок быстрее, чем вращение дискет). Во
избежание износа магнитной поверхности используют плаваю-
щие магнитные головки, не соприкасающиеся с поверхностью
диска. Жесткий диск герметичен, при его изготовлении отфильт-
ровывается пыль, способная повредить магнитный слой.
Над каждой поверхностью располагается считывающая-запи-
сывающая головка. При высоких скоростях вращения дисков
(60 об/с) в зазоре между головкой и поверхностью образуется
аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной по-
верхностью на высоте, составляющей несколько тысячных долей
миллиметра. При изменении силы тока, протекающего через го-
ловку, происходит изменение напряженности динамического
магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационар-
ном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих по-
крытие диска. Так осуществляется запись информации на маг-
нитный диск.
Операция считывания происходит в обратном порядке. На-
магниченные частицы покрытия, проносящиеся на высокой
скорости вблизи головки, наводят в ней самоиндукции электро-
движущей силы. Возникающие при этом электромагнитные сиг-
налы усиливаются и передаются на обработку.
Накопитель для жесткого диска и сам жесткий диск — еди-
ное устройство, устанавливаемое в компьютер стационарно.
Первый жесткий диск, разработанный фирмой IBM, получил у
программистов название «винчестер», со временем это название
закрепилось за всеми жесткими дисками. Быстродействие жест-
кого диска характеризуется средним временем доступа — интер-
валом времени между подачей компьютером сигнала контролле-
ру на чтение требуемых данных и началом чтения этой инфор-
мации с диска (несколько десятков миллисекунд).
170
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
Работой жесткого диска управляет специальное аппарат-
но-логическое устройство — контроллер жесткого диска. Объе-
динение нескольких функций в одном устройстве называют ин-
теграцией, поэтому сегодня говорят, что контроллер жестких
дисков интегрирован с материнской платой. Основные парамет-
ры жестких дисков — емкость (гигабайты), время обращения к
данным (микросекунда) и скорость обмена (мегабит в секунду).
Представления о типовом объеме жесткого диска непрерывно
меняются.
Жесткие диски отличаются методом управления и связью с
остальными участниками компьютерной системы (интерфей-
сом). В компьютерах общего назначения наиболее часто приме-
няются жесткие диски с интерфейсом IDE (или улучшенная вер-
сия EIDE). В некоторых устройствах этот интерфейс может име-
новаться как АТА или ATAPI. Жесткие и другие диски дисковода,
соответствующие стандарту EIDE, подключаются к специально-
му дисковому контроллеру. Стандарт EIDE позволяет подклю-
чать до четырех устройств этого типа. Намного более производи-
тельны устройства, соответствующие стандартам SCSI и SCSI-2,
хотя они стоят заметно дороже.
К преимуществам этого стандарта относится помимо повы-
шенной производительности то, что он позволяет одновременно
подключать до 16 устройств, что важно для специализированных
рабочих станций, файловых и сетевых серверов. Операция соз-
дания специальной структуры на жестком диске называется фор-
матированием диска. После форматирования каждый файл, за-
писанный на диск, может иметь собственный адрес, выражен-
ный в числовой форме. Несмотря на то что физически жесткий
диск состоит из п дисков и имеет 2п поверхностей, для изучения
его структуры достаточно рассмотреть только одну поверхность.
Эта поверхность разбивается на концентрические дорожки {тре-
ки)'. в зависимости от конструкции диска таких дорожек может
быть больше или меньше, и каждая дорожка имеет свой уни-
кальный номер. Дорожки, в свою очередь, разбиваются на сек-
торы, длина каждого сектора равна 512 байтам. Таким образом,
сектор — наименьший элемент структуры жесткого диска. Для
того чтобы записать или считать информацию, необходимо за-
дать адрес, состоящий из номеров цилиндра, поверхности и сек-
тора. В нерабочем состоянии головка прижимается к поверхно-
сти диска в специальной нерабочей зоне, называемой зоной пар-
ковки.
2.5. Периферийные и внутренние устройства
171
Современные жесткие диски имеют емкость от 80 Мбайт до
200 Гбайт. Именно на винчестере хранится операционная систе-
ма (рис. 2.22) и с него она загружается в оперативную память
компьютера.
а
Рис. 2.22. Общий вид жесткого диска: а — Seagate 160 Гб; б — Fujitsu 36,7 Гб
В ПЭВМ часто используются сменные носители, один из ко-
торых — накопитель ZIP (рис. 2.23). Эти накопители могут хра-
нить до 750 Мб данных на картриджах, напоминающих дискету
формата 3,5". Они достаточно компактны, удобны в эксплуата-
ции и связаны с компьютером через универсальную серийную
шину (USB-порт).
Рис. 2.23. Внешний вид ZIP-накопителя
Накопители на магнитной ленте (НМЛ). В настоящее время
можно редко встретить накопители на магнитной ленте (стрим-
меры), используемые в компьютерах в качестве накопителя дан-
ных (рис. 2.24). В качестве хранителя информации используется
магнитная лента объемом до 40 Гб.
Рис. 2.24. Внешний вид стриммера
172
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
Стриммеры применяются не для хранения, а для архивиро-
вания больших объемов информации. Они позволяют записать
на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество
информации. Встроенные в стриммер средства аппаратного сжа-
тия позволяют автоматически уплотнять информацию перед ее
записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает
объем сохраняемой информации.
Носитель информации — лавсановая лента длиной более
100 м, на которую нанесено магнитное ферролаковое покрытие.
Основное преимущество стриммеров перед библиотеками дис-
ковых накопителей — их низкая стоимость по сравнению со все-
ми устройствами хранения данных, а также высокая надежность.
Недостаток стриммеров — их сравнительно низкая скорость
записи, поиска и считывания информации.
Стриммер позволяет освободить место на винчестере за счет
того, что на него переписываются редко используемые програм-
мы и данные. В домашних условиях в качестве стриммера можно
применять обычный видеомагнитофон, для этого компьютер
должен быть укомплектован специальной платой.
Накопители на FLASH-картах. Официально USB FLASH
DRIVE — это мобильный носитель информации с функцией
«plug & play» («включить и работать») и подключением к универ-
сальной серийной шине (USB). К его достоинствам относятся
портативность, компактность, устойчивость к физическому воз-
действию, длительный срок службы и хранения информации.
Для того чтобы USB FLASH DRIVE заработал на компьюте-
ре, достаточно иметь U SB-порт.
Обычно выпускается три основных вида USB FLASH DRIVE:
• Standart — «стандартный» с ограниченной функцией «plug
& play»;
• Smart — «интеллектуальный» с полной поддержкой функции
«plug & play» и не требующий дополнительных драйверов;
• Secure — «секретный», т. е. замаскированный, например,
под брелок для ключей. На данный момент — это самый
распространенный вариант, хотя можно увидеть, напри-
мер, часы со встроенным USB FLASH DRIVE.
Технические характеристики:
• емкость: до 8 Гб;
• операционные системы, с которыми имеется совмести-
мость: Mac OS 8.6, 9.x, 10.x, Windows 98, Windows 98 SE,
Windows 2000, Windows ME, Windows XP;
2.6. Устройства ввода-вывода
173
• питание: использует питание шины USB в диапазоне от 4,5
до 5,5 В;
• скорость чтения: 700 Кб/с;
• скорость записи: 350 Кб/с.
ZIV DRIVE — это мобильный внешний накопитель данных,
т. е. мобильный жесткий диск, подключаемый через USB-порт
(рис. 2.25).
Рис. 2.25. Накопитель данных ZIV DRIVE
Технические характеристики ZFV DRIVE:
• интерфейс стыковки с ПК: USB 2.0 полностью совместим
с USB 1.1;
• скорость копирования: от 16 до 18 Мб/с;
• емкости накопителей: 20, 30, 40, 60 Гб;
• операционные системы, с которыми совместим продукт:
Windows 98, Windows ME, Windows 2000, Windows XP, Mac
OS 9+, Mac OS X, Linux;
• физические характеристики: размеры: 125 x 72 x 11 мм;
вес: 130 г.
Использование ZIV DRIVE позволяет решить проблему,
связанную с переносом и хранением данных для дизайнеров,
видеомонтажеров, системных администраторов и для многих
других, кто сталкивается с этой проблемой ежедневно.
2.6. Устройства ввода-вывода
Устройства ввода-вывода служат соответственно для ввода
информации в машину и вывода из нее, а также для обеспече-
ния общения пользователя с ПЭВМ. Процессы ввода-вывода
174
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
протекают с использованием внутренней памяти. Устройства
ввода-вывода называют периферийными, или внешними, устройст-
вами. К ним относятся мониторы, клавиатура, манипуляторы,
печатающие устройства (принтеры), графопостроители, скане-
ры, звуковые колонки.
Устройства ввода-вывода можно условно разделить на уст-
ройства, с помощью которых информация передается машине от
человека, человеку от машины и от одной ЭВМ к другой.
На рис. 2.26 приведены наиболее распространенные устрой-
ства ввода-вывода. Кроме них имеются специальные устройства,
обеспечивающие совместную работу ЭВМ с кассовыми аппара-
тами, микрофонами, видеокамерами, видеомагнитофонами, ме-
дицинскими и научными приборами и т. п.
Устройства ввода-вывода
Устройства Устройства связи
Устройства
Модем
Графический Световое
планшет перо
Рис. 2.26. Классификация устройств ввода-вывода
с другими
вычислительными
системами
Сетевой
адаптер
В табл. 2.4 приведены основные характеристики носителей
информации.
Функционирование любой вычислительной системы обычно
сводится к выполнению двух видов работы: обработке информа-
ции и операциям по осуществлению ее ввода-вывода.
Содержание понятий «обработка информации» и «операции
ввода-вывода» зависит от разных подходов. С точки зрения про-
граммиста под «обработкой информации» понимается выполне-
ние команд процессора над данными, лежащими в памяти неза-
висимо от уровня иерархии — в регистрах, кэше, оперативной
или вторичной памяти. Под «операциями ввода-вывода» про-
2.6. Устройства ввода-вывода
175
Таблица 2.4. Основные характеристики носителей информации
Вид носителя Информационная емкость Скорость обмена
Дискета 1,44 Мб 250, 300 и 500 Кб/с
Сменный гибкий диск ZIP От 100 до 750 Мб 1 Мб/с
Винчестер От 100 до 500 Гб До 300 Мб/с
Стриммер От 80 Мб до 40 Гб От 1,5 до 3 Мб/с
CD-ROM От 650 до 800 Мб До 7,8 Мб/с
DVD От 4,7 до 17 Гб До 21 Мб/с
Магнитооптический диск От 128 Мб до 2,6 Гб От 1,3 до 3,8 Мб/с
граммист понимает обмен данными между памятью и устройст-
вами, являющимися внешними по отношению к памяти и про-
цессору, такими как магнитные ленты, диски, монитор, клавиа-
тура и таймер.
В операционной системе обработка информации — это толь-
ко операции, совершаемые процессором над данными, находя-
щимися в памяти на уровне иерархии не ниже, чем оперативная
память. Все остальное относится к операциям ввода-вывода. Для
того чтобы совершить операции над данными, временно распо-
ложенными во вторичной памяти, операционная система снача-
ла производит их подкачку в оперативную память, и лишь затем
процессор совершает необходимые действия.
Рассмотрим процессы, происходящие в компьютере при осу-
ществлении операций ввода-вывода, и то, как операционная сис-
тема управляет их выполнением. При этом для простоты будем
считать, что объем оперативной памяти в вычислительной систе-
ме достаточно большой, т. е. все процессы полностью располага-
ются в оперативной памяти, и поэтому понятия «операция вво-
да-вывода» содержательно совпадают. Это предположение не
снижает общности рассмотрения, так как подкачка информации
из вторичной памяти в оперативную память и обратно обычно
строится по тому же принципу, что и все остальные операции
ввода-вывода.
Существует много разнообразных устройств, которые могут
взаимодействовать с процессором и памятью: таймер, жесткие
176
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
диски, клавиатура, дисплеи, мышь, модемы и т. д. Часть этих
устройств может быть встроена внутрь корпуса компьютера,
часть — вынесена за его пределы и общается с компьютером че-
рез различные линии связи: кабельные, оптоволоконные, радио-
релейные, спутниковые и т. д. Набор конкретных устройств и
способы их подключения определяются целями функционирова-
ния вычислительной системы, желаниями и финансовыми воз-
можностями пользователя. Несмотря на все многообразие уст-
ройств, управление их работой и обмен информацией с ними
строятся на относительно небольшом количестве принципов.
Логические принципы организации ввода-вывода. Все, что не-
обходимо сделать пользователю при подключении нового уст-
ройства, — это отобразить порты устройства в соответствующее
адресное пространство, определить, какой номер будет соответ-
ствовать прерыванию, генерируемому устройством, и, если нуж-
но, закрепить за устройством канал DMA.
Структура системы ввода-вывода. Все устройства отличаются
по выполняемым функциям и характеристикам, и кажется, что
принципиально невозможно создать систему, которая без боль-
ших постоянных переделок позволяла бы охватывать все много-
образие видов. Рассмотрим перечень направлений, по которым
различаются устройства:
• скорость обмена информацией может варьироваться в диа-
пазоне от нескольких байт в секунду (клавиатура) до не-
скольких гигабайт в секунду (сетевые карты);
• некоторые устройства могут быть использованы параллель-
но несколькими процессами (являются разделяемыми), в то
время как другие требуют монопольного захвата процессом;
• устройства могут запоминать выведенную информацию для
ее последующего ввода или не обладать этой функцией.
Устройства, запоминающие информацию, в свою очередь,
могут дифференцироваться по формам доступа к сохранен-
ной информации: обеспечивать к ней последовательный
доступ в жестко заданном порядке или уметь находить и
передавать только необходимую порцию данных;
• часть устройств передает данные только по 1 байту после-
довательно (символьные устройства), а часть устройств —
блоками байтов (блочные устройства);
• существуют устройства, предназначенные только для ввода
и только для вывода информации, и устройства, которые
могут выполнять и ввод, и вывод.
2.6. Устройства ввода-вывода
177
В области технического обеспечения выделяют основной
принцип взаимодействия внешних устройств с вычислительной
системой: создание единого интерфейса для их подключения
с возложением всех специфических действий на контроллеры
устройств.
Похожий подход оказался продуктивным и в области про-
граммного подключения устройств ввода-вывода. Можно специ-
фицировать интерфейсы между ядром операционной системы,
осуществляющим некоторую общую политику ввода-вывода, и
программными частями, непосредственно управляющими уст-
ройствами, т. е. использовать принцип уровневого или слоеного
построения системы управления вводом-выводом для операци-
онной системы (рис. 2.27).
Рис. 2.27. Структура системы ввода-вывода
Два нижних уровня этой слоеной системы составляет
Hardware: сами устройства, непосредственно выполняющие опе-
рации, и их контроллеры, служащие дня организации совмест-
ной работы устройств и остальной вычислительной системы.
Следующий уровень — это драйверы устройств ввода-вывода,
скрывающие от разработчиков операционных систем особенно-
сти функционирования конкретных приборов и обеспечиваю-
щие четко определенный интерфейс между Hardware и вышеле-
178
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
жащим уровнем — уровнем базовой подсистемы ввода-вывода,
которая, в свою очередь, предоставляет механизм взаимодейст-
вия между драйверами и программной частью вычислительной
системы в целом.
Внешние запоминающие устройства. В системный блок ПК
вмонтированы дисководы (накопители на гибких и жестких маг-
нитных дисках). Дисковод гибких дисков — специальный нако-
питель, используется для оперативного переноса небольших
объемов информации на гибкие магнитные диски (дискеты). Ос-
новные параметры гибких дисков — технологический размер
(дюймы), плотность записи (измеряется в кратных единицах) и
полная емкость (килобайты или мегабайты). Гибкие магнитные
диски (дискеты) предназначены, как правило, для перемещения
информации с одной ЭВМ на другую.
Жесткие магнитные диски — это несъемные устройства,
предназначенные для хранения больших объемов информации.
Магнитные ленты, оптические и магнитооптические диски
используются и для перемещения и для хранения данных. Прин-
цип записи информации на магнитные ленты и диски аналоги-
чен принципу записи звука в магнитофоне, т. е. осуществляется
многократное считывание и запись на магнитные диски.
Магнитные диски различаются размерами, скоростью рабо-
ты и информационной емкостью. Существуют гибкие диски —
дискеты размером 3,5" (89 мм). Дискеты представляют собой
гибкий диск из тонкого пластика, на обе стороны которого на-
несен магнитный слой. Диск заключен в плотный конверт (кор-
пус) с отверстиями для магнитных головок (рис. 2.28).
Отверстие для обозначения емкости
а б
Рис. 2.28. Дисковод (а) и флоппи-диск диаметром 3,5” (о)
2.6. Устройства ввода-вывода
179
Информация на дискету записывается по дорожкам-окруж-
ностям (трекам). На каждой стороне дискеты помещается 40
или 80 дорожек в зависимости от формата дискеты (информаци-
онной емкости), диктуемого качеством магнитной поверхности
дискеты и совершенством конструкции дисковода. Каждая до-
рожка состоит из несколько секторов, в каждом секторе может
быть записано 512 байт информации. На конверте (корпусе)
дискеты сбоку имеется специальная прорезь, предназначенная
для блокирования записи на диск и сохранения имеющейся на
диске информации. Схема устройства накопителя на гибком
магнитном диске показана на рис. 2.29.
Рис. 2.29. Схема дисковода: / — позиционирующий двигатель; 2 — каретка
с двумя рычагами; 3 — блок магнитных головок; 4 — привод магнитного диска.
5 — дискета
Магнитный диск 5 вращается с помощью привода 4, для за-
писи и считывания информации используются магнитные голов-
ки 3, расположенные на рычагах, жестко закрепленных на карет-
ке 2. Каретка перемещается позиционирующим двигателем /,
смещая магнитные головки с одной дорожки диска на другую.
Существуют два стандартных формата этих дискет — 760 Кб
(устаревший формат, 40 дорожек по 18 секторов) и 1,44 Мб (со-
временный формат, 80 дорожек по 18 секторов).
Работа дисководов управляется контроллерами электрон-
ными схемами, выполненными в виде печатных плат, устанавли-
ваемых в один из разъемов на системной плате или монтируе-
мых непосредственно на дисководе.
Примечание. Гибкие диски размером 5,25" имеют формат 360 Кб или 1,2 Мб.
Их этикетка маркируется соответственно DS/DD (double sided/double density —
двухсторонние/с двойной плотностью) и DS/HD (double sided/high density —
двухсторонние/с высокой плотностью). На дискетах 360 Кб с каждой стороны
помещаются 40 дорожек по 9 секторов в каждой, на дискетах 1,2 Мб создаются
80 дорожек по 15 секторов. Дня приблизительной оценки информационной ем-
кости дискеты 360 Кб можно отметить, что на ней размещается информация, со-
ответствующая примерно 100 листам печатного текста.
180 Глава 2. Принципы организации ЭВМ
Дисковод компакт-дисков CD-ROM (Compact Disk Read-only
Memory, рус. — ПЗУ на основе компакт-диска). Принцип дейст-
вия этого устройства состоит в считывании числовых данных с
помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска.
В магнитооптических дисках информация также хранится на
магнитном носителе, но чтение и запись осуществляются лучом
лазера, что значительно повышает сохранность информации.
Информация на лазерных дисках представляет собой участки,
в различной степени отражающие лазерный луч.
Цифровая запись на компакт-диске отличается от записи на
магнитных дисках очень высокой плотностью, и стандартный
компакт-диск может хранить примерно 650 Мб информации.
Основной недостаток CD-ROM (CD-R) — невозможность запи-
си данных. Однако существуют и записывающие устройства
CD-RW. Они стоят существенно дороже и позволяют однократ-
но записывать информацию на специальные носители, отличаю-
щиеся от обычных компакт-дисков типом поверхностного по-
крытия. В остальном они совместимы.
Печатающие устройства. Принтер — устройство для вывода
информации на бумагу. Принтеры подразделяются на матрич-
ные, струйные и лазерные. Встречается классификация принте-
ров по следующим типам — литерные, лепестковые, светодиод-
ные и др. Кроме того, по формату бумаги различают «широкие»
и «узкие» принтеры. Печатающие устройства (принтеры) позво-
ляют создавать на бумаге копии хранимой в ПК информации.
Они подразделяются на следующие группы:
• матричные принтеры используют комбинации маленьких
штырьков, которые бьют по красящей ленте, благодаря
чему на бумаге остается отпечаток символа. Каждый сим-
вол, печатаемый на принтере, формируется из набора 9, 18
или 24 игл, сгруппированных в виде вертикальной колон-
ки. Недостатки этих недорогих принтеров — их шумная ра-
бота и невысокое качество печати;
• лазерные принтеры работают примерно так же, как копиро-
вальные аппараты. Компьютер формирует в памяти «образ»
страницы текста и передает его принтеру. Информация о
странице проецируется с помощью лазерного луча на вра-
щающийся барабан со светочувствительным покрытием,
меняющим электрические свойства в зависимости от осве-
щенности. После засветки на барабан, находящийся под
электрическим напряжением, наносится красящий поро-
2.6. Устройства ввода-вывода
181
шок — тонер, частицы которого налипают на засвеченные
участки поверхности барабана. Принтер с помощью специ-
ального горячего валика протягивает бумагу под бараба-
ном; тонер переносится на бумагу и «вплавляется» в нее,
оставляя стойкое высококачественное изображение. Цвет-
ные лазерные принтеры пока очень дороги;
• струйные принтеры генерируют символы в виде последова-
тельности чернильных точек. Печатающая головка прин-
тера имеет крошечные сопла, через которые на страницу
выбрызгиваются быстросохнущие чернила. Эти принте-
ры требовательны к качеству бумаги. Цветные струйные
принтеры создают цвета, комбинируя чернила четырех ос-
новных цветов — ярко-голубого, пурпурного, желтого и
черного.
Принтер связан с компьютером посредством кабеля принте-
ра, один конец которого вставляется разъемом в гнездо принте-
ра, а другой — в порт принтера компьютера. Порт — это разъем,
через который можно соединить процессор компьютера с внеш-
ним устройством. Принтер обязательно имеет свой драйвер —
программу, которая способна переводить (транслировать) стан-
дартные команды печати компьютера в специальные команды,
требующиеся для каждого принтера.
Матричные принтеры, оптимально сочетающие стоимость,
скорость и качество печати, имеют умеренный уровень созда-
ваемого при работе шума. Для печати на матричных принтерах
применяется ударный элемент в виде сменного модуля, назы-
ваемый печатной головкой. Печатная головка имеет несколько
крошечных штырьков (обычно девять штук), близко располо-
женных друг к другу по вертикали. При поступлении сигнала от
компьютера штырьки выскакивают из печатной головки и уда-
ряют по красящей ленте, оставляя на бумаге отпечатки. Затем
печатающая головка смещается на один шаг в сторону и печата-
ет точки следующей вертикальной линии. Печать одного симво-
ла осуществляется за семь шагов перемещения печатающей го-
ловки в горизонтальном направлении. Окончив печатать строку
текста, головка возвращается в первоначальное положение. Для
увеличения скорости печати холостой ход головки обычно ис-
ключается, и при движении ее в исходное положение печатается
следующая строка. Качество печати у матричных принтеров тем
выше, чем больше число печатающих штырьков (их может быть
9, 18 или 24). Матричные принтеры позволяют печатать не
182
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
только буквы и цифры, но и сложные графические изображе-
ния. Цвет печати на матричных принтерах определяется цветом
красящей ленты. Чаше используется лента черного цвета. В не-
которых принтерах применяются четырехцветные ленты (чер-
ный — красный — синий — желтый), что позволяет получать
семицветную палитру.
Лепестковые принтеры отчасти напоминают матричные, но
имеют шрифтоносителем вращающееся колесо с лепестками,
напоминающее по форме цветок ромашки. Привод колеса осу-
ществляется сервосистемой, обеспечивающей такой угол его по-
ворота, при котором на позицию печати попадает требуемый
знак (литера). Печать происходит на бумаге при ударе управляе-
мого электромагнитом молоточка по лепестку «ромашки». Изги-
баясь под ударом штырька, лепесток со шрифтом отпечатывает
через красящую ленту изображение символа на бумаге. После
этого «ромашка», молоточек и красящая лента перемещаются
вдоль строки в заданную позицию и печатают следующий сим-
вол. Лепестковые принтеры обеспечивают высокое качество пе-
чати и относительно большую скорость. Недостаток лепестковых
принтеров — высокий уровень шума, ограниченный набор сим-
волов (порядка 50—100, вследствие чего при переходе на другой
алфавит приходится менять шрифтоноситель «ромашку»), и не-
возможность печати графических изображений.
Струйно-капельные принтеры напоминают матричные, но
вместо штырьков, бьющих через красящую ленту, в печатающей
головке установлены крошечные форсунки, выбрасывающие ка-
пельки чернил.
Термические принтеры имеют миниатюрные нагревательные
элементы, выжигающие на теплочувствительной бумаге изобра-
жения цифр и букв.
Матричный и термический принтеры в настоящее время не
выпускаются в виде отдельных устройств. Они теперь входят в
состав кассовых и факсовых аппаратов.
Лазерные принтеры дают наивысшее качество печати при
низком уровне шума и высокой скорости, однако цена их велика.
Лазерные принтеры имеют печатающий барабан, несущий от-
рицательный электростатический заряд. Маломощный лазер,
управляемый сигналами от компьютера, пробегает лучом по ба-
рабану и рисует на нем печатаемую строку. В месте контакта с
лучом поверхность барабана меняет свой заряд. Вращаясь, печа-
тающий барабан соприкасается с другим барабаном-девелопе-
2.6. Устройства ввода-вывода 183
ром, который подает красящий порошок (тонер). Красящий по-
рошок прилипает к заряженным участкам печатающего барабана.
При дальнейшем вращении печатающий барабан соприкасается
с бумагой, несущей статический заряд, благодаря которому крас-
ка с барабана прилипает к бумаге. Затем лист бумаги прокаты-
вается между двух валиков, нагревающих его до температуры
выше 100 °C, благодаря чему краска «прикипает» к бумаге. Ла-
зерные принтеры обеспечивают типографское качество печати —
до 1200 dpi (точек на дюйм). Качество печати у матричных прин-
теров — 200—300 dpi, у струйных принтеров — 350—700 dpi.
Применяемые лазеры: ионный аргоновый лазер (мощность
не более 10 МВт) и инжекционный лазер.
Плоттер (графопостроитель). Это устройство, которое чертит
графики, рисунки или диаграммы под управлением компьютера
(рис. 2.30). Плоттеры используют в проектных институтах, кон-
структорских бюро и т. п. Бывают струйные и механические
плоттеры. Струйные плоттеры устроены аналогично струйным
принтерам, отличаясь только большими размерами. В механиче-
ских плоттерах пишущий узел с перьями (шариковыми, керами-
ческими или фитильными, как во фломастерах) перемещается
относительно листа ватмана с помощью механических рычагов,
или бумага, зажатая в прижимных устройствах, перемещается
относительно пишущего узла.
Рис. 2.30. Плоттер Epson Eps Stylus Pro 7800
Роликовые плоттеры прокручивают бумагу под пером,
а планшетные плоттеры перемещают перо через всю поверх-
ность горизонтально лежащей бумаги. Плоттеру, так же как и
184
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
принтеру, обязательно нужна специальная программа-драйвер,
позволяющая прикладным программам передавать ему инст-
рукции: поднять и опустить перо, провести линию заданной
толщины и т. п.
В корпус компьютера обычно встраивается динамик, способ-
ный выдавать звуковой сигнал одного тона в определенный мо-
мент времени. Для возможности прослушивания музыки в каче-
ственном исполнении, речи, звуковых эффектов необходимо ос-
настить компьютер звуковой приставкой — специальной платой
Sound Blaster (англ. Sound Blaster — «выдувающий» звук), встав-
ляемой в системный блок (корпус) компьютера, и подключае-
мыми к ней колонками.
Мощный компьютер, оснащенный этими и другими устрой-
ствами для создания звуковых эффектов, называют мультиме-
дийным (англ, multimedia — «многие среды», т. е. возможность
одновременно использовать текстовую, графическую, звуковую
и видеоинформацию).
Сканер. Устройство, позволяющее вводить в компьютер в
графическом виде текст, рисунки, слайды, фотографии, графики
и др. Он создает оцифрованное изображение документа и поме-
щает его в память компьютера.
Все сканеры можно разделить на несколько классов: ручные
(протяженные) сканеры, настольные или планшетные сканеры,
сканеры для прозрачных материалов и цифровые камеры. Глав-
ные различия между устройствами — стоимость, качество изо-
бражения и способ использования.
Дешевизна ручных сканеров обусловливается простотой их
конструкции. В небольшом корпусе шириной не более 10—12 см
размещаются лишь датчик и источник света. Сканирование осу-
ществляется вручную последовательным перемещением сканера
относительно оригинала. Устанавливаемая в компьютере карта
интерфейса преобразовывает поступающую информацию в циф-
ровую форму и передает ее для последующей обработки специ-
альной программе. Ручные сканеры не могут сканировать широ-
кие диапазоны оттенков и цветов, необходимых для качествен-
ного воспроизведения в издательстве. Они используются в
сберегательных кассах для идентификации подписи, в магазинах
для распознавания штрих-кода товаров и т. д.
К категории настольных сканеров относятся планшетные,
роликовые, барабанные и проекционные сканеры. Они сравни-
тельно дешевые, удобны тем, что размешаются на столе, давая
2.6. Устройства ввода-вывода
185
возможность поместить сканируемый материал изображения
или текста на стекло и накрыть крышкой. В процессе сканиро-
вания под стеклом перемещается механизм, освещающий доку-
мент ярким светом, который при отражении улавливается набо-
ром чувствительных датчиков. Сканеры успешно сканируют тек-
стовые документы, фотографии, рисунки, т. е. отражающие
оригиналы. На некоторые сканеры можно устанавливать устрой-
ства сканирования прозрачных материалов, что позволит скани-
ровать слайды, фотографические негативы и другие виды пле-
нок. В таком случае свет не отражается от оригинала, а проходит
через него и лишь затем улавливается датчиками. Сканеры —
пример SAD-систем (Sourse Attenuator Detect© — детектор источ-
ника затухания). Когда свет в сканере отражается от документа
или проходит через него, амплитуда сигнала света ослабевает,
что регистрируется датчиками сканера, измеряющими разницу
между световыми значениями.
В большинстве сканеров используются CCD (Charged-
coupled devices) — устройства с зарядовой связью, преобразую-
щие свет в пиксели. Каждый сканер имеет линейный массив,
состоящих из нескольких тысяч CCD, расположенных в ряд
вдоль сканирующего механизма. В некоторых сканерах приме-
няются датчики на комплементарных металло-оксидных полу-
проводниках CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor),
которые вначале появились в цифровых камерах. CMOS отлича-
ются от CCD тем, что они существуют в виде отдельного блока.
CCD и CMOS во время сканирования сравнивают электриче-
ский заряд до и после его отражения от сканируемого оригина-
ла. Разница преобразуется в оттенок и определяет цвет пикселей.
В барабанном сканере оригинал прикрепляется к цилиндру
из плексигласа. Во время сканирования вращается цилиндр,
внутри которого располагается источник света, который при
вращении освещает документ точка за точкой. Оптическая сис-
тема барабанного сканера преобразует интенсивность проходя-
щего света в пиксели. В барабанных сканерах используются дат-
чики РТМ (Photomultiplier Tubes), которые работают аналогично
вакуумной трубке, они очень чувствительны к входящим свето-
вым сигналам. Во время сканирования свет распределяется по
трем РТМ-датчикам, по одному для красного, зеленого и синего
компонентов.
Основная характеристика сканера — оптическое разрешение,
измеряемое в ppi — пикселях на дюйм, в dpi — точках на дюйм,
186
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
в spi, которое показывает количество выборок, сделанных скане-
ром в одном дюйме (1 дюйм = 2,54 см), т. е. сколько раз сканер
просматривает изображение при сканировании. Оптическое раз-
решение указывает, сколько пикселей сканер может считать в
квадратном дюйме, что записывается следующим образом:
300 х 300, 300 х 600, 600 х 1200 и т. п.
Планшетные сканеры имеют разрешение от 300 до 1200 spi,
устройства для прозрачного сканирования имеют разрешение от
2000 до 4000 spi, барабанные — вплоть до 9600 spi.
Динамический диапазон — это совокупность тех оттенков,
которые может прочитать сканер, т. е. плотность, которой изме-
ряют чувствительность сканера при распознавании деталей в са-
мой светлой и самой темной областях изображения. Плотность
использует алгоритмическую шкалу от 0,0 (совершенно чисто)
до 4,0 (99 % света блокировано). У газетной бумаги обычная
плотность равна 1,8; у высококачественной мелованной — при-
мерно 2,0; фотослайды имеют плотность 3,0.
Монитор (дисплей). Основное устройство вывода информа-
ции. Имеются мониторы, основанные на электронно-лучевой
трубке (обычном кинескопе) или жидких кристаллах (англ.
Liquid Crystal Display — LCD). Кроме того, различают цветные и
монохромные (одноцветные) мониторы.
Они предназначены для преобразования информации из
вида, удобного для компьютера, в вид, удобный для пользовате-
ля. Монитор — основное на данный момент устройство вывода
информации (рис. 2.31).
Рис. 2.31. Монитор ASUS 20 PW 201
2.6. Устройства ввода-вывода
187
В настоящий момент выпускаются следующие типы мони-
торов:
• на основе электронно-лучевой трубки;
• на жидких кристаллах;
• плазменные.
Сегодня монитор — самая дорогая часть компьютера. Моно-
хромные мониторы дешевле цветных, недаром такие мониторы
можно часто увидеть в банках, центрах управления сложными
системами и т. п. Кстати, работа на монохромных дисплеях с
оранжевым и зеленым цветами считается наименее утомитель-
ной для глаз.
Внутри корпуса монитора находится электронно-лучевая
трубка и блок развертки (система отклонения электронного
луча). Изображение на экране монитора формируется из множе-
ства расположенных рядами светящихся точек. Точки высвечи-
ваются в результате удара электронного луча о внутреннюю по-
верхность экрана, на которую нанесен фосфоресцирующий со-
став — люминоформ. Электронный луч, управляемый системой
отклонения, обегает экран строку за строкой слева направо
сверху вниз, причем делает это десятки раз в секунду, благодаря
чему изображение устойчиво для человеческого глаза.
Отличия монитора компьютера от обыкновенного телевизо-
ра состоят в следующем.
Во-первых, телепрограммы передаются телецентром непре-
рывно — каждую секунду 24 кадра, чтобы зрители могли посто-
янно видеть изображение на экране. Когда процессор выдает
команду что-то вывести на экран, сформированное изображение
необходимо также несколько раз в секунду передавать на мони-
тор, иначе пользователь ничего не успеет увидеть. Поэтому изо-
бражение нужно запомнить и передавать на экран независимо от
процессора, который в это время может выполнять другие опе-
рации. Эти функции осуществляет специальное устройство —
видеоадаптер, играющий роль своеобразного телецентра, форми-
рующего, хранящего и передающего изображения на экран дис-
плея.
Во-вторых, качество изображения на экране монитора долж-
но быть значительно выше, чем на экране телевизора, поскольку
пользователь смотрит на экран телевизора с относительно боль-
шого расстояния по сравнению с экраном компьютера. По этой
же причине особую роль играет защита человека от разного рода
излучений в дисплеях. Современные дисплеи должны соответст-
188
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
вовать очень строгим требованиям, установленным международ-
ными нормами — стандартами. Следует помнить, что излучения
возникают не только со стороны экрана, где конструкторы пре-
дусматривают максимально возможную защиту для человека, но
и с задней стороны дисплея, где никакой защиты, как правило,
не устраивается. Поэтому размещать компьютеры в помещении
следует по периметру (вдоль стен), чтобы с задней стороны мо-
нитора люди в течение длительного времени не находились.
Монитор может работать либо в текстовом, либо в одном из
графических режимов (видеорежимов).
В текстовом режиме на экран могут быть выведены только
стандартные ASCII-символы. При этом экран разделяется на
строки и столбцы: в стандартном случае 80 столбцов и 25 строк,
границы между ними на экране не видны.
В графическом режиме изображение формируется из сово-
купности большого числа пикселей. Качество изображения в гра-
фическом режиме определяется разрешающей способностью —
количеством пикселей по вертикали и горизонтали. Например,
разрешающая способность 640 х 480 означает, что изображение
формируется из 307 200 пикселей.
Графические режимы отличаются разрешающей способно-
стью и палитрой — количеством выводимых цветов. Переключе-
ние между текстовым и различными графическими режимами
осуществляется программным путем.
Мониторы различаются способностью поддерживать различ-
ные графические режимы. Как правило, для мониторов выпол-
няется правило совместимости сверху вниз, которое означает,
что дисплей может работать как в режимах с высокой разрешаю-
щей способностью и большим количеством выводимых цветов,
так и в режимах, разработанных для дисплеев старых типов, —
с меньшей разрешающей способностью и с меньшим количест-
вом цветов.
Например, дисплеи типа VGA обеспечивают разрешающую
способность 640 х 480, а дисплеи типа SVGA — 800 х 600
и 1024 х 768. Если в описании программы указано, что она мо-
жет быть использована на компьютерах с дисплеем типа VGA, то
ее можно будет запустить и на ЭВМ с дисплеем типа SVGA, а не
наоборот.
Основные потребительские параметры монитора — размер
экрана, его «зернистость» и максимальная частота регенерации
изображения.
2.6. Устройства ввода-вывода
189
Размер монитора измеряется по диагонали, единицы измере-
ния — дюймы. Стандартные размеры: 14, 15, 17, 19, 20, 21, 22,
24”. В настоящее время в классе профессиональных компьюте-
ров типовыми являются мониторы размером 17” и 19", а для ра-
бочих мест, выполняющих операции с графикой, — 21".
Изображение на экране монитора получается в результате об-
лучения люминофорного экранного покрытия остронаправлен-
ным пучком электронов, разогнанных «электронной пушкой».
Для того чтобы получить цветное изображение, экран имеет три
типа люминофорных покрытий, светящихся красным, зеленым и
синим цветом. Они облучаются соответственно тремя электрон-
ными пушками, испускающими три пучка электронов. Для того
чтобы на экране все три луча сходились строго в одну точку и
изображение было четким, перед экраном ставят маску — панель
с регулярно расположенными отверстиями. Чем меньше шаг ме-
жду отверстиями (шаг маски), тем четче и точнее полученное
изображение. Шаг маски называют зернистостью экрана и изме-
ряют в долях миллиметра. В настоящее время наиболее распро-
странены мониторы с зернистостью 0,25—0,27 мм. Устаревшие
мониторы могут иметь зернистость до 0,43 мм, что негативно
сказывается на органе зрения при работе с ПК. Модели повы-
шенной стоимости могут иметь зернистость менее 0,25 мм.
Частота регенерации (обновления) изображения показывает,
сколько раз в течение секунды монитор может полностью изме-
нить изображение (поэтому ее также называют частотой кадров).
Этот параметр зависит не только от монитора, но и от свойств и
настроек видеоадаптера, хотя предельные возможности повыше-
ния частоты определяет все-таки монитор. Частота регенерации
изображения измеряется в герцах (Гц). Чем она выше, тем четче
и устойчивее изображение, тем меньше утомление глаз, тем
больше времени можно работать с компьютером. Минимальным
считается значение 75 Гц, хотя комфортная работа достигается
после 85 Гц. Наилучшие модели мониторов обеспечивают часто-
ту регенерации экрана более 100 Гц.
Видеоадаптер (видеокарта). Видеоадаптер — устройство,
обеспечивающее вывод информации на монитор, представляет
собой электронную схему на печатной плате, вставляемую в
один из разъемов на системной плате. Основной элемент ви-
деоадаптера — микросхема, называемая контроллером элек-
тронно-лучевой трубки, который является посредником между
видеопамятью и монитором: он принимает биты информации
190 Глава 2. Принципы организации ЭВМ
из памяти и преобразует их в светящееся изображение на экра-
не. Кроме того, в адаптере имеется ROM-микросхема с матри-
цей выводимых на экран символов (знакогенератор) и видео-
память.
Видеопамять — это часть оперативной памяти, используе-
мой для хранения электронного образа выводимого на экран
изображения. В современных видеоадаптерах объем видеопамя-
ти составляет от 1 до 8 Мбайт. Монитор и адаптер обычно рас-
сматривают как одно целое и называют их видеоподсистемой
компьютера. В текстовом режиме экран монитора условно раз-
бивается на отдельные ячейки (знакоместа). В пределах каждого
знакоместа можно разместить один произвольный символ. Каж-
дый символ создается из пикселей в виде матрицы, как показа-
но на рис. 2.32.
Рис. 2.32. Пример матрицы символа
На цветных мониторах каждому знакоместу соответствуют
цвет символа и цвет фона, что позволяет выводить на экран
цветные надписи. На монохромных дисплеях для выделения
частей текста и участков экрана может использоваться повы-
шенная яркость символов, подчеркивание текста и инверсное
изображение (темные символы на светлом фоне). Курсор — све-
тящийся символ на экране монитора, указывающий позицию,
на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиа-
туры знак.
2.6. Устройства ввода-вывода
191
Характеристики некоторых видеоподсистем при работе в
графическом режиме представлены в табл. 2.5.
Таблица 2.5. Характеристики видеоподсистем
Тип CGA Год создания 1981 Количество цветов 2 4 Разрешающая способность 640 х 200 320 х 200
EGA 1985 16 640 х 350
VGA 1987 256 16 320 х 200 640 х 480
SVGA (Super VGA) 1990-2007 От 256 до 16 677 256 От 640 х 480 до 1600 х 1200
Видеоадаптер содержит видеопамять, регистры ввода-вывода
и модуль BIOS. Он посылает в дисплей сигналы управления яр-
костью лучей и сигналы развертки изображения. Основные ха-
рактеристики видеокарты — модель, производитель, объем и тип
видеопамяти, частота регенерации.
Тип видеопамяти влияет на скорость работы с текстовой и
графической информацией. Быстрее работают видеокарты, по-
строенные на микросхемах памяти VRAM, WRAM и SGRAM.
Наиболее известные производители: Diamond, ATI, Matrox, Intel.
За время существования ПК сменилось несколько стандар-
тов видеоадаптеров: MDA (монохромный); CGA (4 цвета); EGA
(16 цветов); VGA (256 цветов). В настоящее время применяются
видеоадаптеры SVGA (Super Video Graphics Array — супервидео-
графический массив), обеспечивающие по выбору воспроизведе-
ние до 16,5 млн цветов с возможностью произвольного выбора
разрешения экрана из стандартного ряда значений (640 х 480;
800 х 600; 1024 х 768; 1152 х 864; 1280 х 1024 точек). Разрешение
экрана должно соответствовать размерам монитора (14" —
640 х 480; 15" - 800 х 600; 17" - 1024 х 768; 19" - 1280 х 1024).
Цветовое разрешение (глубина цвета) — минимальное требова-
ние по глубине цвета — 256 цветов, хотя большинство приклад-
ных программ требуют не менее 65 тыс. цветов.
Видеоускорение — одно из свойств видеоадаптера, которое за-
ключается в том, что часть операций по построению изображе-
192
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
ний может происходить без выполнения математических вычис-
лений в основном процессоре компьютера, а чисто аппаратным
путем — преобразование данных в микросхемах видеоускорите-
ля. Основной параметр звуковой карты — разрядность, опреде-
ляющаяся количеством битов, используемых при обработке зву-
ковых сигналов и преобразовании их в цифровую форму.
Контроллер. Устройство, которое связывает периферийное
оборудование или каналы связи с центральным процессором,
освобождая процессор от непосредственного управления функ-
ционированием данного оборудования (рис. 2.33).
Рис. 2.33. Контроллер RS-232 CP2S
Микропроцессор рассматривает все устройства на системной
шине как адресуемую память либо как порты ввода-вывода.
Иначе говоря, под портом понимают некую схему сопряжения,
которая обычно включает один или несколько регистров вво-
да-вывода (особых ячеек памяти). О совершении некоего собы-
тия микропроцессор может узнать по сигналу, называемому пре-
рыванием. При этом исполнение текущей последовательности
команд приостанавливается (прерывается), а вместо нее начина-
ет выполнятся другая последовательность, соответствующая дан-
ному прерыванию. Прерывания можно классифицировать как
аппаратные, логические и программные. Аппаратные прерыва-
ния обычно связаны с запросами от периферийных устройств
(например, нажатие клавиши клавиатуры), логические возника-
ют при работе самого микропроцессора (деление на нуль), а про-
граммные инициализируются выполняемой программой и ис-
пользуются для вызова специальных подпрограмм. Кроме того,
прерывания могут быть маскируемыми, т. е. при определенных
2.6. Устройства ввода-вывода
193
условиях (например, запрете на определение прерывания) мик-
ропроцессор не обращает внимание на них, и немаскируемыми.
В последнем случае, как правило, должны обрабатываться почти
катастрофические события (падение напряжения питания или
ошибка памяти).
В режиме прямого доступа DMA (Direct Memory Access) пери-
ферийное устройство связано с оперативной памятью непосред-
ственно, минуя внутренние регистры микропроцессора. Наибо-
лее эффективна такая передача данных в ситуациях, когда требу-
ется высокая скорость обмена при передаче большого количества
информации (например, при загрузке данных в память с внешне-
го накопителя). Довольно часто для адресов, номеров портов,
прерываний и т. д. используется шестнадцатеричная система
счисления. В этом случае после соответствующего числа стоит бу-
ква h (hexadecimal).
В первых компьютерах IBM PC применялась микросхема
контроллера прерываний i8259 (Interrupt Controller), которая
имела восемь входов для сигналов прерываний (IRQO—IRQ7).
Микропроцессор одновременно может обслуживать только одно
событие, и в выборе данного события ему помогает контроллер
прерываний, который устанавливает для каждого из своих входов
определенный уровень важности — приоритет.
Наивысший приоритет имеет линия запроса прерывания
1RQ0, а наименьший — IRQ7, т. е. приоритет убывает в порядке
возрастания номера линии. В современных моделях компьюте-
ров количество линий прерывания увеличено до 15. В первых
моделях для этого использовалось каскадное включение двух
микросхем i8259.
В режиме прямого доступа DMA периферийное устройство
связано с оперативной памятью непосредственно, а не через
внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективной
такая передача данных бывает в ситуациях, когда требуется вы-
сокая скорость обмена для большого количества информации.
Для инициализации процесса прямого доступа на системной
шине используются соответствующие сигналы.
В компьютерах для организации прямого доступа в память
используется четырехканальная микросхема DMA i8237, один
канал которой предназначен для регенерации динамической па-
мяти, другие каналы служат для управления высокоскоростной
передачей данных между дисководами гибких дисков, винчесте-
ром и оперативной памятью.
194
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
Аудиоадаптер (звуковая плата). Это специальная электронная
плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и
создавать программными средствами с помощью микрофона,
наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого обо-
рудования (рис. 2.34).
Рис. 2.34. Звуковая карта Creative
Аудиоадаптер содержит два преобразователя информации:
аналого-цифровой, который преобразует непрерывные (т. е. ана-
логовые) звуковые сигналы (речь, музыку, шум) в цифровой дво-
ичный код и записывает его на магнитный носитель; цифроана-
логовый, выполняющий обратное преобразование сохраненного
в цифровом виде звука в аналоговый сигнал, который затем вос-
производится с помощью акустической системы, синтезатора
звука или наушников.
Профессиональные звуковые платы позволяют выполнять
сложную обработку звука, обеспечивают стереозвучание, имеют
собственное ПЗУ с хранящимися в нем сотнями тембров звуча-
ний различных музыкальных инструментов.
Область применения звуковых плат — компьютерные игры,
обучающие программные системы, рекламные презентации, «го-
лосовая почта» (voice mail) между компьютерами, озвучивание
различных процессов, происходящих в компьютерном оборудо-
вании.
Слоты расширения. Предназначены для установки карт раз-
личного назначения, расширяющих функциональные возможно-
сти компьютера. На слоты выводятся стандартные шины расши-
рения ввода-вывода, а также промежуточные интерфейсы. Стан-
дартизованные шины расширения ввода-вывода обеспечивают
основу функциональной расширяемости компьютера, который нс
должен замыкаться только на выполнении сугубо вычислитель-
2.6. Устройства ввода-вывода 195
ных задач. Хотя многие компоненты, ранее размещаемые на пла-
тах расширения, постепенно перемещаются на системную плату,
для настольных компьютеров набор шин расширения ввода-вы-
вода имеет большое значение.
В настоящее время используются следующие шины расши-
рения: PCT, AGP, ISA-8, ISA-16, PCMCIA (слот расширения
блокнотных компьютеров). Иногда на системных платах встре-
чаются следующие платы: EISA, MCA, VLB.
Шина AGP использует разъем типа «СЛОТ», конструктивно
представляющий собой щелевой разъем, в котором контакты
разнесены по высоте в два ряда. AGP — выделенный порт для
подключения графического акселератора, в зависимости от сис-
темной карты он может работать в нескольких режимах — двух,
четырех и восьми. В зависимости от режима меняется пропуск-
ная способность шины.
TV-тюнеры. Это видеоплаты, превращающие компьютер в
телевизор (рис. 2.35). TV-тюнер позволяет выбрать любую теле-
визионную программу и отобразить ее на экране в масштабируе-
мом окне. Таким образом, можно следить за ходом передачи, не
прекращая работу за компьютером.
Рис. 2.35. TV-тюнер AVerMedia
Клавиатура. Клавишное устройство управления ПК, кото-
рое служит для ввода знаковой информации (букв, цифр и дру-
гих символов) и команд управления. Комбинация монитора и
клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя.
С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой,
а с помощью монитора получают от нее отклик. Стандартная
196
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
клавиатура имеет более 100 клавиш, распределенных по не-
скольким группам:
• буквенно-цифровые;
• управляющие;
• функциональные;
• цифровая клавиатура;
• управления курсором;
• световые индикаторы функций.
На клавиатуре выделяют следующие типы клавиш.
1. Функциональные клавиши (Fl—F12) в разных программах
выполняют различные команды.
2. Алфавитно-цифровая клавиатура (48 клавиш в пяти рядах)
служит для ввода букв, цифр и других символов. Каждая клави-
ша алфавитно-цифровой клавиатуры имеет два регистра. В ниж-
нем регистре, который работает постоянно, вводятся строчные
буквы и цифры. В верхнем регистре, который работает, только
если нажата клавиша Shift, вводятся прописные буквы и специ-
альные символы.
К алфавитно-цифровой клавиатуре относятся служебные кла-
виши:
• Esc — позволяет отказаться от выполнения некоторых
команд или закрыть диалоговое окно программы;
• Tab (табулятор) — создает длинный пробел (табуляцию)
между символами;
• Caps Lock — включает режим постоянного ввода пропис-
ных букв;
• Enter — создает новый абзац, а также используется для
ввода команды;
• Back Space — удаляет символ слева от текстового курсора;
• Delete — удаляет символ справа от текстового курсора.
С помощью клавиш Shift, Ctrl, Alt создаются «горячие клави-
ши» — сочетания клавиш, за которыми закреплено быстрое вы-
полнение различных команд.
3. Клавиши управления курсором. К ним относятся клавиши:
Номе — в начало текущей строки, End — в конец строки, Page
Up — вверх на экран, Page Down — вниз на экран. Четыре клави-
ши со стрелками (вверх, вниз, влево, вправо) перемещают курсор
вправо, влево, вверх или вниз.
4. Цифровая клавиатура может работать в режимах, которые
изменяются клавишей Num Lock: 1) индикатор клавиши Num
Lock горит: можно вводить цифры и знаки арифметических one-
2.6. Устройства ввода-вывода
197
раций; 2) индикатор клавиши Num Lock не горит: клавиши ра-
ботают в режиме управления курсором.
Манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, дигитайзер). Это
специальные устройства, используемые для управления курсором.
Мышь — устройство управления манипуляторного типа.
Представляет собой плоскую коробочку с двумя-тремя кнопками.
Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано
с перемещением графического объекта (указателя мыши) на эк-
ране монитора. Мышь связана с компьютером кабелем через спе-
циальный блок — адаптер, и ее движения преобразуются в соот-
ветствующие перемещения курсора по экрану дисплея. В верхней
части мыши расположены управляющие кнопки, позволяющие
задавать начало и конец движения, осуществлять выбор меню
и т. п.
В отличие от клавиатуры мышь не может напрямую использо-
ваться для ввода знаковой информации — ее принцип управления
является событийным. Анализируя действия с помощью обраба-
тывающих программ, вычислительная система устанавливает, в
каком месте экрана в этот момент находился указатель мыши.
Интерпретация этих данных позволяет вычислительной системе
установить команду пользователя и приступить к ее исполнению.
Комбинация монитора и мыши обеспечивает наиболее современ-
ный тип интерфейса пользователя, который называется графиче-
ским. Пользователь наблюдает на экране графические объекты и
элементы управления. С помощью мыши он изменяет свойства
объектов и приводит в действие элементы управления компью-
терной системой, а с помощью монитора получает от нее отклик в
графическом виде.
Джойстик — манипулятор, выполняемый в виде рычажка
(ручки) на массивном основании. Управляющие сигналы выра-
батываются движениями ручки и нажатием кнопки (или кно-
пок) на ней. Джойстики, как правило, используют для работы с
игровыми программами. В некоторых моделях в джойстик мон-
тируется датчик давления. В этом случае чем сильнее пользова-
тель нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экрану
дисплея.
Трекбол - небольшая коробка с шариком, встроенным в
корпус ноутбука. Он представляет собой шарик, как правило,
встраиваемый в клавиатуру, который вращают пальцами. Поль-
зователь рукой вращает шарик и соответственно перемешает
курсор. В отличие от мыши трекбол не требует свободного про-
198
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
странства компьютера, его можно встроить в корпус машины.
Трекбол обычно используется в переносных компьютерах —
ноутбуках.
Графический планшет (дигитайзер (англ, digitizer) — оцифро-
выватель) — планшет, покрытый сеткой пьезоэлементов, выра-
батывающих электрический ток при механическом воздействии.
Он представляет собой плоскую панель — планшет, располагае-
мую на столе, и специальный инструмент — перо, с помощью
которого указывается позиция на планшете. При перемещении
пера по планшету фиксируются его координаты в близко распо-
ложенных точках, которые затем преобразуются в компьютере в
требуемые единицы измерения. Дигитайзеры, как правило, ис-
пользуются для ввода карт или планов в ЭВМ. Световым пером
также указываются координаты определенной точки, но непо-
средственно на экране дисплея. На конце пера имеется фотоэле-
мент, которым при поднесении к экрану фиксируется момент
попадания на него электронного луча, формирующего изображе-
ние. На основе этого вычисляются координаты точки, к которой
поднесено световое перо в данный момент времени. Дигитай-
зер — устройство для преобразования готовых изображений
(чертежей, карт) в цифровую форму.
Факс. Это устройство факсимильной передачи изображения
по телефонной сети. Название «факс» произошло от слова «фак-
симиле» (лат. facsimile — сделай подобное), означающего точное
воспроизведение графического оригинала (подписи, документа
и т. д.) средствами печати. Модем, который может передавать и
получать данные как факс, называется факс-модемом.
Устройства телекоммуникации. Предназначены для связи уда-
ленных компьютеров между собой с помощью специального язы-
ка, который называется протоколом обмена информацией. В на-
стоящее время наиболее прогрессивный — протокол TCP/IP. Ка-
ждый компьютер, работающий по этому протоколу, должен
иметь уникальный в данной сети 1Р-адрес.
Этот адрес состоит из четырех групп чисел, каждое из кото-
рых принимает значение от 0 до 255, например 192.168.0.20.
Различают два вида устройств телекоммуникации:
• сетевые платы — предназначены для связи компьютеров на
расстоянии не более 100 м. С помощью сетевых плат мож-
но организовать локальную сеть, обеспечивающую высоко-
скоростной связью компьютеры, находящиеся в пределах
одного здания;
2.6. Устройства ввода-вывода
199
• хабы — активные разветвители сигналов. Используются в
том случае, когда требуется передать сигнал большому ко-
личеству компьютеров или на большее расстояние, чем мо-
гут сетевые платы.
Модем (аббревиатура слов модулятор—демодулятор). Устрой-
ство, преобразующее информацию к виду, в котором ее можно
предавать по линиям связи, в частности по телефонным линиям.
Модемы бывают внутренние (вставляемые в корпус компьютера)
и внешние (представляющие собой отдельные устройства, под-
ключаемые к компьютеру и телефонной линии). Кроме того, раз-
личают телефонные модемы, позволяющие передавать только
текстовые сообщения, и факс-модемы, позволяющие передавать
и графические изображения (рис. 2.36).
а
Рис. 2.36. Разновидности модемов: а — модем LG 460; б — модем ADSL2
Цифровые сигналы, вырабатываемые компьютером, нельзя
напрямую передавать по телефонной сети, потому что она пред-
назначена для передачи человеческой речи — непрерывных сиг-
налов звуковой частоты. Модем обеспечивает преобразование
цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты зву-
кового диапазона — этот процесс называется модуляцией, а так-
же обратное преобразование, которое называется демодуляцией.
Модемы бывают внешние, выполненные в виде отдельного
устройства, и внутренние, представляющие собой электронную
плату, устанавливаемую внутри компьютера.
Модемы подразделяются на следующие типы:
• телефонные модемы для связи по телефонной линии;
• радиомодемы для связи по радио (многие мобильные теле-
фоны обеспечивают связь на скорости до 57 Кбод);
• модемы для выделенной линии обеспечивают высокоско-
ростную связь (до 100 Мбод) между удаленными компью-
терами по выделенной линии;
200
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
• ADSL-модемы обеспечивают высокоскоростную связь по
обычным телефонным проводам (или проводам электросе-
ти) на скорости до 7 Мбод, не мешая одновременному ис-
пользованию телефона по прямому назначению для обыч-
ных разговоров.
Модем предназначен для связи удаленных компьютеров,
и почти все они поддерживают функции факсов.
2.7. Рекомендации по выбору компьютера
Условно все компьютеры можно разделить на две группы:
• ПК группы Brand Name, собранные в широко известных
фирмах, часто производителях основных блоков компьюте-
ра, гарантирующих высокое качество продукции (фирмы
IBM, Compaq, Hewlett Packard и др.);
• прочие компьютеры группы No Name, сборку которых осу-
ществляли не на фирмах, имеющих известное имя.
Компьютеры группы Brand Name должны иметь товарные зна-
ки, указывающие на изготовителя ПК, производителей его ком-
плектующих, торгующую фирму (товарный знак дилера). Нали-
чие товарного знака, помимо всего прочего, определяет перечень
услуг, качество обслуживания и другие сервисные возможности,
предоставляемые покупателю. Компьютеры группы Brand Name
очень дорогие и должны обязательно иметь сертификаты, свиде-
тельствующие о качестве ПК. Сертификация имеет много видов,
аспектов и соответствующую символику. Важны сертификаты
соответствия по совместимости, качеству, безопасности, энерго-
сбережению, внешнему излучению и др.
Важной задачей является выбор конфигурации компьютера:
тип основного микропроцессора и материнской платы, объем
основной и внешней памяти, номенклатура устройств внешней
памяти, виды системного и локального интерфейсов, тип видео-
адаптера и видеомонитора, типы клавиатуры, принтера, манипу-
лятора, модема и др.
Основные характеристики компьютера:
1) разрядность — определяется количеством двоичных разря-
дов, которые процессор обрабатывает за один такт;
2) тактовая частота — важнейшая характеристика процессо-
ра, определяющая его быстродействие;
3) объем оперативной памяти.
2.7. Рекомендации по выбору компьютера
201
Производительность компьютера — его интегральная харак-
теристика, которая зависит от частоты и разрядности процессо-
ра, объема оперативной и внешней памяти и скорости обмена
данными, она определяется в процессе тестирования по скорости
выполнения определенных операций в стандартной программ-
ной среде.
Основными факторами повышения производительности ПК
являются:
• увеличение тактовой частоты;
• увеличение разрядности и внутренней частоты МП;
• конвейеризация выполнения операций в МП и наличие
кэш-памяти команд;
• увеличение количества регистров МПП;
• наличие и объем кэш-памяти, объем ОЗУ, возможность ор-
ганизации виртуальной памяти;
• наличие математического сопроцессора;
• пропускная способность системной шины и локальной
шины;
• объем памяти видеоадаптера и его пропускная способность;
• пропускная способность мультикарты, содержащей адапте-
ры дисковых интерфейсов и поддерживающей последова-
тельный и параллельный порты для подключения принте-
ра, мыши и др.
Следует иметь в виду, что увеличение в два раза объема опе-
ративной памяти повышает производительность ПК примерно
на 75 %, а наличие кэш-памяти емкостью 256 Кб — на 20 %.
Производительность современного ПК зависит не только от так-
товой частоты, характеристик микропроцессора, оперативной
памяти, накопителя на жестких магнитных дисках и видеосисте-
мы, но и в значительной степени от интерфейса.
Микропроцессоры быстро совершенствуются, изменяются и
устаревают. Популярные еше два-три года назад МП становятся
непригодными для современных прикладных программ, так как
новые программные продукты и периферийные устройства ста-
новятся несовместимыми с МП.
В этой связи желательно выбирать перспективный МП, на-
пример МП Pentium 4 либо Pentium 4 Хеоп.
Системный интерфейс. Можно выбрать интерфейс EISA, ло-
кальный интерфейс — PCI, дисковый интерфейс — SCSI.
Объем оперативной памяти должен быть нс менее
256 Мбайт, а лучше 512 Мбайт и более, поскольку многие при-
202
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
кладные программы с меньшими объемами оперативной памяти
не работают либо работают, но очень медленно.
Номенклатура устройств внешней памяти'.
• винчестер — емкость от 120 до 1000 Гб. Время доступа
к информации — примерно 8 мс. Трансфер (скорость пе-
редачи данных) винчестера должен быть в пределах
3000 Кбайт/с. Наличие внутренней кэш-памяти (8 Мб), за-
метно улучшающей показатели времени доступа, трансфер
и память;
• НГМД — накопитель на гибких магнитных дисках с форм-
фактором 3,5";
• накопитель на оптических дисках CD-ROM. Для практиче-
ских целей лучше использовать DVD-ROM, так как новые
программные продукты выпускаются на DVD.
Модем позволит приобщиться к системе телекоммуникаций
(скорость — 56 Кб/с).
Стоимость монитора весьма велика и достигает 50 % цены
всего компьютера, однако от монитора зависят комфортность
работы и здоровье пользователя. Мониторы с частотой кадровой
развертки менее 70 Гц и с чересстрочной разверткой нежела-
тельны, так как мерцание экрана пагубно отражается на зрении.
Важна четкость фокусировки, а у цветного монитора и своди-
мость лучей (попадание лучей всех трех цветов в одну точку).
Для обеспечения хорошей разрешающей способности (сред-
няя величина 1280 х 1024) монитор должен работать с видео-
адаптером SVGA, имеющим видеопамять не менее 1 Мбайта.
Экран у монитора должен быть плоским, антибликовым, с анти-
статическим покрытием (тип Anti Static — AS), с низким уров-
нем излучения (тип Low Radiation — LR).
При выборе типа принтера следует иметь в виду, что наилуч-
шее качество печати, разрешающую способность (20—30 то-
чек/мм) и скорость печати (до 1000 знаков/с) имеют лазерные
принтеры. Струйные принтеры и по качеству печати, и по стои-
мости занимают промежуточное положение. Матричные принте-
ры очень шумные и для домашнего использования не пригодны.
Принтеры имеют внутреннюю оперативную память, исполь-
зуемую как буфер при обмене данными с ПК и для хранения за-
гружаемых шрифтов. У лазерных принтеров объем памяти до не-
скольких мегабайт. Принтеры при печати используют разные
типы шрифтов (от 3 до 15 типов). Шрифты в принтерах могут
храниться во внутренних ПЗУ (резидентные шрифты); находить-
2.7. Рекомендации по выбору компьютера
203
ся во внешних кассетах, подключаемых с помощью специальных
разъемов (аппаратнозагружаемые шрифты); загружаться в бу-
ферную память принтера с помощью специальных драйверов
(программно-загружаемые шрифты). Желательно, чтобы были
резидентные шрифты, в частности шрифт кириллица. Учитыва-
ются сервисные возможности принтера: автоподача бумаги, на-
личие лотков для приема листов, возможность работы с листо-
вой и рулонной бумагой и др.
Выбор конфигурации компьютера. Для обозначения конфигу-
рации конкретного персонального компьютера применяют запи-
си стандартного типа.
Например, пусть о компьютере из прайс-листа известно:
Pentium П-333/64 Sdram/3.1Gb/ATI 3D Char 4 Mb/Mini/
CD ROM 24X + SB 16 ESS68.
Конфигурация компьютера. Вначале пишется тип процессо-
ра — Pentium II с тактовой частотой 333 МГц (элементарных опе-
раций, тактов). Далее обозначен объем и тип оперативной памя-
ти — 64 Мбайта. В персональный компьютер встроен винчестер
объемом 3,1 Гбайта. Используется видеокарта ATI 3D Char с
4 Мб видеопамяти, видеокарта оптимизирована для работы с
трехмерной графикой 3D. Корпус стандартный MiniTower. В со-
став ПК также входит 24-скоростной дисковод (CD ROM 24Х)
компакт-дисков и простая звуковая карта Sound Blaster (SB 16
ESS68). В стандартную конфигурацию компьютера всегда входят
3,5-дюймовый флоппи-дисковод, поэтому он в записи не указы-
вается, и мышь. Монитор совместно с данным комплектом не
продается.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятия «запоминающее устройство». Опишите
структурную схему и типы ОЗУ.
2. Перечислите основные характеристики ОЗУ.
3. В чем смысл стековой и кэш-памяти?
4. Назовите основные характеристики микропроцессоров.
5. Перечислите элементы, определяющие архитектуру ЭВМ.
6. Перечислите этапы работы ЭВМ при выполнении команды.
7. Чем характеризуется мультипрограммный режим работы ЭВМ?
8. Что такое адрес ячейки памяти ЭВМ?
204
Глава 2. Принципы организации ЭВМ
9. Что такое адресное пространство ЭВМ? Чем определяются его раз-
меры?
10. Укажите назначение процессора ЭВМ, его компоненты и их назна-
чение.
11. Для чего в процессоре нужно устройство управления?
12. Каковы функции общей шины (магистрали)?
13. Каково назначение и устройство НЖМД?
14. Какую функцию выполняют контроллеры?
15. Как конструктивно выполнены современные микропроцессоры?
16. Что представляет собой гибкий диск?
17. В чем суть магнитного кодирования двоичной информации?
18. Как работают накопители на гибких магнитных дисках? На жестких
магнитных дисках?
19. Каковы достоинства и недостатки накопителей на компакт-дисках?
20. Опишите работу стриммера.
21. Как работает аудиоадаптер, видеоадаптер?
22. Назовите главные компоненты и управляющие клавиши клавиатуры.
23. Перечислите основные компоненты видеосистемы компьютера.
24. Как формируется изображение на экране цветного монитора?
25. Как устроены жидкокристаллические мониторы?
26. Опишите работу матричных, лазерных и струйных принтеров.
21. Чем работа плоттера отличается от работы принтера?
28. Опишите способ передачи информации посредством модема.
29. Каково назначение и состав видеосистемы? Перечислите основные
классификационные признаки монитора.
30. Каково назначение принтера? Перечислите классификационные при-
знаки принтера.
31. Опишите принцип работы сканера.
32. Объясните назначение и устройство НГМД и CD-ROM.
Глава 3
МИКРОПРОЦЕССОРЫ
Микропроцессор — это устройство, представляющее собой
одну или несколько больших интегральных схем (БИС), выпол-
няющих функции процессора ЭВМ. Классическое вычислитель-
ное устройство состоит из арифметического устройства (АУ),
устройства управления (УУ), запоминающего устройства (ЗУ) и
устройства ввода-вывода (УВВ).
Арифметическое устройство и устройство управления образу-
ют процессор любой ЭВМ, т. е. ее управляющую и обрабатываю-
щую части. УУ вырабатывает сигналы, под действием которых
АУ выполняет все необходимые операции и действия. Существу-
ют два метода построения УУ: с использованием комбинацион-
ных схем и микропрограммного запоминающего устройства.
В первом случае каждое входное воздействие на УУ жестко связа-
но с выходным и их изменения возможны только при изменении
электрической схемы устройства управления. Поскольку входное
воздействие — это команда МП, то использование такого метода
жестко фиксирует его систему команд; при этом достигается
максимальное быстродействие устройства управления. Микро-
процессоры, использующие комбинационные УУ, являются МП
с фиксированным набором команд.
В соответствии с микропрограммным принципом управления
любая сложная операция делится на последовательность более
простых действий. Такое простое действие называется микроопе-
рацией и выполняется за один такт работы АУ. Для задания оче-
редности следования микроопераций вводятся специальные пе-
ременные, называемые логическими условиями. Совокупность
микроопераций, выполняемых за один цикл (несколько тактов)
работы устройства, называется микрокомандой (МК). Микро-
206
Глава 3. Микропроцессоры
команда представляет собой двоичное слово, содержащее код
операции (КОП), выполняемой АУ, а также коды адресов исход-
ных данных и результата. Микрокоманда поступает на вход АУ,
которое дешифрует ее и вырабатывает управляющие сигналы.
Эти сигналы стробируются импульсами внутреннего блока син-
хронизации, который формирует временные такты выполнения
микроопераций. Микрооперации жестко связаны со структурой
АУ и не могут быть изменены.
Устройство управления формирует и подает во все блоки
ЭВМ в нужные моменты времени определенные сигналы управ-
ления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой
выполнения различных операций; формирует адреса ячеек па-
мяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти
адреса в соответствующие блоки ЭВМ, а также получает от ге-
нератора тактовых импульсов опорную последовательность им-
пульсов.
После выполнения действия, определенного КОП, АУ ин-
формирует об окончании выполнения микрокоманды. Каждому
АУ присущ только свой, конкретный набор МК, который назы-
вается системой микрокоманд.
Устройство, предназначенное для записи, хранения и считы-
вания МК, называется микропрограммным устройством управле-
ния (МУУ) или микропроцессорной памятью (МПП).
В 1969 г. компании Intel удалось создать комплект из четырех
интегральных микросхем (ИМС) с полным набором элементов,
характерным для процессора. Длина слова первого МП составля-
ла всего 4 бита. В 1971 г. был выпушен 4-разрядный коммерче-
ский МП Intel 4004, который стал применяться в микрокаль-
куляторах. Уже в 1972 г. появился 8-разрядный МП Intel 8008,
а в 1974 г. — его улучшенный вариант Intel 8080. Он нашел при-
менение в первых встроенных ЭВМ для управления производст-
венными процессами.
Для считывания МК необходимо устройство формирования
адреса, например счетчик. Любую операцию можно представить
последовательностью МК, т. е. микропрограммой.
Микрокомандный уровень управления АУ — самый низкий
уровень, доступный разработчику МПУ. Микрокоманда наибо-
лее полно отражает структуру АУ, в силу чего реализация опера-
ций с помощью микропрограмм является оптимальной в смысле
экономии памяти и повышения быстродействия. Наряду с этим
МК представляет собой достаточно мелкую детализацию выпол-
Глава 3. Микропроцессоры
207
няемой операции, например «обнулить регистр», «содержимое
регистра переслать в аккумулятор» и т. д. Поэтому для програм-
мирования сложных алгоритмов, которыми являются алгоритмы
обработки сигналов, потребовалось бы составить микропрограм-
мы, содержащие сотни и тысячи микрокоманд.
Презентация первого микропроцессора Pentium 1 прошла в
США в 1993 г., затем появились Pentium Pro (1995), Pentium 2
(1997) и Pentium 3 (1999), а в 2000 г. был представлен Pentium 4.
За эти семь с небольшим лет компания Intel выпустила 18 раз-
ных моделей микропроцессоров семейства Pentium.
Тактовая частота первого Pentium 1 составляла 66 МГц, а пер-
вого Pentium 4 уже 1,4 ГГц. В настоящее время на компьютерном
рынке появились Pentium 4 с частотой около 2 ГГц, и вскоре бу-
дет достижима частота 3 ГГц.
Эволюция МП семейства Pentium сопровождалась повыше-
нием их производительности:
• ускорением доступа к оперативной памяти;
• расширением возможностей конвейерной обработки
команд;
• включением в систему команд групповых операций.
Ускорение работы с памятью сокращает вынужденные паузы
в работе МП при чтении или записи данных, т. е. это косвенный
способ повышения производительности. Прямые способы —
конвейерная обработка инструкций и выполнение вычислений
над группами данных.
Начиная с Intel 486, в состав МП входит сверхбыстрое ассо-
циативное запоминающее устройство, называемое кэш. Кэш —
посредник между процессором и оперативной памятью, в кото-
ром хранятся данные вместе с их адресами в ОЗУ, отсюда назва-
ние — ассоциативная память. У семейства Pentium кэш имеет
двухуровневую структуру, первый уровень всегда входит в состав
МП и в зависимости от модели имеет объем 8 или 16 Кб. Второй
уровень в зависимости от модели МП может располагаться как в
одном корпусе с процессором, так и на материнской плате, его
объем составляет сотни килобайт. Данные и команды хранятся в
двух независимых кэш первого уровня.
Микропроцессор выполняет следующие функции: чтение и
дешифрацию команд из основной памяти (ОП), чтение данных
из ОП и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ), прием и
обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ,
обработку данных и их запись в ОП и в регистры адаптеров ВУ,
208
Глава 3. Микропроцессоры
выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и бло-
ков ПК.
Регистр представляет собой совокупность бистабильных уст-
ройств (т. е. имеющих два устойчивых состояния), предназначен-
ных для хранения информации и быстрого доступа к ней. В каче-
стве таких устройств в интегральных схемах используют триггеры.
Триггер, в свою очередь, выполнен на транзисторных переключа-
телях (электронных ключах). В регистре из Nтриггеров можно за-
помнить слово из N бит информации. Регистры выполняют две
функции: кратковременное хранение числа или команды и осу-
ществление над ними некоторых операций. Регистр отличается от
ячейки памяти тем, что может не только хранить двоичный код,
но и преобразовывает его. Основной элемент регистра — триг-
гер — электронная схема, которая хранит 1 бит информации.
Триггер имеет два устойчивых состояния, которые соответствуют
логической 1 и логическому 0. Регистр — совокупность триггеров,
связанных друг с другом общей системой управления.
Регистры микропроцессора делятся на регистры общего назна-
чения (они универсальные и могут использоваться для хранения
любой информации, но некоторые из них должны быть обязатель-
но задействованы при выполнении ряда процедур) и специальные
(применяются для хранения различных адресов, признаков резуль-
татов выполнения операций и режимов работы ПК).
Важнейшие регистры устройства управления:
• счетчик команд, содержимое которого соответствует адре-
су очередной выполняемой команды (служит для автома-
тической выборки программы из последовательных ячеек
памяти);
• регистр команд, применяемый для хранения кода команды
на период времени, необходимого для ее выполнения
(часть его разрядов используется для хранения кода осуще-
ствляемой операции, остальные — для хранения кодов ад-
ресов операндов).
Команда — это элементарная операция, которую должна вы-
полнить ЭВМ. Разрядность МП равна 16, 32, 64, 128 — это мак-
симальное количество разрядов двоичного числа, над которым
одновременно может производиться машинная операция. Чем
больше разрядность, тем выше производительность ПК при про-
чих равных условиях.
В персональных компьютерах применяются следующие мик-
ропроцессоры: Intel (8086, 8088, 80286, 80386, 80486), Pentium Pro,
Глава 3. Микропроцессоры
209
Pentium 1—4 фирмы Intel, а также их аналоги фирм AMD, IBM,
CYRIX. Все МП различных фирм совместимы по системе команд
и контактным выводам.
На системной плате МП, как правило, устанавливается в
специальный разъем (Socket) и при необходимости легко заме-
няется другим МП такой же марки или его аналогом. Целью за-
мены может быть повышение производительности (тактовой
частоты) либо надежности работы, устранение неисправности.
Все микропроцессоры можно разделить на три типа:
• CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набо-
ром команд;
• RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным
набором команд;
• MISC (Minimum Instruction Set Computing) с минимальным
набором команд и весьма высоким быстродействием.
Микропроцессоры типа CISC. Большинство современных
персональных компьютеров используют микропроцессоры типа
CISC. Характеристики наиболее распространенных из них при-
ведены в табл. 3.1.
Так, модификации МП с буквами DX практически совпа-
дают с базовой моделью; SX и SL имеют меньшую разрядность
шин; SL и особенно SLE — энергосберегающие, ориентирова-
ны на использование в портативных ПК.
Микропроцессоры типа RISC. Содержат набор простых
команд, чаше всего встречающихся в программах. При необхо-
димости выполнения более сложных команд в микропроцессоре
производится их автоматическая комбинация из более простых.
В этих МП на осуществление каждой простой команды за счет
их наложения и параллельного выполнения тратится один ма-
шинный такт (на выполнение самой короткой команды из сис-
темы CISC обычно тратится четыре такта).
Один из первых микропроцессоров типа RISC — ARM (IBM
PC RT) — 32-разрядный МП, имеющий 118 различных команд.
Современные RISC — микропроцессоры типа Intel 80860, 80960,
80870, Power PC являются 64-разрядными при быстродействии
до 150 млн оп/с.
Микропроцессоры типа MISC. Компьютер с минимальной
системой команд. Последовательность простых инструкций объ-
единяется в пакет, таким образом программа преобразуется в не-
большое количество длинных команд.
210
Глава 3. Микропроцессоры
Таблица 3.1. Характеристики МП типа CISC
Модель МП Разрядность, бит Тактовая частота, МГц Адресное про- странство, байт Число элементов Год выпуска
данных адреса
4004 4 4 4,77 4- 103 2300 1971
8080 8 8 4,77 64- 103 10 000 1974
8086 16 16 4,77 и 8 106 70 000 1982
8088 8, 16 16 4,77 и 8 106 70 000 1981
80186 16 20 8 и 10 106 140 000 1984
80286 16 24 10-33 4 - 106 (виртуаль- ное 109) 180 000 1985
80386 32 32 25-50 16 • 106 (вирту- альное 4 • 109) 275 000 1987
80486 32 32 33-100 16 106 (вирту- альное 4 • 109) 1,2 106 1989
Pentium 64 32 50-150 4 109 3,1 106 1993
Pentium Pro 64 32 66-200 4 109 5,5 106 1995
Примечание. Микропроцессоры МП 80386, 80486 имеют модификации с
буквами SX, DX, SL и другими (80486SX, 80486DX), отличающиеся от базовой
модели разрядностью шин, тактовой частотой, надежностью работы, габарита-
ми, потребляемой энергией, амплитудой напряжения и др.
Пример 3.1. Вычислить численное значение величины:
х = (а2 + b- c)/d - к,
где а = 7240,76; b = 385,64; с = 64.93; d = 479,67; к = 17890,72.
Алгоритм решения задачи.
1. Вычислить а2 = а * а.
2. Найти произведение b • с = b * с.
3. Определить значения числителя: а2 + b * с.
4. Найти значение дроби, для чего числитель разделить
на d\ (а2 + b * c)/d.
Глава 3. Микропроцессоры
211
5. Вычесть из дроби значение к, получив таким образом ис-
комое значение х:
х - (а2 + b * c)/d - к.
Весь ход вычисления делится на ряд последовательных про-
стейших операций, для каждой из которых составляется отдель-
ная команда. Команда представляет собой условный набор цифр
(код), определяющий действие машины для выполнения одной
операции. Иначе говоря, командой называется машинное слово,
предназначенное для управления работой ЭВМ при выполнении
одной определенной операции. Команды программы записыва-
ются в ячейки ЗУ, начиная с номера 0100, а исходные данные —
в ячейки, начиная с номера 0200.
В рассматриваемом примере распределение памяти может
быть представлено в следующем виде:
0200) А 0205
0201) В 0206
0202) С 0207 Номера рабочих ячеек
0203) D 0210
0204) К 0211
Совокупность операций, выполняемых ЭВМ, называется
системой команд. В данном случае используется только часть
кодов операций из системы команд ЭВМ:
01 — сложение;
02 — вычитание;
03 — умножение;
04 — деление;
33 — останов машины.
Первая команда должна обеспечить получение А2 умножени-
ем А на А. Записывается она следующим образом:
03 0200 0200 0205.
Здесь 03 — код операции умножения; 0200 — первый адрес
команды, указывающий номер ячейки, в которой находится пер-
вый сомножитель (Л); 0200 — второй адрес команды, указываю-
щий номер ячейки, в которой находится второй сомножитель
(Л); 0205 — адрес команды, указывающий номер ячейки, в кото-
рую должен быть записан результат выполнения операции (А2).
Приведенная команда читается: «Умножить число, находящееся
212
Глава 3. Микропроцессоры
в ячейке 0200, на содержимое ячейки 0200 (т. е. само на себя) и
результат операции послать в ячейку 0205».
Вторая команда составляется аналогично: 03 0201 0202 0206.
Запишем составляемую программу, учитывая, что команды
хранятся в ячейках, начиная с номера
0100.
Номер Код опе- Первый Второй Третий Пояснения
команды раций адрес адрес адрес
0100 03 0200 0200 0205 А2 = (А * А) 0205
0101 03 0201 0202 0206 ВС = (В *С) 0206
0102 01 0205 0206 0207 (А2 + ВС) 0207
0103 04 0207 0203 0210 (А2 + BC/D) 0210
0104 02 0210 0204 0211 X = (А2 + ВС/D) -
0105 33 0000 0000 0000 Останов
Ответ находится в ячейке 0211.
Команда по своей структуре имеет операционную и адресную
части. Операционная часть содержит код выполняемой опера-
ции, а адресная часть — адреса чисел, участвующих в операции.
Любая команда ЭВМ представляет собой некоторую упоря-
доченную последовательность битов, которая определяет: опера-
цию, инициируемую этой командой, и адреса операндов, участ-
вующих в данной операции.
В большинстве ЭВМ команда имеет операционно-адресную
систему.
Код ОП
Код адресов (операндов)
В операционной части с точки зрения машинного представ-
ления записывается код операции, а в адресной части задается
код адресов операндов. Он содержит информацию не только об
адресах операндов и результате операции, но и об адресе следую-
щей команды. Под форматом команды понимается состав, на-
значение и расположение отдельных полей команды. Развитие
структуры происходит лишь вследствие уменьшения поля адреса
(SISC-процессоры). С появлением RISC-процессоров произошел
возврат к расширенной адресности системы команд (говоря о ба-
зовом уровне, речь идет о SISC-npoueccopax).
Глава 3. Микропроцессоры
213
Первоначально система команд имела следующий формат:
КОП А! А2 А3 Ад
А3 := (А,) * (А,); СчАК := А4,
где СчАК — счетчик адреса команд (СчАК после исполнения
очередной команды всегда увеличивает свое содержимое на еди-
ницу (или на другое определенное значение)), * — операция,
(А,) — содержимое адреса А,-
При естественном порядке расположения в каждой команде
задается адрес следующей команды, и необходимость в поле А4
отпадает.
Следовательно, формат приобрел вид:
КОП А, А2 А3
А3 := (А!) * (А2); СчАК := (СчАК) + 1.
Большинство вычислений имеет рекуррентную схему, что
позволяет сделать систему команд двухадресной:
КОП А] А2
(A,) := (А,) * (А2); СчАК := (СчАК) + 1.
Такая схема вычислений — основная для современных ЭВМ,
но в последнее время в процессорах появились специальные ре-
гистры, которые всегда используются в вычислениях:
ACC := (ACC) * Y.
Если применять аккумуляторный принцип, то для системы
команд достаточно использовать один адрес
КОП А1
Большинство команд SlSC-процессора является одно- и
двухадресными. В некоторых случаях команды можно не адресо-
вать, если команда задает операцию над фиксированными адре-
сами (например, действие над аккумуляторами), в формате таких
команд адресное поле отсутствует. Команда называется безад-
ресной или нульадресной. Качественный сравнительный анализ
показывает.
1. Короткие команды предпочтительнее длинных, так как за-
нимают меньше памяти. Если физическое быстродействие фик-
214
Глава 3. Микропроцессоры
сировано, то количество выбираемых из памяти команд обратно
пропорционально длине команды, а значит, скорость работы
процессора для коротких команд больше, чем для более длин-
ных. Короткие команды увеличивают производительность про-
цессора. В современных ЭВМ, для того чтобы повысить произ-
водительность, нужно увеличить количество команд, извлекае-
мых из памяти за один цикл обращения.
2. Форматы команд должны обеспечивать достаточное про-
странство для задания всех операций (если система компьютера
включает N операций nmilI = ] log2JV f округление в большую сто-
рону).
3. Длина команды должна быть кратна длине базовой струк-
турной информационной единицы (т.е. либо команда должна за-
нимать целое число байт или слов, или в одном слове должно
находиться целое число команд). Если в одном слове не целое
число команд, то либо память недоиспользуется, либо усложня-
ются процедуры выбора команд. Кроме того, длина команды
должна выбираться с учетом длины кодов символов обрабаты-
ваемых данных.
4. Длина адресного поля команды очень тесно связана с ор-
ганизацией памяти компьютера, а также с размером адресного
пространства памяти, которую можно непосредственно адресо-
вать в памяти компьютера. Если память включает в себя М ад-
ресных элементов, то минимальная длина адресного поля:
wmin = ] log2d/[. Если исходить из фиксированной длины адрес-
ного поля, то емкость памяти будет зависеть от того, какова ми-
нимально адресуемая единица информации.
Имеется два способа решения задач при ограниченном
командном слове: применение команд переменной длины и рас-
ширение кода операций. Для задания часто используемых опера-
ций, как правило, применяют короткий код операций, а в соче-
тании с коротким адресным полем получаем короткие коман-
ды, — эффективное использование памяти и максимально
возможную скорость обработки. Для задания других, менее час-
то используемых операций и действий применяются более длин-
ные поля кодов (может быть без изменения длины команды).
Команды, закодированные в цифровом виде, хранятся в опе-
ративной памяти наравне с данными. Для процессора оператив-
ная память — это тысячи 8-разрядных ячеек, каждая из которых
имеет свой номер, называемый адресом. Команды программы
поочередно выбираются из оперативной памяти и поступают
Глава 3. Микропроцессоры
215
в устройство управления, которое расшифровывает команду и
сообщает арифметико-логическому устройству, из каких ячеек
оперативной памяти взять данные, какие операции над ними вы-
полнить и в какую ячейку памяти поместить результат вычисле-
ния (рис. 3.1).
5 6 7 8 9 10 11 12 13
Магистраль данных
Микропроцессор
Регистр адреса
Блок ячеек памяти
Основная память
Рис. 3.1. Развернутая структурная схема микрокомпьютера
(без устройств ввода-вы вода)
216
Глава 3. Микропроцессоры
Быстродействие ПК зависит от микропроцессора, а скорость
работы микропроцессора, в свою очередь, зависит от его разряд-
ности и от тактовой частоты.
Тактовая частота — это частота периодического электриче-
ского сигнала, вырабатываемого специальной микросхемой, на-
зываемой генератором тактовых импульсов (тактовым генерато-
ром). Указанный периодический сигнал используется для син-
хронизации работы всех устройств компьютера подобно тому,
как многочисленные зубчатые колеса в механических часах ра-
ботают синхронно колебаниям маятника. Тактовая частота изме-
ряется в мегагерцах (миллионах тактов в секунду).
Информация внутри компьютера передается не сплошным
потоком, а порциями — машинными словами. Разрядность микро-
процессора — это длина используемых им машинных слов.
В табл. 3.2 приводятся некоторые сведения о микропроцессорах
фирмы Intel, лидирующей в области разработки и производства
микросхем для персональных компьютеров.
Таблица 3.2. Некоторые характеристики микропроцессоров
Название микропроцессора Разрядность Тактовая частота, МГц
Intel 8086 16 4,77- 8
Intel 80286 16 6-25
Intel 80386 32 16-40
Intel 486, 486DX2, 486DX4 32 25-100
Intel Pentium 32 60-200
Intel Pentium Pro 32 150-200
Intel Pentium MMX 32 150-233
Intel Pentium 11 32 233-533
Intel Pentium III 32 450-500
Intel® Core™ 34 650-700
3.1. Команды микропроцессора
Программа представляет собой набор байтов, воспринимае-
мых микропроцессором как коды той или иной команды вместе
с соответствующими данными для этой команды. Для упроще-
3.1. Команды микропроцессора
217
ния программирования используется мнемоническая запись
команд МП (обычно в виде сокращенных английских слов).
Исходя из логики выполнения, команды разбиты на сле-
дующие группы: пересылки данных, арифметические, сдвига,
логические, передачи управления, ввода-вывода и работы со
строками.
Под адресацией данных в МП подразумеваются способы опи-
сания соответствующих адресов хранения операндов, которые
можно применять в командах. Основные способы описания опе-
рандов: операнды-регистры, непосредственные операнды, опе-
ранды в памяти.
Входящие в состав микропроцессора компоненты указыва-
ют на то, что он является процессором с программным управ-
лением. Некоторые компоненты — программный счетчик
(счетчик команд СК), стек, регистр команд (РК) служат для об-
работки команд. Арифметико-логическое устройство, триггер
переноса, регистры общего назначения (РОН) и регистр адреса
данных (РА) служат для обработки данных. Все остальные ком-
поненты, а именно: дешифратор команд (дешифратор кода
операции ДКОП) и блок управления и синхронизации (БУ)
управляют работой других компонентов. Взаимодействие ком-
понентов осуществляется по внутренней шине данных. Связь
МП с другими блоками (ЗУ и устройствами ввода-вывода) про-
исходит по адресной щине, шине данных (внешней) и управ-
ляющей шине.
При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает опре-
деленные стандартные действия.
1. Согласно содержимому счетчика адреса команд считывает-
ся очередная команда программы (ее код обычно заносится на
хранение в регистр команд).
2. Счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в
нем содержался адрес следующей команды.
3. Считанная в регистр команд операция расшифровывается,
извлекаются необходимые данные и над ними выполняются тре-
буемые действия.
Затем во всех случаях, за исключением команды останова
или наступления прерывания, все описанные действия цикличе-
ски повторяются.
После выборки команды останова ЭВМ прекращает обра-
ботку программы. Для выхода из этого состояния требуется либо
запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.
218
Глава 3. Микропроцессоры
Пример 3.2. Описать процесс выборки и исполнения
команды, по которой содержимое регистра РОН суммируется с
содержимым аккумулятора А и результат операции фиксируется
в аккумуляторе.
Команда однобайтовая с прямой регистровой адресацией.
В коде команды (10000001), - (81)16 первые пять старших разря-
дов определяют код операции; три последних — код адреса реги-
стра С. Команда записана в ячейку ОЗУ с адресом (номером)
(0176)|6. Число (2F)16 записано в регистр С РОН. В аккумулятор
А записано число (ЗА)16.
Процесс выборки и исполнения команды можно условно
разбить на несколько этапов.
1. Адрес команды (0176),6 записывается в регистр адреса дан-
ных (РА).
2. Адрес команды из РА по шине адреса поступает в ОЗУ.
3. ОЗУ находит ячейку с указанным адресом и считывает
команду в буферный регистр ОЗУ.
4. Команда из буферного регистра ОЗУ по внешней шине
данных, буфер данных (БД), внутренней шине данных поступает
в РК.
5. Дешифратор кода операции (ДКОП) распознает, что вы-
борка команды закончена и содержимое аккумулятора и регист-
ра С РОН необходимо подвергнуть суммированию.
6. Содержимое РА увеличивается на единицу, и формируется
адрес следующей ячейки ОЗУ (0177)16.
7. Блок управления и синхронизации (БУ) вырабатывает по-
следовательность сигналов, под воздействием которых числа
(ЗА),6 из аккумулятора и (2F)16 из регистра С РОН поступают в
АЛУ, где производится операция суммирования: (ЗА)|6 + (2F)16 -
= (69)16 = (01101001)2.
8. Результат операции записывается в аккумулятор, замещая
в нем прежнее число (ЗА)16.
9. Выполнение команды закончено. Начинается выборка
следующей команды с адресом (0177),6.
Микропроцессор имеет все режимы адресации, однако они
обладают определенными особенностями, присущими данному
процессору. Непосредственная адресация предполагает, что опе-
ранд занимает одно из полей команды, а следовательно, выбира-
ется из оперативной памяти одновременно с ней. В зависимости
от форматов обрабатываемых процессором данных непосредст-
3.1. Команды микропроцессора
219
венный операнд может иметь длину 8 или 16 бит, что обознача-
ется соответственно data8 и data 16.
Механизмы адресации операндов, находящихся в регистро-
вой и оперативной памяти, существенно различаются. К регист-
ровой памяти допускается лишь прямая регистровая адресация.
При этом в команде указывается номер регистра, содержащего
операнд. 16-разрядный операнд может находиться в регистрах
АХ, ВХ, СХ, DX. DI, SI, SP, ВР, а 8-разрядный — в регистрах
AL, АН, BL, ВН, CL, CH, DL и DH.
Регистры общего назначения (РОН) — основные рабочие ре-
гистры программ: АХ, ВХ, СХ и DX. К ним можно адресоваться
как отдельным, так и однобайтным словом.
Например, АХ — старший байт АН, младший байт AL.
Регистр АХ — аккумулятор, который используется во всех
операциях ввода-вывода и в операциях со строками и в арифме-
тических операциях.
Регистр ВХ — базовый регистр, единственный из РОН, ис-
пользуемый в индексной адресации. Он также применяется в
вычислениях.
Регистр DX — регистр данных, используемый в операциях
ввода-вывода, а также в операциях умножения и деления боль-
ших чисел (совместно с АХ).
Любой из РОН может применяться для сложения или вычи-
тания 8- или 16-разрядных величин.
Регистры указателя SP и ВР применяются для обращения к
данным в стеке.
Регистр SP (Stack Pointer) — указатель стека, используется
для временного хранения адресов и иногда данных, т. е. адресует
стек.
Регистр ВР (Base Pointer) — указатель базы, обеспечивает
ссылки на параметры (адрес, данные), передаваемые через стек.
Стек — это линейный список, записи в котором выбирают-
ся. вставляются и удаляются с одного конца, называемого вер-
шиной стека. Это обеспечивает доступ к записям по «принципу
магазина»: последний вошел, первый вышел (Last In First Out —
LIFO).
Индексные регистры Si и DI используются для адресации
(а также для выполнения операций сложения и вычитания). Ре-
гистр SI (Source Index) — индекс источника и регистр DI
(Destination Index) — индекс приемника применяются в некото-
рых операциях со строками или символами.
220
Глава 3. Микропроцессоры
Адресация оперативной памяти имеет особенности, связан-
ные с ее разбиением на сегменты и использованием сегментной
группы регистров для указания начального адреса сегмента.
16-разрядный адрес, получаемый в блоке формирования адреса
операнда на основе указанного режима адресации, называется
эффективным адресом (ЭА). Иногда эффективный адрес обозна-
чается как ЕА (Effective Address). 20-разрядный адрес, который
получается в результате сложения эффективного адреса и увели-
ченного в 16 раз значения соответствующего сегментного реги-
стра, называется физическим адресом (ФА).
Именно физический адрес передается из микропроцессора
по 20-адресным линиям, входящим в состав системной шины, в
оперативную память и используется при обращении к ее ячейке
на физическом уровне. При получении эффективного адреса мо-
гут применяться все основные режимы адресации, рассмотрен-
ные выше, а также некоторые их комбинации.
Прямая адресация предполагает, что эффективный адрес —
часть команды, так как ЭА состоит из 16 разрядов и соответст-
вующее поле команды имеет такую же длину.
При регистровой косвенной адресации эффективный адрес
операнда находится в базовом регистре ВХ или в одном из ин-
дексных регистров DI либо SI:
[ [ВХ] 1
ЭА = [DI] >.
[SI|
Обозначение имени регистра в квадратных скобках указыва-
ет на содержимое соответствующего регистра. Фигурные скоб-
ки — символ выбора одного из трех возможных вариантов.
При регистровой относительной адресации эффективный ад-
рес равен сумме содержимого базового или индексного регистра
и смещения:
[ВХ]
ЭА = (
[BP]
[DI]
[SI]
dispS
disp!6
> + <
Обозначения disp8 и displ6 указывают на 8- или 16-разряд-
ное смещение соответственно.
3.1. Команды микропроцессора
221
Эффективный адрес при базово-индексной адресации равен
сумме содержимого базового и индексного регистров, опреде-
ляемых командой:
f|ВХ]| I [D1]
I [BP] J [ [SI]
Наиболее сложен механизм относительной базово-индекс-
ной адресации. Эффективный адрес в этом случае равен сумме
8- или 16-разрядного смещения и базово-индексного адреса:
ЪА ЛВХН
ЭА = (
I [ВР1
[D1]] Г disp8 |
[SI] ] + [ disp 16 J
Форматы двухоперандных команд представлены на рис. 3.2.
Пунктиром показаны поля, которые в зависимости от режима
адресации могут отсутствовать в команде.
1 байт 1 байт 1 байт 1 байт 1 байт i i i j 1 байт
КОП dw md reg r/m । ! [ disp L । j a 1 байт [ disp H 1 байт
1 байт 1 байт
КОП 5 w md КОП г/т • disp L I; disp H ] data L i ! j data H j
Рис. 3.2. Форматы двухоперандных команд микропроцессора 18086: а — формат
команд типа RR и RS', б — формат команды с непосредственным операндом
Поле КОП содержит код выполняемой операции. Признак w
указывает на длину операндов. При w= 1 операция проводится
над словами, а при и>=0 — над байтами. Признак d указывает
положение приемника результата. Признак d = 1, если результат
записывается на место операнда, закодированного в поле reg, и
d=0, если результат записывается по адресу, закодированному
полями (md, г/т).
Следующий байт команды, называемый постбайтом, опреде-
ляет операнды, участвующие в операции. Поле reg указывает ре-
гистр регистровой памяти согласно табл. 3.3.
Поля md и r/т задают режим адресации операнда (табл. 3.4).
222
Глава 3. Микропроцессоры
Таблица 3.3. Регистры памяти
reg Регистр
w= 1 w= 0
ООО АХ AL
001 СХ CL
010 DX DL
011 ВХ BL
100 SP AH
101 ВР CH
по SI DH
111 DI BH
Таблица 3.4. Режимы адресации операнда
r/m md
00 01 10 11
w= 1 w = 0
000 (BX) + (SI) (DS) (BX) + (SI) + disp8 (DS) (BX) + (SI) + displ6 (DS) AX AL
001 (BX) + (DI) (DS) (BX) + (DI) + disp8 (DS) (BX) + (DI) + displ6 (DS) CX CL
010 (BP) + (SI) (SS) (BP) + (SI) + disp8 (SS) (BP) + (SI) + displ6 (SS) DX DL
on (BP) + (DI) (SS) (BP) + (DI) + disp8 (SS) (BP) + (DI) + displ6 (SS) BX BL
100 (SI) (DS) (SI) + disp8 (DS) (SI) + displ 6 (DS) SP AH
101 (DI) (DS) (DI) + disp8 (DS) (DI) + displ 6 (DS) BP CH
110 displ 6 (DS) (BP) + disp8 (SS) (BP) + displ 6 (SS) SI DH
111 (BX) (DS) (BX) + disp8 (DS) (BX) + displ6 (DS) DI BH
3.1. Команды микропроцессора
223
В табл. 3.4, помимо определения режима адресации опера-
тивной памяти, указан также сегментный регистр, используемый
по умолчанию для получения физического адреса. Применение
другого сегментного регистра возможно введением специального
префикса (дополнительного байта, который записывается перед
командой).
В командах, использующих непосредственный операнд, при-
знак з вместе с признаком w определяет разрядность непосредст-
венного операнда, записываемого в команде, и разрядность вы-
полняемой операции (табл. 3.5).
Таблица 3.5. Разрядности операций
VV 5 Операция Непосредственный операнд
0 0 8-разрядная 8-разрядный
0 1 Не используется
1 0 16-разрядная 16-разрядный
1 1 16-разрядная 8-разрядный, расширяемый знаком до 16 раз- рядов при выполнении операции
Изменение естественного порядка выполнения команд про-
граммы осуществляется с помощью команд передачи управле-
ния. К ним относятся команды переходов, циклов, вызова под-
программы и возврата из нее, а также некоторые другие. Клас-
сификация команд переходов в ПЭВМ представлена на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Классификация команд переходов ПЭВМ
Физический адрес выполняемой команды определяется со-
держимым указателя команд IP и сегментного регистра команд
224
Глава 3. Микропроцессоры
CS. Команды, меняющие значение обоих этих регистров, назы-
ваются командами межсегментных переходов, а меняющие толь-
ко значение IР, — командами внутрисегментных переходов.
Регистровая адресация. Операнды (источники и приемни-
ки) — это внутренние регистры МП: АХ, ВХ, СХ, DX, SP, ВР,
SI, DI, а в операциях пересылки — дополнительные сегментные
регистры.
Пример 3.3. MOV АН, ВН.
Непосредственная адресация. Операнды — это константы, не-
посредственно задаваемые в команде МП (байты, слова, двой-
ные слова).
Пример 3.4. MOV АН,-2.
Адресация ячеек памяти. При вычислении адреса в памяти
используются две составляющие — сегмент и смещение относи-
тельно его начала.
Пример 3.5. MOV Wl, 31h.
При прямой адресации в команде указывается то смешение,
которое соответствует размещению в памяти соответствующего
операнда. Обычно считается, что операнды находятся в сегменте
данных DS. Прямая адресация используется, когда явно извес-
тен адрес операнда, например, при работе с системными облас-
тями памяти.
При косвенной адресации смещение соответствующего опе-
ранда в сегменте содержится в одном из регистров МП, напри-
мер MOV [ВХ], AL. Косвенная адресация позволяет легко орга-
низовывать доступ к сложным элементам данных, например к
массиву данных. Для обозначения косвенной адресации назва-
ние регистра заключают в квадратные скобки (ВХ — регистровая
адресация, а [ВХ] — косвенная). Обычно в качестве регистра
косвенной адресации используются: [ВХ], [SI], [DI] и [ВР]. Для
[ВХ], [SI], [D1] неявно подразумевается сегмент DS, а для
[ВР] — сегмент SS.
Косвенная адресация по базе означает, что исполнительный
адрес вычисляется как сумма содержимого соответствующего ре-
гистра и некоторой константы. Этот способ адресации использу-
ется для доступа к полям структуры, начальный адрес которой
3.1. Команды микропроцессора
225
задается в регистре, а смещение соответствующего поля — кон-
стантой, записанной непосредственно в команде (применяются
базовые регистры [ВХ], [ВР] с соответствующими сегментами
DS, SS).
Прямая индексная адресация эквивалентна косвенной по базе.
При этом используются регистры SI, DI и соответствующий
DS-сегмент.
Пример 3.6.
MOV X3[DI], 0 (аналогично MOV [ХЗ + DI], 0);
MOV X3[BX][DX + 2], АН (ХЗ - адрес массива).
Адресация но базе с индексированием. В этом случае исполни-
тельный адрес определяется как сумма трех составляющих: со-
держимого двух регистров и константы, задаваемой непосредст-
венно в команде.
Пример 3.7.
База — ВХ, ВР. Индексы — SI, DL
[ВХ + SI], [ВХ + DI] — с сегментом DS.
[ВР + SI], [ВР + D11 — с сегментом SS.
В общем случае при использовании косвенной адресации ис-
полнительный адрес можно представить следующим образом:
ЕА= [Регистр базы] + [Индексный регистр] + Константа.
Любая из этих компонент может отсутствовать.
Команды пересылки данных имеют общий формат с двумя
операндами — источником и приемником,
например MOV <приемник>, <источник>.
Пример 3.8. Команды пересылок данных:
MOV АН, ВН
MOV АН, ВХ
MOV АХ, -2
MOV DL, Bl, где Bl — адрес ячейки.
Команда XCHG <оп.1>, <оп.2> — обмен операндов исполь-
зуется для любых РОН и переменных в памяти, кроме двух яче-
ек памяти.
Ниже приведены примеры команд.
226
Глава 3. Микропроцессоры
Примеры арифметических команд:
• ADD <приемник>, <источник>;
• ADC <приемник>, <источник>;
• INC <приемник>;
• SUB <приемник>, <источник>;
• SBB <приемник>, <источник>;
• DEC <приемник>;
• MUL <источник>;
• IMUL <источник>;
• DIV <источник>;
. IDIV <источник>.
Примеры команд сдвига:
• SAL <операнд>, <величина>;
• SAR <операнд>, <величина>;
• SHL <операнд>, <величина>;
• SHR <операнд>, <величина>.
Примеры логических команд:
• AND, OR, XOR, NOT.
Примеры команд передачи управления:
• перехода JMP, JZ, JNZ, JCXZ;
• цикла LOOP;
• вызова подпрограммы и возврата из нее: CALL, RET;
• вызова прерывания и возврата из него: INT, IRET.
Примеры дополнительных команд:
• работы со стеком: PUSH, POP;
• установки и очистки флагов: STC, CLC;
• холостого хода NOP.
Примеры команд ввода/вывода:
• IN ,.<аккумулятор>, <адрес>;
• ОиТ..<адрес>, <аккумулятор>.
Примеры команд работы со строками:
• MOVS, CMPS, OUTS.
Команды безусловных переходов производят модификацию
регистра IP или регистров IP и CS без предварительного анализа
каких-либо условий. Существует пять команд безусловных пере-
ходов. Все они имеют одинаковую мнемонику JMP и содержат
один операнд. Конкретный формат команды определяется соот-
ветствующим префиксом и приведен в табл. 3.6.
3.1. Команды микропроцессора
227
Таблица 3.6. Машинные коды некоторых команд
Команда 1 Байт кода команды
2 3..6 Схема операции
ADD OOOOOOJw md reg r/m (disp8/16) r(r/m) = r+ r/m
1OOOOOjw md 000 r/m (disp8/disp 16 )б/8 /16 r/m = r/m + ^/8/16
00000 10h> data L (data H) ас = ac + 6/8/16
SUB ООЮЮб/w md reg r/m (disp8/16) r(r/m) = r(r/m) - (r/m)r
1OOOOOsw md 101 r/m (disp8/16)4/8/16 r/m = r/m - 6/8/16
OOlOHOw data L (data H) ac = ac - 6/8/16
AND 001000</w md reg r/m (disp8/l 6) r(r/m) = r & r/m
1OOOOOsw md 100 r/m (disp8/l 6)4/8/16 r/m = r/m & 6/8/16
0010010W data L (data H) ас = ас & б/8/16
OR OOOOlOtAv md reg r/m (disp8/16) r(r/m) = г V r/m
1OOOOOjw md 001 r/m (disp8/16)6/8/16 r/m = r/m И 6/8/16
0000110w data L (data H) ас = ас V d8/16
Примечание. В столбце «Схема операции» сокращение «ас» означает ре-
гистр-аккумулятор, в качестве которого используются регистр АХ при w = 1 и ре-
гистр AL при w = 0.
При прямом безусловном внутрисегментном переходе новое
значение указателя команд IP равно сумме смещения, закодиро-
ванного в соответствующем поле команды, и текущего значе-
ния IP, в качестве которого используется адрес команды, запи-
санной вслед за командой перехода. Команды прямых межсег-
ментных переходов содержат помимо нового значения IP и новое
значение сегментного регистра CS.
Команды косвенных переходов (внутрисегментных и межсег-
ментных) передают управление на команду, адрес которой опре-
деляется содержимым регистра или ячеек оперативной памяти,
на которые указывает закодированный в команде перехода по-
стбайт.
Команды условных переходов — только внутрисегментные.
По формату и способу формирования нового значения IP они
аналогичны команде прямого внутрисегментного перехода с
228
Глава 3. Микропроцессоры
8-разрядным смещением. Отличие их заключается в том, что в
командах условного перехода механизм формирования нового
значения 1Р включается лишь при выполнении определенных ус-
ловий, а именно при определенном состоянии регистра флагов.
При невыполнении проверяемого условия в IP остается его
текущее значение, т. е. адрес команды, следующей за командой
условного перехода.
Ниже приведены примеры команд переходов различных
типов.
Команды условного перехода:
Формат: КОП disp L
IP- IP+ 2, если условие не выполнено;
1Р= IP+2 + disp L, если условие выполнено.
Пример 3.9.
JZ MARK; переход на метку MARK, если ZF - 1.
Команды прямого внутрисегментного перехода:
Формат: КОП disp L Г 1 disp । 1 ।
IP= IP+ Д + disp, где Д — длина команды перехода <Д = 2 или
Д = 3 в зависимости от длины смещения).
Пример 3.10.
JMP short ptr MARK; переход на метку MARK с использова-
нием 8-разрядного смещения;
JMP near ptr MARK; переход на метку MARK с использова-
нием 16-разрядного смещения.
Команды
прямого межсегментного перехода:
IP И
КОП
/Р L
Формат:
1Р= 1Р_Н, IP_L;
CS = CS_H, CS_L.
Пример 3.11.
JMP far ptr MARK; переход на метку MARK к команде, на-
ходящейся в другом сегменте.
3.1. Команды микропроцессора
229
3.1.1. Регистры
Микропроцессор 8086 имеет четырнадцать 16-разряд! 1ых ре-
гистров, которые применяются для управления исполнением ко-
манд, адресации и выполнения арифметических операций. Реги-
стры подразделяются на группы.
Регистр указателя команд (Instruction Pointer — IP) исполь-
зуется для выборки очередной команды с целью ее выполнения.
Регистр флагов (Flags) содержит биты, которые отражают со-
стояние компьютера и признаки выполнения машинных команд:
• бит 11 OF (Overflow Flag) — переполнение (равен 1, если
объем результата превышает размер ячейки назначения);
• бит 10 DF (Direction Flag) — направление (устанавливается
1 для автоматического декремента в командах обработки
строк (0 — для инкремента));
• бит 9 IF (Interrupt Flag) — разрешение прерывания (если 1,
то прерывания разрешены, а если 0, то распознаются так
называемые немаскируемые прерывания);
• бит 8 TF (Trace Flag) — флаг трассировки (если равен 1, то
процессор переходит после выполнения каждой команды в
состояние программного прерывания 1NT3);
• бит 7 SF (Sign Flag) — признак знака (равен I для отрица-
тельных чисел результата и равен 0 для положительных);
• бит 6 ZF (Zero Flag) — признак нуля (равен 1, если резуль-
тат равен нулю);
• бит 4 AF (Auxiliary Flag) — дополнительный признак пере-
носа (устанавливается равным 1 во время выполнения
команд десятичного сложения (и вычитания) при необхо-
димости переноса или заема между полубайтами);
• бит 2 PF (Parity Flag) — признак четности (равен 1, если
результат имеет четное число единиц);
• бит 0 CF (Carry Flag) — признак переноса (равен I, если
имеет место перенос или заем из старшего бита результа-
та). Используется для выполнения операций сложения (вы-
читания) над числами длиной в несколько слов, которые
сопряжены переносом из слова в слово.
Регистры сегмента: CS, DS, SS, ES. Сегментом называется
область памяти, которая начинается на границе параграфа, т. е.
в любой точке, адрес которой кратен 16. Регистр сегмента содер-
жит адрес его начала (базовый адрес). В программе все адреса
230
Глава 3. Микропроцессоры
заложены относительно начала сегмента, и они определяются
как смещение (offset) от начала компоненты.
Существуют следующие типы сегментов:
• кода — содержит машинные команды; адресуется регист-
ром CS совместно с IP;
• данных — содержит данные, т. е. константы, переменные и
рабочие области программы; адресуется регистром DS;
• стека — содержит передаваемые в МП параметры и адреса
возврата в точку вызова МП; адресуется регистром SS со-
вместно с SP;
• дополнительных данных; адресуется регистром ES.
3.1.2. Адреса ячеек памяти
В микропроцессоре 8086 шина адреса состоит из 20 линий.
Он может адресовать 22" байт. Однако размерности регистров, с
помощью которых они адресуются, ограничены 16 битами. По-
этому при формировании адреса из двух частей (сегмента и сме-
щения) для его вычисления внутри сегмента используется фор-
мула
ЕА =AS -16 + Ait,
где As — адрес начала сегмента (т. е. определяет содержимое од-
ного из регистров CS, SS, DS, ES); — смещение относительно
начала сегмента (содержимое регистра IP, SP или смещение ад-
реса переменной, расположенной в сегменте данных).
Для записи адреса используется форма АЛ-:А„ например, за-
пись 400:20 определяет следующий логический адрес:
ЕА = 400£ 16 -ь 20Л = 4000£ + 20Л = 4020Л.
Эта запись равнозначна следующим: 401:10, 402:0 и т. д.
В программах начальный адрес сегмента всегда определяется
содержимым одного из сегментных регистров, и в некоторых
случаях адреса записываются в виде, например, DS:10. В этом
случае адрес составляет текущее значение регистра сегмента дан-
ных и смещение в 10h байт от начала сегмента. В случае косвен-
ной адресации возможна запись адреса, например, в виде SS:BP,
т. с. содержимое SS определяет компоненту As, регистр ВР —
компоненту Аи адреса. Если при определении адреса в програм-
3.2. Параллелизм вычислений
231
ме используется только часть Ао, a As остается неизменной, то
адрес называется ближним (near address), если применяются
и Ло, и Л5, то адрес называется дальним (far address).
Например, адресное пространство памяти имеет несколько
выделенных областей: вектора прерываний (начинаются с 0:0,
длиной 1 Кбайт), системная область (начинается с 40:0), область
видеопамяти (графическая — с А000:0, текстовая — с В000:0).
Существует две разновидности многопроцессорной обработ-
ки: асимметричная (Asymmetric Multiprocessing, ASMP) и сим-
метричная (Symmetric Multiprocessing, SMP). При асимметрич-
ной обработке нагрузка распределяется между процессорами
так, что один или несколько из них обслуживают только опера-
ционную систему, а остальные заняты приложениями. При сим-
метричной обработке любой процесс, требующий обработки,
может быть поручен любому свободному процессору. В силу
большей гибкости симметричной модели операционная система
с поддержкой SMP обеспечивает два важных преимущества.
Во-первых, повышается отказоустойчивость сети, так как каж-
дый процессор способен справиться с любой задачей, и потому
отказ одного процессора не влечет крах всей системы. Во-вто-
рых, улучшается балансировка нагрузки, так как операционная
система способна распределять ее среди процессоров равномер-
но и тем самым предотвращать появление узких мест из-за
слишком частых обращений к одним процессорам и пренебре-
жения другими.
3.2. Параллелизм вычислений
Параллелизм можно представить в виде классификации
форм параллельной обработки транзакций.
Классификация различных форм параллелизма схематично
изображена на рис. 3.4. Прежде всего можно выделить межтран-
закционную и внутритранзакционную формы параллелизма.
Межтранзакционный параллелизм подразумевает параллель-
ное выполнение множества независимых транзакций над одной
и той же базой данных. Данный вид параллелизма присутствует
уже в однопроцессорных системах в виде так называемого много-
пользовательского режима и основан на перекрытии задержек
ввода-вывода. Межтранзакционный параллелизм позволяет су-
232
Глава 3. Микропроцессоры
Рис. 3.4. Формы параллелизма вычислений
щественно увеличить суммарную производительность системы
баз данных в режиме OLTP. Этот вид параллелизма также должен
поддерживаться и в параллельной системе баз данных (наряду с
внутритранзакпионным параллелизмом), так как в противном
случае получим очень плохое соотношение цена—производи-
тельность для режима OLTP. Для сокращения времени выполне-
ния сложных транзакций необходимо использовать внутритран-
закционный параллелизм.
Внутршпранзакционный параллелизм предполагает параллель-
ное выполнение транзакции. Этот вид параллелизма может быть
реализован либо в форме межзапросного параллелизма, либо в
форме внутризапросного параллелизма.
Межзапросный (межоператорный) параллелизм предполагает
параллельное выполнение SQL-операторов, принадлежащих од-
ной и той же транзакции. Степень межзапросного параллелизма,
однако, определяется как количеством SQL-операторов (запро-
сов), составляющих данную транзакцию, так и ограничениями
предшествования между отдельными SQL-операторами.
Межзапросный параллелизм не поддерживается большинст-
вом современных систем управления базами данных (СУБД), так
как это потребует от программиста явной спецификации межза-
просных зависимостей с помощью некоторых специальных язы-
ковых конструкций.
3.2. Параллелизм вычислений
233
Внутризапросный (внутриоператорный) параллелизм предпола-
гает параллельное выполнение SQL-оператора (запроса). Данная
форма параллелизма характерна для реляционных систем баз
данных, так как реляционные операции над наборами кортежей
по своей природе хорошо приспособлены для эффективного
распараллеливания. Внутризапросный параллелизм реализуется
оптимизатором запросов прозрачным для пользователя образом.
Для каждого запроса оптимизатор генерирует план выполнения
запроса, который представляется в виде дерева (ациклического
ориентированного графа), узлы которого соответствуют реляци-
онным операциям, дуги — потокам данных между операциями, а
в качестве листьев фигурируют отношения. Внутризапросный
параллелизм может реализовываться либо в виде межоперацион-
ного параллелизма, либо в виде внутриоперационного паралле-
лизма.
Межоперационный параллелизм предполагает параллельное
выполнение реляционных операций, принадлежащих одному и
тому же плану запроса, и может реализовываться либо в виде го-
ризонтального параллелизма, либо в виде вертикального парал-
лелизма.
Горизонтальный (кустовой) параллелизм предполагает парал-
лельное выполнение независимых поддеревьев дерева, представ-
ляющего план запроса. Основная проблема, связанная с кусто-
вым параллелизмом, заключается в том, чтобы два подплана
одного плана начали генерировать выходные данные в опреде-
ленное время и в правильном темпе. При этом время далеко не
всегда означает одинаковое время, например для входных пото-
ков операции хэш-соединения, а правильный темп далеко не
всегда означает одинаковый темп, например для случая, когда
входные потоки соединения слиянием имеют различные разме-
ры. В силу указанных причин кустовой параллелизм редко ис-
пользуется на практике. В научных публикациях кустовой парал-
лелизм исследовался главным образом в контексте оптимизации
запросов с мультисоединениями.
Вертикальный (конвейерный) параллелизм предполагает орга-
низацию параллельного выполнения различных операций плана
запроса на базе механизма конвейеризации. В соответствии с
данным механизмом между смежными операциями в дереве за-
проса организуется поток данных в виде конвейера, по которому
элементы данных (гранулы) передаются от поставщика к потре-
бителю. Традиционный подход к организации конвейерного па-
234
Глава 3. Микропроцессоры
раллелизма заключается в использовании абстракции итератора
для реализации операций в дереве запроса. Подобный подход
впервые был использован при реализации System R и получил
название синхронного конвейера.
Основной недостаток синхронного конвейера — блокиру-
ющий характер операций конвейерной обработки отдельных
гранул. Если некоторая операция задерживается с обработкой
очередной гранулы данных, то она блокирует работу всего кон-
вейера. Для преодоления указанного недостатка может быть ис-
пользован асинхронный конвейер, в котором поставщик и потре-
битель работают независимо друг от друга, а данные передаются
через буфер. Поставщик помещает производимые гранулы в бу-
фер, а потребитель забирает гранулы из данного буфера в соот-
ветствующем порядке. При этом необходимо управление пото-
ком данных, которое препятствовало бы переполнению указан-
ного буфера в случае, когда потребитель работает медленнее,
чем поставщик. Следует отметить, что степень конвейерного па-
раллелизма в любом случае ограничена количеством операций,
вовлекаемых в конвейер. При этом для реляционных систем баз
данных длина конвейера редко превышает 10 операций. Поэто-
му для достижения более высокой степени распараллеливания
наряду с конвейерным параллелизмом необходимо использовать
внутриоперационный параллелизм.
Внутриоперационный параллелизм реализуется в основном в
форме фрагментного параллелизма. Имеются и другие формы
внутриоперационного параллелизма, базирующиеся на делении
операции на подоперации, однако данные формы параллелизма
концептуально ничем не отличаются от рассмотренных выше и
на практике большого значения не имеют.
Фрагментный параллелизм предполагает фрагментацию (раз-
биение на непересекающиеся части) отношения, являющегося
аргументом реляционной операции. Одиночная реляционная
операция выполняется в виде нескольких параллельных процес-
сов {агентов), каждый из которых обрабатывает фрагмент отно-
шения. Получаемые результирующие фрагменты сливаются в
общее результирующее отношение.
В реляционных системах баз данных фрагментация подразде-
ляется на вертикальную и горизонтальную. Вертикальная фраг-
ментация подразумевает разбиение отношения на фрагменты по
столбцам (атрибутам), а горизонтальная фрагментация — на фраг-
менты по строкам (кортежам). Практически все параллельные
3.3. Конвейеризация вычислений
235
СУБД, поддерживающие фрагментный параллелизм, используют
только горизонтальную фрагментацию. Поэтому в данном учеб-
ном пособии будет рассматриваться горизонтальная фрагмен-
тация.
Теоретически фрагментный параллелизм способен обеспе-
чить сколь угодно высокую степень распараллеливания реляци-
онных операций. Однако на практике степень фрагментного па-
раллелизма может быть существенно ограничена следующими
двумя факторами. Во-первых, фрагментация отношения может
зависеть от семантики операции. Например, операция соедине-
ния одних и тех же отношений по разным атрибутам требует
различной фрагментации. Однако повторное разбиение фраг-
ментированного отношения на новые фрагменты и распределе-
ние полученных фрагментов по процессорным узлам могут быть
связаны с очень большими накладными расходами. Во-вторых,
перекосы в распределении значений атрибутов фрагментации
могут привести к значительным перекосам в размерах фрагмен-
тов и, как следствие, к существенному дисбалансу в загрузке
процессоров.
3.3. Конвейеризация вычислений
Один из самых простых и наиболее распространенных спо-
собов повышения быстродействия процессоров — конвейериза-
ция процесса вычислений. Большое преимущество конвейерных
ЭВМ перед параллельными других типов — возможность ис-
пользования пакетов программ, уже написанных для последова-
тельных ЭВМ.
Под конвейерным режимом понимают такой вид обработки,
при котором интервал времени, требуемый для выполнения про-
цесса в функциональном узле (например, в АЛУ) микропроцес-
сора, продолжительнее, чем интервалы, через которые данные
могут вводиться в этот узел. Предполагается, что функциональ-
ный узел выполняет процесс в несколько этапов, т. е. когда пер-
вый этап завершается, результаты передаются на второй этап, на
котором используются другие аппаратные средства. Разумеется,
что устройство, используемое на первом этапе, оказывается сво-
бодным для начала новой обработки данных. Как известно,
можно выделить четыре этапа обработки команды микропроцес-
236
Глава 3. Микропроцессоры
сора: выборка, декодирование, выполнение и запись результата.
Иными словами, в ряде случаев, пока первая команда выполня-
ется, вторая может декодироваться, а третья выбираться.
В любом процессоре машинная команда проходит ряд этапов
обработки, например: выборку команды из оперативной памяти
(ВК), вычисление абсолютного адреса операнда в оперативной
памяти (ВА), выборку операнда из памяти (ВО), операцию в АЛУ.
В процессоре последовательной ЭВМ для осуществления
этих функций используется единственное устройство, поэтому
время выполнения команды равно:
= ^ВК + ^ВА + 'ВО + Сс1У-
Для того чтобы уменьшить /к, можно для каждой функции
ввести собственное оборудование (рис. 3.5). В таком процессоре
любая команда последовательно проходит через все устройства,
находясь на каждом этапе время Д,.
Рис. 3.5. Схема и функционирование конвейера команд: ПК — память команд:
ПО — память операндов; УВК, УВА, УВО — устройства выборки команд, вы-
числения адреса, выборки операндов соответственно; АЛУ — арифметико-логи-
ческое устройство
Так, команда с номером z поступает в УВК, через время Д,
она переходит в УВА, а в УВК поступает команда с номером
(z + 1), затем через время Dt команда z поступает в УВО, (z+ 1) —
в УВА, (/ + 2) — в УВК и т. д. Наконец, команда z поступает в АЛУ,
3.3. Конвейеризация вычислений
237
и через время А, вырабатывается результат. После этого через
время А, будет получен результат команды / + 1. Таким образом,
несмотря на то, что общее время выполнения любой команды
сохранилось, результаты вырабатываются через время А,= /к/и,
где п — число этапов этого конвейера команд.
Описанный принцип построения процессора действительно
напоминает конвейер сборочного завода, на котором изделие
последовательно проходит ряд рабочих мест. На каждом из этих
мест над изделием производится новая операция. Эффект уско-
рения достигается за счет одновременной обработки ряда изде-
лий на разных рабочих местах.
Конвейерные процессоры применяются во всех без исключе-
ния старших моделях семейств ПЭВМ.
Временная диаграмма на рис. 3.5 строилась при следующих
упрощениях: в потоке выбираемых из ПК команд отсутствуют
команды условных переходов; все команды имеют одинаковое
время нахождения на разных этапах.
Наличие команд условного перехода определяет переход к
командам, которые в данный момент отсутствуют в конвейере,
что потребует опустошения и повторного заполнения конвейера
из ПК, а неодинаковая длина команд приведет к приостановкам
конвейера. Такой в общем случае асинхронный характер функ-
ционирования конвейера снижает быстродействие.
Стандартный способ увеличения быстродействия конвейер-
ного процессора состоит в следующем: в существующем вариан-
те конвейера выбирается устройство с наибольшим временем
срабатывания и разделяется на два или более устройств с мень-
шим временем срабатывания каждое. При этом цикл конвейера
А, уменьшается. Если и после этого быстродействие конвейера
недостаточно, вновь выбирается наиболее медленное устройство
и процесс повторяется.
Арифметический конвейер можно построить для любых
арифметико-логических операций: сложения, умножения, логи-
ческих операций. В частности, на рис. 3.6, а показан конвейер
для выполнения операции сложения двух чисел с плавающей за-
пятой. Каждое число представлено в форме А • Rp, где А — ман-
тисса; R — основание системы счисления, р — порядок. Конвей-
ер для умножения целых чисел изображен на рис. 3.6, б.
Здесь каждым входом сумматора L первого каскада управля-
ет один разряд множителя. В зависимости от его значения на
238
Глава 3. Микропроцессоры
А Вычитание Выравнива- Сложение Нормализа-
в,—► порядков ние мантисс мантисс Цг1г1 jyj 1 u тэта
А/
а
л______
(множимое)
в,_____
(множитель)
Рис. 3.6. Арифметические конвейеры для операций сложения (и)
и умножения (о)
вход сумматора Z подаются два смежных сдвинутых частичных
произведения. Число каскадов такого конвейерного множителя
равно log3 г, где г — разрядность чисел А,, В,.
Аналогично работе конвейера команд, числа поступают на
вход конвейеризованного АЛУ друг за другом, поэтому результа-
ты на выходе получаются с интервалом А,. Для современных
ЭВМ величина А, стала меньше 10 нс, что соответствует быстро-
действию больше 100 млн оп/с, и цикл конвейера имеет тенден-
цию к дальнейшему уменьшению. Но при этом А, не может быть
меньше времени, затрачиваемого на передачу данных с каскада
на каскад.
Впервые арифметические конвейеры были использованы для
целей обработки числовых векторов в ЭВМ STAR-100, запушен-
ной в США в 1973 г.
Если ставится задача построить быстродействующий конвей-
ерный процессор с И= 100 млн оп/с, то цикл всех его устройств
не должен превышать А, - 10 нс.
Рассмотрим, как обеспечить такую производительность в
УВК. Поскольку на каждый полученный в АЛУ результат прихо-
дится одна выборка команды из ПК, то время выборки этой
команды не должно превышать 10 нс. Но современные полупро-
3.3. Конвейеризация вычислений
239
водниковые запоминающие устройства большой емкости имеют
цикл обращения tnk = 100..300 нс, что во много раз больше требуе-
мого цикла конвейера (10 нс). Выход здесь — использование мно-
жества автономных по функционированию блоков памяти. Число
этих блоков равно N= 1пк/и может достигать величины 8..64.
С внешними устройствами микропроцессор может «общать-
ся» благодаря шинам адреса, данных и управления, выведенных
на специальные контакты корпуса микросхемы. Разрядность
внутренних регистров микропроцессора может не совпадать с ко-
личеством внешних выводов для линий данных, т. е. микропро-
цессор с 32-разрядными регистрами может иметь только 16 линий
внешних данных. Объем физически адресуемой микропроцессор-
ной памяти однозначно определяется разрядностью внешней
шины адреса как 2\ где N — количество адресных линий.
Организация работы такой многоблочной памяти может
быть различной. Некоторые варианты памяти этого типа изобра-
жены на рис. 3.7.
Если память имеет организацию, предназначенную для чте-
ния со сдвигом (рис. 3.7, а), то в регистры адреса (РА) блоков
памяти 1..4 с интервалом Д, подается новый адрес из счетчика
адресов команд (СчАК) ПК. С таким же сдвигом по времени на
выходе ПК будут появляться команды, которые затем поступают
в буфер команд (БК), представляющий собой совокупность бы-
стрых регистров. При поступлении каждой новой команды на
вход БК содержимое всех его регистров сдвигается вверх на одну
позицию, и верхняя команда (самая старая) удаляется из БК.
В УВК имеется СчАК БК, который указывает положение в
БК считываемой из УВА команды. При считывании из БК каж-
дой команды его содержимое уменьшается на единицу, при до-
бавлении в БК новой команды из ПК — увеличивается на еди-
ницу. За запросом новых команд в БК постоянно следит УВК,
которое определяется величиной I. Если / становится меньше за-
данного уровня, то запускается СчАК ПК и производится вы-
борка из ПК новых команд.
Во многих задачах линейной алгебры и задачах решения сис-
тем уравнений в частных производных общее время работы про-
грамм определяется скоростью выполнения внутренних циклов,
число повторений которых для задач большой размерности ве-
лико. Число команд в петле цикла обычно невелико, и они пол-
ностью оказываются в БК. В таком случае выборка команд осу-
240
Глава 3. Микропроцессоры
Адрес
СчАК ПК
РА
РА
РА РА
• • • 2 • • 3 • • 4
К+8 К+9 К+10 К+11
К+4 К+5 К+6 К+7
К+0 К+1 К+2 К+3
Петля
цикла
БК
К+0
К+1
К+2
К+3
К+4
К+5
К+6
Команда
в УВА
СчАК БК
ПК
Команды
УВК
а
Рис. 3.7. Организация многоблочной памяти для выборки команд: а — выборка
со сдвигом во времени; б — выборка широким словом
ществляется только из БК, а ПК не используется. Это важно в
структурах процессоров, где в качестве ПК и ПО применяются
одни и те же блоки памяти. В подобном случае выборка команд
не будет создавать помех выборке операндов.
На рис. 3.7, б за один цикл памяти в БК заносится несколько
команд («широкое слово»), операции в БК выполняются, как и
ранее. Схемы (см. рис. 3.7, а. б) не имеют явного предпочтения
друг перед другом.
Многоблочная структура памяти была впервые применена в
ЭВМ первого поколения. Относительно УВА следует отмстить,
что оно простое АЛУ для сложения коротких целых чисел (адре-
3.3. Конвейеризация вычислений
241
сов), поэтому получение малого А, для этого устройства не со-
ставляет труда.
Сократить цикл работы УВО значительно сложнее. Здесь для
уменьшения времени чтения операнда необходимо использовать
многоблочную память. Однако между выборкой команд и выбор-
кой операндов существует следующее принципиальное различие.
Команды в программе и памяти располагаются в порядке линей-
ного нарастания их номеров, поэтому во время исполнения теку-
щей команды всегда можно вычислить адреса и выбрать (исклю-
чая команды переходов) любые следующие команды (рис. 3.8),
что и приводит к уменьшению А, при выборке команд.
Упорядоченная
последовательность
команд в ПК
К+ О
Упорядоченная
поел едо вател ь ность
операндов в ПО
Неупорядоченный
поток адресов
на обращение к ПК
Рис. 3.8. Процесс генерации адресов операндов
Однако строго упорядоченная выборка команд порождает
неупорядоченную последовательность адресов для выборки опе-
рандов. Это означает, что выборка операндов для некоторой
команды не может быть проведена заранее, до ее выборки.
Следовательно, выборка операндов не может быть конвей-
еризована, поэтому для построения ПО используется не конвей-
ерный, а поточный принцип организации многоблочной памяти
(рис. 3.9). Поступающие из УВА адреса операндов распределя-
ются по блокам ПО.
Поскольку распределение адресов носит достаточно случай-
ный характер, в блоках памяти возможны очереди, для размеще-
ния которых введены буфера адресов (БА). Выбираемые из памя-
242
Глава 5. Микропроцессоры
Р Ц Коды арифметико-
из УВК
логических операции
Рис. 3.9. Поточная организация УВО
ти операнды должны сразу поступать в АЛУ, однако вследствие
неравномерности их появления из ПО и разной длительности ис-
полнения операций в АЛУ вводятся буферные регистры операн-
дов чтения (БОЧ) и записи (БОЗ). С каждой парой операндов
связан свой код операции, который хранится также в буфере кода
операций (БК.ОП). Таким образом, в буфере операндов (БО)
и БКОП хранятся готовые к исполнению в АЛУ группы инфор-
мации.
Качественная картина сокращения цикла выборки из много-
блочной памяти одного операнда представлена на рис. 3.10. Вре-
мя цикла блока памяти / выражено в относительных единицах.
Рис. 3.10. Зависимость среднего времени выборки операнда из ПО
от числа блоков ОП
3.4. Мультипрограммный режим работы ЭВМ
243
3.4. Мультипрограммный режим работы ЭВМ
Мультипрограммным режимом работы (многозадачностью)
называется такой способ организации работы системы, при кото-
ром в ее памяти одновременно содержатся программы и данные
для выполнения нескольких процессов обработки информации
(задач). При этом должна обеспечиваться взаимная защита про-
грамм и данных, относящихся к различным задачам, а также воз-
можность перехода от выполнения одной задачи к другой (пере-
ключение задач).
Мультипрограммирование позволяет повысить производи-
тельность работы ЭВМ за счет более эффективного использова-
ния ее ресурсов.
Базовые понятия мультипрограммного режима функциони-
рования ЭВМ — процесс и ресурс.
Процесс — это система действий, реализующая определенную
функцию в вычислительной системе и оформленная так, что
управляющая программа вычислительной системы может пере-
распределять ресурсы этой системы в целях обеспечения мульти-
программирования, т. е. процесс — это некоторая деятельность,
связанная с исполнением программы на процессоре. Время меж-
ду началом и окончанием процесса называется интервалом суще-
ствования процесса.
Ресурс — это потребляемый объект (независимо от формы его
существования), обладающий некоторой практической ценно-
стью для потребителя. Ресурсы различаются по запасу выделяе-
мых единиц ресурса и бывают в этом смысле исчерпаемыми и
неисчерпаемыми. К исчерпаемым ресурсам относится, напри-
мер, центральный процессор. В качестве неисчерпаемого ресурса
можно представить, например, память, выделяемую программе,
если рассматривать ее как совокупность всех имеющихся в ком-
пьютере запоминающих устройств. В то же время запоминающее
устройство, состоящее только из оперативной памяти с единст-
венным трактом записи/считывания, представляет собой исчер-
паемый ресурс.
Основные особенности мультипрограммного режима:
• в оперативной памяти находятся несколько пользователь-
ских программ в состояниях активности, ожидания или го-
товности;
244
Глава 3. Микропроцессоры
• время работы процессора разделяется между программами,
находящимися в памяти в состоянии готовности;
• параллельно с работой процессора происходит подготовка и
обмен информацией с несколькими устройствами ввода-
вывода.
Мультипрограммирование предназначено для повышения
пропускной способности вычислительной системы путем более
равномерной и полной загрузки всего ее оборудования, в первую
очередь процессора. При этом скорость работы самого процессо-
ра и номинальная производительность ЭВМ не зависят от муль-
типрограммирования.
Мультипрограммный режим имеет в ЭВМ аппаратную и
программную поддержку.
1. Аппаратная поддержка:
• контроллеры устройств ввода-вывода, которые могут ра-
ботать параллельно с процессором;
• система прерывания;
• аппаратные средства системы защиты программ и дан-
ных в микропроцессоре.
2. Программная поддержка:
• мультизадачная операционная система (ОС);
• системные программы, управляющие работой устройств
ввода-вывода и специализированных средств вычисли-
тельной системы.
Управляющая программа операционной системы, реализуя
мультипрограммный режим, должна распределять (в том числе
динамически) ресурсы системы (время процессора, оперативную
и внешнюю память, устройства ввода-вывода и т. д.) между па-
раллельно выполняемыми программами, чтобы обеспечить уве-
личение пропускной способности компьютера с учетом ограниче-
ний на ресурсы и требований по срочности выполнения отдель-
ных программ. Производительность мультипрограммной ЭВМ
оценивается количеством задач, выполненных в единицу времени
(пропускная способность), и временем выполнения каждой про-
граммы Tj.
При анализе работы ЭВМ важно определить степень исполь-
зования ее ресурсов. Для этого широко применяются следующие
показатели:
• kq — коэффициент загрузки <?-го устройства;
kq- TJT, ГДС — время занятости устройства q за общее
время Т работы ЭВМ;
3.4. Мультипрограммный режим работы ЭВМ 245
• Lq - £ Lqt Mj/T — средняя длина очереди запросов к уст-
ройству q, где Z — длина очереди к устройству q на интер-
вале времени Д/ иУЧ =Т.
Пусть работа некоторого устройства q характеризуется диа-
граммой, приведенной на рис. 3.11.
Устройство занято
Рис. 3.11. Оценка основных показателей использования аппаратных ресурсов
Тогда рассмотренные выше показатели работы этого устрой-
ства будут следующими:
V7/10;
Lq= (0 • 2 + 1 • 1 + 0 4 + 1 1 + 1 2 + 1 1)/10 = 5/10.
Помимо средней длины очереди важна также и динамика из-
менения текущей длины очереди. По значениям kq, Lq и динами-
ке изменения Lq можно определить наиболее дефицитный ре-
сурс в системе, ее узкое место.
Устранить узкие места можно или увеличением производи-
тельности соответствующего ресурса, или выбором такого набо-
ра задач, который обеспечивал бы более равномерное использо-
вание всех ресурсов (например, одни задачи более активно при-
меняют процессор (счетные задачи), другие — жесткий диск
(работа с базами данных), третьи — устройства ввода-вывода).
Работа мультипрограммной ЭВМ в большой степени зависит
от коэффициента мультипрограммирования (Хч) — количества
программ, которое может одновременно обрабатываться в муль-
типрограммном режиме. Пример выполнения программ в муль-
типрограммном режиме при Ки - 2 представлен на рис. 3.12.
Предполагается, что выполнение каждой программы вклю-
чает такую последовательность действий:
Счет! -> Ввод —> Счет2 Вывод.
246
Глава 3. Микропроцессоры
т 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
CPU 1 1 2 2 1 1 1 1 2 3 3 3 3 4 4 3 3 3 4 4
IN 1 2 2 3 3 3 4 4
OUT 1 1 2 2 2 3 4 4
Readv 2 2 2 2 4 4
Wait T 4
71
72
73
74
Рис. 3.12. Порядок выполнения программ в мультипрограммной ЭВМ
(при = 2)
Счет выполняется на процессоре (CPU), для ввода и вывода
данных используются отдельные внешние устройства (1N и OUT)
и следующие режимы — готовность (Ready), ожидание (Wait).
В табл. 3.7 показаны номера программ, которые в определен-
ный момент занимают тот или иной ресурс.
Таблица 3.7. Ресурсы программ
Программа CPU1 IN CPU2 OUT
I 2 1 4 2
2 2 2 1 3
3 4 3 3 1
4 2 2 2 2
Если построить аналогичные графики для ЭВМ, работающей
с различными коэффициентами мультипрограммирования, то
получим следующие сравнительные характеристики работы ЭВМ
для рассматриваемого пакета программ (табл. 3.8).
3.4. Мультипрограммный режим работы ЭВМ
247
Таблица 3.8. Сравнительные характеристики работы ЭВМ
Характеристика Хн=1 *М = 2 Хм=3
Время выполнения программы Т\ 9 10 10
Время выполнения программы Т2 8 13 13
Время выполнения программы ГЗ 11 11 19
Время выполнения программы Т4 8 11 12
Время выполнения всех программ (Г) 36 24 22
Пропускная способность (П) 0,11 0,17 0,18
Коэффициент Лерц 0,56 0.83 0.91
Коэффициент Ajn 0,22 0,33 0,36
Коэффициент Я'оит 0,22 0,33 0,36
Под временем выполнения программы понимается время,
прошедшее от начала выполнения программы или ее постановки
в очередь к процессору до ее завершения, а время выполнения
всех программ определяется моментом завершения выполнения
последней программы пакета.
В мультипрограммной ЭВМ ресурсы могут распределяться
как на статической, так и на динамической основе. В первом
случае ресурсы распределяются до момента порождения процес-
са и являются для него постоянными. Освобождение ресурсов,
занятых каким-либо процессом, происходит только в момент
окончания этого процесса. Во втором случае ресурсы выделяют-
ся процессу по мере его развития. Распределение ресурсов на
статической основе способствует наиболее быстрому развитию
процессов в системе с момента их порождения. Распределение
ресурсов на динамической основе позволяет обеспечить эффек-
тивное использование ресурсов с точки зрения минимизации их
простоев.
Схема статического распределения применяется в том слу-
чае, когда необходимо гарантировать выполнение процесса с мо-
мента его порождения. В качестве недостатка этого подхода сле-
дует отметить возможность длительных задержек заявок на по-
рождение процесса с момента поступления таких заявок в
систему, так как нужно ожидать освобождения всех требуемых
заявке ресурсов и только при наличии их полного состава поро-
248
Глава 3. Микропроцессоры
ждать процесс. Часто распределение ресурсов с использованием
исключительно статического принципа приводит фактически к
однопрограммному режиму работы.
При динамическом распределении стремление уменьшить
простои ресурсов приводит к увеличению сложности системы
распределения ресурсов и, как следствие, к увеличению систем-
ных затрат на управление процессами. В этом случае учитывает-
ся сложность алгоритмов планирования распределения ресурсов
и эффективность выполнения пакета задач.
Ресурсы подразделяются на физические и виртуальные.
Физический ресурс реально существует и обладает всеми при-
сущими ему характеристиками.
Виртуальный ресурс — это некая модель, которая строится на
базе физического ресурса, имеет расширенные функциональные
возможности по отношению к физическому ресурсу и обладает
некоторыми дополнительными свойствами.
Например, расширенными функциональными возможностя-
ми обладает виртуальная память, представляющаяся как запоми-
нающее устройство, имеющее больший объем, чем физическая.
Дополнительные свойства имеет виртуальный процессор, одно-
временно обрабатывающий несколько задач.
Рассмотрим машинное представление команд различных
форматов, использующих различные режимы адресации операн-
дов, на примере операции сложения. Так как в системе команд
ЭВМ, базирующихся на микропроцессорах фирмы Intel, резуль-
тат операции записывается на место первого операнда, то дан-
ная операция будет иметь вид:
а = а + Ь.
Для наглядного представления команды будем пользоваться
ее символической записью, приближенной к записи на языке
Ассемблер. Общий формат команды имеет следующий вид:
[Метка:] Мнемоника_операции Операнд, Операнд |; Комментарий]
Метка — это идентификатор, присваиваемый адресу первого
байта команды. Наличие метки в команде необязательно. При
отсутствии метки двоеточия быть не должно. Во всех командах
необходимо наличие мнемоники, обозначающей выполняемую
команду. Наличие и количество (один или два) операндов зави-
сит от команды. В случае двух операндов они разделяются запя-
3.4. Мультипрограммный режим работы ЭВМ
249
той, при этом первым указывается операнд-приемник, а вто-
рым — операнд-источник. Поле комментария предназначено для
пояснения программы и может содержать любую комбинацию
символов. При отсутствии комментария точка с запятой может
не ставиться.
Пример 3.12. Оба операнда находятся в регистрах общего
назначения: (АХ) = а; (СХ) = Ь. Для обращения к операндам ис-
пользуется прямая регистровая адресация.
Символическая запись команды: ADD АХ,СХ.
Машинное представление этой команды имеет вид:
OOOOOOdw md reg r/m.
Операнды занимают полноразрядные регистры длиной одно
слово, следовательно, необходимо установить 1. Так как оба
операнда располагаются в регистрах общего назначения, то лю-
бой из них можно закодировать в поле reg. Поэтому команда мо-
жет иметь два различных представления в машинном коде. При
этом если в поле reg закодирован номер регистра АХ, то бит
приемника результата d = 1. Если в поле reg закодирован номер
регистра СХ, то бит приемника результата d = 0.
Машинное представление команды имеет вид:
КОП dw md reg r/m
00000011 И 000 001 b = 03Clh
Л Vх/
\ ex
Операнд — слово
Операнд, заданный в поле reg, — приемник
или
КОП dw md reg r/m
00000001 _H 001 000 b = 03C8h
“\ \AX/
\ ex
Операнд — слово
Операнд, заданный в поле reg, — источник
Здесь и далее в записи команд символ b означает двоичное
представление, h — шестнадцатеричное.
250
Глава 3. Микропроцессоры
После выполнения команды в регистр АХ будет записана
сумма содержимого регистров АХ и СХ, а указатель команды IP
увеличится на длину выполненной команды (2 байта) и будет
указывать на первый байт следующей команды (обычно инфор-
мация представляется в 16-разрядном виде).
Если перед началом выполнения команды (АХ) = 0С34,
(СХ) = 1020, (1Р)=0012, то после ее выполнения (АХ)=1С54,
(СХ)= 1020, (IP) = 0014.
Пр и мер 3.13. Операнд а находится в регистре АХ, опе-
ранд b — в оперативной памяти по прямому адресу 3474h.
Символическая запись команды: ADD АХ, |3474h|.
Машинное представление этой команды имеет вид:
КОП dw md reg г/т disp L disp H
00000011 00 000 НО 01110100 00110100b = 0306743411
' \ \^/
\ Прямая адресация
Операнд — слово
Операнд, заданный в поле reg, — приемник
Пусть перед выполнением команды (АХ) = 1234, [347411] =
= 1А, [3475И] = 25, (IP) = 0012. Напомним, что адрес слова в опе-
ративной памяти — это адрес его младшего байта. Тогда после
выполнения команды: (АХ) = 374Е, (IP) = 0016.
Пр и мер 3.14, Операнд а находится в слове оперативной
памяти, адрес которого хранится в регистре ВХ, а операнд b —
в регистре АХ. В этом случае адресация операнда а — регистро-
вая косвенная.
Символическая запись команды: ADD [ВХ], АХ.
Машинное представление этой команды имеет вид:
КОП dw md reg r/m
00000001 00 000 11 lb = OIO7h
“\ \AX/
\ Косвенная адресация через регистр ВХ
Операнд — слово
Операнд, заданный в поле reg, — источник
3.4. Мультипрограммный режим работы ЭВМ
251
Если перед выполнением команды (АХ) = 1234, (ВХ) = 3474,
[3474] = D7, [3475] = 11, (IP) = 0012, то в результате выполнения
команды произойдут следующие изменения: [34741 = 0В, [3475] =
= 24, (IP) = 0014.
3.4.1. Кодирование команд переходов
При безусловном внутрисегментном прямом переходе новое
значение IP равно сумме 8- или 16-разрядного смещения и теку-
щего значения IP. В качестве текущего значения IP используется
адрес команды, записанной вслед за командой перехода. Схема
выполнения операции представлена на рис. 3.13, где предполага-
ется, что перед вычислением адреса перехода содержимое IP уже
указывает на команду, следующую за командой перехода.
Регистр команд
\ Смещение \
Рис. 3.13. Схема внутрисегментного прямого перехода
Команда, имеющая 8-разрядное смещение, называется
командой короткого перехода и имеет в символической записи
после мнемоники команды префикс short. Смещение записывает-
ся в дополнительном коде, который перед сложением с текущим
значением IP дополняется знаком до 16 разрядов. Таким образом,
диапазон адресов переходов для команды короткого перехода со-
ставляет -128..+127 байтов относительно текущего значения IP.
Пр и мер 3.15. Команда JMP short L осуществляет передачу
управления команде с меткой L.
Пусть эта команда перехода записана по адресу 010А. Тогда
если метке L соответствует адрес ОПА, то смещение в команде
перехода будет равно:
ОНА - (010А + 2) = 01IA - 010С = 011А + FEF4 = 0Е.
Здесь операция вычитания заменена сложением с использо-
ванием дополнительного кода отрицательного числа. Перенос за
252
Глава 3. Микропроцессоры
пределы разрядной сетки в операциях, связанных с вычислением
смещения, игнорируется.
Машинное представление этой команды имеет вид:
КОП disp
11101011 00001110b = EBOEh.
Обратим внимание на то, что в качестве текущего значения
1Р взят адрес команды перехода, увеличенный на два. так как
длина самой команды перехода равна 2 байтам.
Если команда, помеченная меткой L, располагается по адре-
су 00С1, то смещение будет равно:
00С1 - 010С = 00С1 + FEF4 = FFB5.
Полученное смещение имеет длину 2 байта, что недопустимо
для данного формата команды. Но так как старший байт пред-
ставляет собой знаковое расширение младшего байта (FFB5h =
= 11111111 10110101b), то это смешение можно закодировать
в 1 байте, и команда будет иметь машинное представление:
EBB5h. Если метке L соответствует адрес 0224, то необходимая
величина смещения, равная 0224 - 010С = 0118, не может быть
записана в 8-разрядном формате. Следовательно, с помощью
команды короткого перехода осуществить переход на указанный
адрес невозможно.
Пример 3.16. По машинному представлению команды пе-
рехода можно определить, на какой адрес в сегменте команд бу-
дет передано управление. Так, команда, имеющая машинный
код EB4Ch и расположенная по адресу 0100h, осуществляет пере-
дачу управления на команду с адресом: (0100 + 2) + 004С = 014Е,
а команда с кодом EBC4h, расположенная по тому же адресу, —
по адресу: (0100 + 2) + FFC4 = 00С6.
Для осуществления безусловного перехода по любому адресу
в пределах данного командного сегмента необходимо задавать
16-разрядное смещение. Команда, имеющая такую величину
смещения, называется командой близкого перехода и имеет пре-
фикс near. Значение IP и 16-разрядное смещение суммируются
как числа со знаком в дополнительном коде. При этом перенос
из 16-го разряда игнорируется. Поэтому увеличение или умень-
шение величины IP при выполнении этой команды зависит не
от знака смешения, а от соотношения текущего значения 1Р и
смещения.
3.4. Мультипрограммный режим работы ЭВМ
253
Пример 3.17. Пусть команда JMP near L имеет машинное
представление Е964А6И. Тогда, если она расположена по адресу
310А, управление будет передано на команду с адресом: (310А +
+ 3) + А664 = D771.
Если команда перехода находится по адресу С224, то управ-
ление будет передано на команду с адресом 688В (С224 + 3 +
+ А664 с учетом игнорирования переноса за пределы 16-разряд-
ной сетки).
В первом случае переход произошел в сторону больших, а во
втором — в сторону меньших адресов. При этом текущее значе-
ние IP на три единицы больше адреса команды близкого прямо-
го перехода (сама команда имеет длину 3 байта).
Внутрисегментную прямую адресацию часто называют отно-
сительной адресацией, так как в этом случае смещение вычисля-
ется относительно текущего значения IP. При внутрисегментном
косвенном переходе содержимое IP заменяется значением 16-раз-
рядного регистра или слова памяти, которое адресуется полями
md и r/т постбайта с помощью любого режима адресации, кроме
непосредственного (рис. 3.14).
КОП md КОП г/т
КОП md КОП r/m disp L disp Н
Рис. 3.14. Схема внутрисегментного косвенного перехода: а — при прямой реги-
стровой адресации; б — при адресации оперативной памяти
254
Глава 3. Микропроцессоры
Пример 3.18. Команда JMP ВХ осуществляет переход к
ячейке памяти, адрес которой равен содержимому регистра ВХ.
Машинное представление этой команды:
КОП md КОП г/т
11111111 II 100 011b = FFE3h.
Если в ВХ записано число 2976, то вне зависимости от теку-
щего значения IP управление будет передано на команду, запи-
санную, начиная с адреса 2976.
Успехи, достигнутые за время существования микропроцессо-
ра, четверть века назад невозможно было и вообразить. Если так
будет продолжаться и впредь, то, вполне возможно, к 2011 г. мик-
ропроцессоры Intel будут работать на тактовой частоте 10 ГГц.
При этом число транзисторов на каждом таком процессоре дос-
тигнет 1 млрд, а вычислительная мощность — 100 млрд оп/с
(BIPS).
Для расширения возможностей и повышения функциональ-
ных характеристик МП дополнительно может поставляться спе-
циальный сопроцессор. В последнее время в качестве сопроцес-
соров при создании мультипроцессорных систем с однотипными
МП и аппаратной поддержкой вычислительных процессоров все
чаще используются транспьютеры, представляющие собой МП
специального типа. Особенность транспьютеров — наличие бы-
стрых коммуникационных каналов связи, каждый из которых
может одновременно передавать по одной магистрали данные в
МП, а по другой — из него. В составе команд транспьютеров
имеются команды управления процессами, поддержки предло-
жений языков программирования высокого уровня (Fortran,
Pascal, С). Высокая производительность транспьютеров обуслов-
лена высокими скоростями передачи операндов команд в АЛУ и
их обработки в нем.
Типичные примеры транспьютеров — известные модели Т414
и Т800 фирмы 1NMOS. В настоящее время наиболее распростра-
ненными и используемыми для создания ПК различных моделей
являются 32-битные микропроцессоры фирм Intel, Motorola,
DEC, AND (США), NEC (Япония) и INMOS (Англия).
Будущее микропроцессорной техники связано сегодня с дву-
мя новыми направлениями — нанотехнологиями и квантовыми
вычислительными системами. Эти пока еще главным образом
3.4. Мультипрограммный режим работы ЭВМ
255
теоретические исследования касаются использования в качестве
компонентов логических схем молекул и даже субатомных час-
тиц: основой для вычислений должны служить не электрические
цепи, как в настоящее время, а положение отдельных атомов или
направление вращения электронов. Если «микроскопические»
компьютеры будут созданы, то они обойдут современные ЭВМ
по многим параметрам.
Контрольные вопросы
1. Что такое микропроцессор? Какие функции он выполняет?
2. Перечислите основные элементы, определяющие архитектуру МП.
3. Каковы понятия «операнд», «поле»? Перечислите поля команды.
4. Какова структура команды в ЭВМ?
5. Опишите структурную схему МП.
6. Перечислите этапы работы МП при выполнении команды и опишите их.
7. Перечислите основные группы команд МП.
8. Приведите пример программы в командах на машинном языке.
9. Опишите структурную схему базовой модели МП фирмы Intel.
10. Какую разрядность имел первый серийный микропроцессор?
11. Какова максимальная разрядность современных универсальных мик-
ропроцессоров?
12. По какому принципу строится персональный компьютер?
13. Какое максимальное количество устройств ввода-вывода может вхо-
дить в состав персональной ЭВМ?
14. Каким образом изменяются признаки результата, фиксируемые в ре-
гистре флагов?
15. Сколько 16-разрядных регистров общего назначения входит в состав
микропроцессора Intel?
16. В каком коде представляются в персональной ЭВМ числа с фиксиро-
ванной точкой?
17. Какова длина сегмента в микропроцессоре Intel?
18. Что такое регистр флагов микропроцессора?
19. Зачем необходим флаг переполнения?
20. Для чего служит регистр управления?
21. Какую длину может иметь непосредственный операнд в 16-разряд-
ном микропроцессоре?
256
Глава 3. Микропроцессоры
22. Какое сочетание режимов адресации двухоперандной команды не-
возможно в системе команд 16-разрядного микропроцессора?
23. Какие преимущества обеспечивает конвейерный принцип обработки
информации (при идеальном конвейере)?
24. Как изменяется длительность такта при переходе от последовательно-
го выполнения команд к конвейерному?
25. Чем определяется длительность такта работы микропроцессора при
конвейерной обработке информации?
26. Назовите способы повышения производительности вычислений.
27. Какие вычислительные системы называются многопроцессорными?
28. В чем особенность классификации вычислительных систем по соотно-
шению потока задач и потока данных: типа ОКОД и ОКМД?
29. В чем особенность классификации вычислительных систем по соотно-
шению потока задач и потока данных: типа МКОД и МКМД?
30. Проведите сравнение конвейерной и параллельной организаций вы-
числительных систем: базовая структура, производительность, пери-
од синхронизации.
31. Проведите сравнение конвейерной и параллельной организации вычис-
лительных систем и факторы, ограничивающие производительность.
Глава 4
КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
Компьютерная сеть (англ, net — сеть) — совокупность ЭВМ
и других устройств, соединенных линиями связи и обмениваю-
щихся информацией между собой в соответствии с определен-
ными правилами — протоколами. Для преодоления несовмести-
мости интерфейсов компьютеров вырабатывают специальные
стандарты, называемые протоколами коммуникации. Сеть дает
возможность пользователям взаимодействовать друг с другом и
обращаться к совместно используемым ресурсам; позволяет им
получать доступ к данным, хранящимся на удаленных персо-
нальных компьютерах.
Компьютеры, входящие в сеть, выполняют следующие функ-
ции: организация доступа к сети, управление передачей инфор-
мации, предоставление вычислительных ресурсов и услуг або-
нентам сети.
Имеются задачи, которые трудно или невозможно решить
без организации информационной связи между различными
компьютерами:
• перенос информации на большие расстояния (сотни, тыся-
чи километров);
• совместное использование несколькими компьютерами до-
рогостоящих аппаратных, программных или информацион-
ных ресурсов — мощного процессора, высокопроизводи-
тельного лазерного принтера, баз данных, программного
обеспечения и т. д.
Без локальных вычислительных сетей (ЛВС) сегодня не
представляется возможным работа ни одной организации. Гра-
мотно построенную есть ЛВС можно сделать частью структури-
рованной кабельной сети (СКС) — унифицированной кабельной
258
Глава 4. Компьютерные сети
сети, позволяющей беспрепятственно менять конфигурацию
сети (перемещать и добавлять рабочие места, менять структуру
сети и т. п.) на уже сданном и эксплуатируемом объекте без пе-
репрокладки кабеля.
Существуют три основных способа организации межкомпь-
ютерной связи:
• объединение двух расположенных рядом компьютеров че-
рез их коммуникационные порты посредством специально-
го кабеля;
• передача данных от одного компьютера к другому посред-
ством модема с помощью проводных или спутниковых ли-
ний связи;
• объединение компьютеров в компьютерную сеть.
Компьютерная сеть представляет собой совокупность трех
компонентов: сети передачи данных (включающей каналы пере-
дачи данных и средства коммутации), компьютеров, взаимосвя-
занных сетью передачи данных, и сетевого программного обес-
печения.
Пользователи компьютерной сети получают возможность со-
вместно использовать ее программные, технические, информа-
ционные и организационные ресурсы.
Компьютерные сети классифицируются следующим образом:
• WAN (широкомасштабная сеть (ГВС)) — континентальное
объединение вычислительных сетей (ВС) на уровне госу-
дарства. Глобальная вычислительная сеть соединяет компь-
ютеры, удаленные географически на большие расстояния
друг от друга, отличается протяженными коммуникациями
(спутниковыми, кабельными и др.). Глобальная сеть объе-
диняет локальные сети;
• MAN (междугородная сеть) — междугородное и областное
объединение сетей. Городская сеть обслуживает информа-
ционные потребности большого города;
• LAN (локальная вычислительная сеть (ЛВС)) — сетевое со-
единение, связывающее компьютеры в зоне, ограниченной
пределами комнаты, здания или предприятия.
Общение компьютеров между собой через мировые сети с
помощью разнообразных средств коммуникаций — это стреми-
тельно развивающееся направление компьютерной технологии.
Крупнейшая глобальная информационная система — есть Ин-
тернет, в основе которой лежит система магистральных сетей,
Глава 4. Компьютерные сети
259
иначе называемых опорными. Сети среднего уровня и региональ-
ные сети подсоединяются к высокоскоростной опорной сети.
Каждая из сетей отвечает за поток сообщений, циркулирую-
щих внутри нее, — трафик и маршрутизирует его по своему ус-
мотрению. Стандартным устройством, с помощью которого ком-
пьютер может быть подключен к мировой сети, является модем.
Виды доступа к Интернету отличаются схемами подключения,
используемыми линиями связи и протоколами, которые опреде-
ляют предоставляемые возможности. Доступ к Интернету пре-
доставляют поставщики сетевых услуг — провайдеры.
Существуют три вида доступа в Интернет.
1. Доступ по вызову (Dial-Up). Компьютер не подключается к
сети непосредственно, а с помощью модема работает как терми-
нал компьютера, подключенного к сети.
2. Подключение по протоколу UUCP. Это так называемый оф-
флайновый режим, который позволяет обмениваться только со-
общениями по электронной почте.
3. Прямой (ISDN) доступ к Интернету. Многие организации
и крупные фирмы имеют выделенную линию в Интернете, т. е.
свой канал. Такой вид доступа значительно дороже перечислен-
ных видов, но основное преимущество — его скорость.
В Интернете существует много сервисов и служб, которые в
пределах сети бесплатно или за небольшую плату предоставля-
ют пользователям услуги определенного характера: электронная
почта, телеконференции, серверы новостей, файловые серверы
(FTP-серверы), службы поиска.
Объединение сетей осуществляется через мосты и межсете-
вые шлюзы.
Под мостом понимают аппаратно-программный блок, кото-
рый обеспечивает соединение нескольких однородных локаль-
ных сетей либо нескольких сегментов ЛС, имеющих различные
протоколы передачи данных.
Под шлюзом понимают совокупность аппаратно-программ-
ных средств, которая обеспечивает передачу данных между не-
совместимыми сетями или приложениями в рамках одной сети.
С помощью межсетевого шлюза связываются между собой сис-
темы, не являющиеся однородными. Межсетевые шлюзы согла-
суют различные протоколы передачи данных, несогласованные
скорости передачи, управление мониторами и используемые
коды.
260
Глава 4. Компьютерные сети
Объединение компьютеров в ЛС предоставляет следующие
преимущества:
• разделение ресурсов и данных (позволяет экономно исполь-
зовать периферийные устройства, а также предоставляет
доступ к базам данных (БД));
• разделение программных средств (предоставляет возмож-
ность одновременного использования централизованного
программного обеспечения (ПО));
• многопользовательский режим (содействует одновременному
использованию централизованного ПО);
• электронная почта (позволяет обмениваться сообщениями
между рабочими станциями);
• режим разделения ресурсов процессора (позволяет использо-
вать возможность мощного процессора с любой рабочей
станции).
Ресурсами сети называют информацию, программы и аппа-
ратные средства, к которым получают доступ ее пользователи.
4.1. Архитектура сетей
Преимущества работы в сети перед работой на ПЭВМ за-
ключаются в том, что пользователь имеет значительные возмож-
ности за счет доступа к ее ресурсам, например, получить инфор-
мацию (доступную для пользователей сети), находящуюся на
других ПЭВМ, подключенных к сети. Имеется возможность вос-
пользоваться мощными ЭВМ для запуска каких-либо программ
(удаленный запуск программ), обмениваться информацией с
другими пользователями сети. При этом можно сэкономить оп-
ределенные средства за счет того, что сразу несколько пользова-
телей получат возможность работать с одним общим устройст-
вом, например принтером.
Так, для офиса, учебного класса, отдела фирмы гораздо луч-
ше и дешевле купить один дорогой, но хороший и быстродейст-
вующий принтер и использовать его как сетевой, чем к каждому
компьютеру покупать дешевые, но плохие принтеры.
При организации связи между двумя компьютерами часто за
одним компьютером закрепляется роль поставщика ресурсов
(программ, данных и т. д.), а за другим — роль пользователя дан-
ных ресурсов. В этом случае первый компьютер называется сер-
4.1. Архитектура сетей
261
вером, а второй — клиентом или рабочей станцией, работающей
под управлением специального программного обеспечения.
Сервер (англ, serve — обслуживать) — это высокопроизводи-
тельный компьютер с большим объемом внешней памяти, кото-
рый обеспечивает обслуживание других компьютеров путем
управления распределением дорогостоящих ресурсов совместно-
го пользования (программ, данных и периферийного оборудо-
вания).
Клиент (рабочая станция) — любой компьютер, имеющий
доступ к услугам сервера. Например, сервером может быть мощ-
ный компьютер, на котором размещается центральная база дан-
ных, а клиентом — обычный компьютер, программы которого по
мере необходимости запрашивают данные с сервера. В некото-
рых случаях компьютер может быть одновременно и клиентом, и
сервером, т. е. предоставлять свои ресурсы и хранимые данные
другим компьютерам и в то же время использовать их ресурсы и
данные.
Протокол коммуникации — это согласованный набор кон-
кретных правил обмена информацией между разными устройст-
вами передачи данных. Имеются протоколы для скорости пере-
дачи, форматов данных, контроля ошибок и др.
Для работы с сетью необходимо наличие специального сете-
вого программного обеспечения, которое обеспечивает передачу
данных в соответствии с заданным протоколом. Протоколы ком-
муникации предписывают разбить весь объем передаваемых дан-
ных на пакеты — блоки фиксированного размера. Пакеты нуме-
руются, чтобы затем их можно было собрать в правильной после-
довательности. К данным, содержащимся в пакете, добавляется
дополнительная информация следующего формата (рис. 4.1).
Адрес Адрес _ _ Поле
Длина Данные
получателя отправителя ** м контрольной суммы
Рис. 4.1. Формат пакета данных
Контрольная сумма данных пакета содержит информацию,
необходимую для контроля ошибок. Первый раз она вычисляет-
ся передающим компьютером, второй раз — принимающим
компьютером, после того как пакет будет передан. Если значе-
ния не совпадают, значит, данные пакета были повреждены при
передаче. Такой пакет отбрасывается, и автоматически направ-
ляется запрос повторно передать пакет.
262
Глава 4. Компьютерные сети
При установлении связи устройства обмениваются сигнала-
ми для согласования коммуникационных каналов и протоколов.
Этот процесс называется подтверждением установления связи.
Архитектура сети — реализованная структура сети передачи
данных, определяющая ее топологию, состав устройств и прави-
ла их взаимодействия в сети. В рамках архитектуры сети рас-
сматриваются вопросы кодирования информации, ее адресации
и передачи, управления потоком сообщений, контроля ошибок
и анализа работы сети в аварийных ситуациях и при ухудшении
характеристик.
Наиболее распространенные архитектуры:
• Ethernet (англ, ether — эфир) — широковещательная сеть, в
которой станции сети могут принимать все сообщения. То-
пология сети линейная или звездообразная, скорость пере-
дачи данных 10 или 100 Мбит/с;
• Arcnet (Attached Resource Computer Network — компьютер-
ная сеть соединенных ресурсов) — широковещательная
сеть. Физическая топология — дерево, скорость передачи
данных 2,5 Мбит/с;
• Token Ring (эстафетная кольцевая сеть, сеть с передачей
маркера) — кольцевая сеть, в которой принцип передачи
данных основан на том, что каждый узел кольца ожидает
прибытия некоторой короткой уникальной последователь-
ности битов (маркера) из смежного предыдущего узла. По-
ступление маркера указывает на то, что можно передавать
сообщение из данного узла дальше по ходу потока. Ско-
рость передачи данных 4 или 16 Мбит/с;
• FDDI (Fiber Distributed Data Interface) — сетевая архитекту-
ра высокоскоростной передачи данных по оптоволокон-
ным линиям. Топология — двойное кольцо или смешанная
(с включением звездообразных или древовидных подсетей),
скорость передачи 100 Мбит/с. Максимальное количество
станций в сети — 1000;
• ATM (Asynchronous Transfer Mode) — перспективная, доро-
гая архитектура, обеспечивает передачу цифровых данных,
видеоинформации и голоса по одним и тем же линиям,
скорость передачи до 2,5 Гбит/с. Линии связи оптические.
Для соединения используется специальное оборудование:
• сетевые кабели (коаксиальные, состоящие из двух изолиро-
ванных между собой концентрических проводников, из ко-
торых внешний имеет вид трубки; оптоволоконные; кабели
4.1. Архитектура сетей
263
на витых парах, образованные двумя переплетенными друг
с другом проводами, и др.);
• коннекторы (соединители) для подключения кабелей к
компьютеру, разъемы для соединения отрезков кабеля;
• сетевые интерфейсные адаптеры для приема и передачи
данных. В соответствии с определенным протоколом управ-
ляют доступом к среде передачи данных. Размешаются в
системных блоках компьютеров, подключенных к сети.
К разъемам адаптеров подключается сетевой кабель;
• трансиверы повышают уровень качества передачи данных
по кабелю, отвечают за прием сигналов из сети и обнару-
жение конфликтов;
• хабы (концентраторы) и коммутирующие хабы (коммутато-
ры) расширяют топологические, функциональные и скоро-
стные возможности компьютерных сетей. Хаб с набором
разнотипных портов позволяет объединять сегменты сетей
с различными кабельными системами. К порту хаба можно
подключать как отдельный узел сети, так и другой хаб или
сегмент кабеля;
• повторители (репитеры) усиливают сигналы, передаваемые
по кабелю при его большой длине.
Технология «клиент—сервер». Характер взаимодействия ком-
пьютеров в локальной сети принято связывать с их функцио-
нальным назначением. Как и в случае прямого соединения, в
рамках локальных сетей используются понятия «клиент» и «сер-
вер». Технология «клиент—сервер» — это особый способ взаимо-
действия компьютеров в локальной сети, при котором один из
компьютеров (сервер) предоставляет свои ресурсы другому ком-
пьютеру (клиенту). В соответствии с этим различают одноранго-
вые и серверные сети.
При одноранговой архитектуре в сети отсутствуют выделен-
ные серверы, каждая рабочая станция может выполнять функ-
ции клиента и сервера. В этом случае рабочая станция выделяет
часть своих ресурсов в общее пользование всем рабочим станци-
ям сети. Как правило, одноранговые сети создаются на базе оди-
наковых по мощности компьютеров. Одноранговые сети — дос-
таточно простые в наладке и эксплуатации. В том случае, когда
сеть состоит из небольшого числа компьютеров и ее основная
функция — обмен информацией между рабочими станциями,
одноранговая архитектура является наиболее приемлемым реше-
нием (табл. 4.1).
264
Глава 4. Компьютерные сети
Таблица 4.1. Одноранговые ЛВС и ЛВС с выделенным файловым сервером
Описание
Схема
В одноранговых ЛВС все рабочие места (ком-
пьютеры) обладают одинаковыми возмож-
ностями по отношению друг к другу
В ЛВС с выделенным сервером один из ком-
пьютеров (сервер) наделяется диспетчерски-
ми функциями. Этот компьютер, как прави-
ло, обладает наибольшей производительно-
стью и управляет накопителями на жестких
дисках (файловый сервер), поддерживает
коллективные периферийные устройства,
такие как устройства печати (сервер печа-
ти), графопостроители, стримеры, сканеры,
модемы и т. п.)
Для ЛВС используются различные типы кабелей, а также ра-
диоволновые, инфракрасные и оптические каналы.
Топология вычислительной сети. От конфигурации ЛВС зави-
сит, как размещаются абоненты сети и как они соединяются
между собой. Существует несколько конфигураций локальных
вычислительных сетей (табл. 4.2).
Таблица 4.2. Топологии локальных вычислительных сетей
Топология
Описание
Шинной называется такая конфигурация
сети, при которой к незамкнутому каналу
(шине) с некоторым интервалом подключа-
ются абоненты. Информация от абонен-
та-источника распространяется по каналу в
обе стороны. Для раздельной передачи сиг-
нала по одной шине применяют временное
или частотное разделение шины. В первом
случае каждому абоненту для ведения пере-
дачи выделяется определенный отрезок вре-
мени, во втором случае — полоса частот для
обмена информацией между абонентами.
Передача может вестись с помощью моде-
мов. Такой метод передачи используется,
например, в кабельном телевидении
4.1. Архитектура сетей
265
Топология
Окончание табл. 4.2
Описание
Звездообразные ЛВС возникли па основе уч-
режденческих телефонных сетей с АТС.
В центре звездообразной ЛВС находится
центральный коммутатор, который последо-
вательно опрашивает абонентов и предос-
тавляет им право на обмен данными
В кольцевых ЛВС информация передается по
замкнутому каналу (кольцу), в большинстве
случаев только в одном направлении. Каж-
дый абонент непосредственно связан с дву-
мя соседними абонентами, но «прослушива-
ет» передачу любого абонента сети
Управление сетями. Вычислительные сети имеют те же недос-
татки, что и ПК в виде автономной системы. Ошибочные вклю-
чения и выключения какого-либо оборудования, выход за грани-
цы области, злоупотребления информацией и (или) манипулиро-
вание сетью могут разрушить рабочую систему. Обеспечение
надежности функционирования сети входит в обязанности адми-
нистратора сети, который должен быть всегда информирован о
физическом состоянии и производительности сети и вовремя
принимать соответствующие решения.
Администратор сети управляет счетами и контролирует
права доступа к данным. Для этого в сетях применяется систе-
ма имен и адресация. Каждый пользователь имеет собственный
идентификатор — имя, в соответствии с которым получает ог-
раниченный доступ к сетевым ресурсам и к времени работы в
сети. Пользователи, кроме того, могут быть объединены в
группы со своими правами и ограничениями. Для предотвра-
щения несанкционированного доступа применяется система
паролей.
Один из недостатков одноранговых сетей — наличие рас-
пределенных данных и возможность изменения серверных ре-
сурсов каждой рабочей станции усложняет защиту информа-
ции от несанкционированного доступа. Понимая это, разработ-
266
Глава 4. Компьютерные сети
чики начинают уделять особое внимание вопросам защиты
информации в одноранговых сетях. Другой недостаток одно-
ранговых сетей — их низкая производительность. Это объясня-
ется тем, что сетевые ресурсы сосредоточены на рабочих стан-
циях, которым приходится одновременно выполнять функции
клиентов и серверов.
В серверных сетях осуществляется четкое разделение функций
между компьютерами: одни из них постоянно являются клиента-
ми, а другие — серверами. Учитывая многообразие услуг, предос-
тавляемых компьютерными сетями, существует несколько типов
серверов, а именно: сетевой сервер, файловый сервер, сервер пе-
чати, почтовый сервер и др.
Сетевой сервер представляет собой специализированный ком-
пьютер, ориентированный на выполнение основного объема вы-
числительных работ и функций по управлению компьютерной се-
тью. Этот сервер содержит ядро сетевой операционной системы,
под управлением которой осуществляется работа всей локальной
сети. Сетевой сервер обладает достаточно высоким быстродейст-
вием и большим объемом памяти. При подобной сетевой органи-
зации функции рабочих станций сводятся к вводу-выводу инфор-
мации и обмену ею с сетевым сервером.
Термин файловый сервер относится к компьютеру, основная
функция которого — хранение, управление и передача файлов
данных. Он не обрабатывает и не изменяет сохраняемые и пере-
даваемые им файлы. Сервер может «не знать», является ли файл
текстовым документом, графическим изображением или элек-
тронной таблицей. В общем случае на файловом сервере могут
даже отсутствовать клавиатура и монитор. Все изменения в фай-
лах данных осуществляются с клиентских рабочих станций. Для
этого клиенты считывают файлы данных с файлового сервера,
проводят необходимые изменения данных и возвращают их на
файловый сервер. Подобная организация наиболее эффективна
при работе большого количества пользователей с общей базой
данных. В рамках больших сетей могут одновременно использо-
ваться несколько файловых серверов.
Сервер печати (принт-сервер) представляет собой печатаю-
щее устройство, которое с помощью сетевого адаптера подклю-
чается к передающей среде. Сервер печати работает независимо
от других сетевых устройств, обслуживает заявки на печать от
всех серверов и рабочих станций. В качестве серверов печати ис-
пользуются специальные высокопроизводительные принтеры.
4.2. Классификация вычислительных сетей
267
При высокой интенсивности обмена данными с глобальны-
ми сетями в рамках локальных сетей выделяются почтовые сер-
веры, с помощью которых обрабатываются сообщения электрон-
ной почты.
4.2. Классификация вычислительных сетей
Сети классифицируют по протяженности линий связи, топо-
логии и способу управления.
По протяженности линий связи различают сети: локальные,
региональные, глобальные.
По топологии (способу соединения элементов) сети различа-
ются следующим образом (рис. 4.2): шинная, кольцевая, звездо-
образная, древовидная, полносвязная и гибридная (смешанная).
ПК ПК ПК ПК ПК ПК
ПК ПК ПК ПК ПК
а
Рис. 4.2. Топология сетей: а — шинная; б — кольцевая; в — древовидная;
г — полносвязная; д — звездообразная; е — смешанная
Каждая топология имеет свои достоинства и недостатки. На-
пример, сеть с полносвязной топологией наиболее дорогая, но
самая надежная, поскольку при отказе какой-либо линии связи
передаваемая информация может быть направлена в обход.
Сеть с шинной топологией, наоборот, самая дешевая, но при
отказе канала передачи данных из строя выходит вся есть. Кроме
того, такая сеть требует специального программного обеспече-
268
Глава 4. Компьютерные сети
ния для одновременной передачи информации между несколь-
кими машинами по одному каналу.
Наиболее простое программное обеспечение в сети с кольце-
вой топологией, так как передача информации в такой сети осу-
ществляется только в одном направлении, т. е. каждый компью-
тер принимает и передает сигнал следующей станции. В то же
время выход из строя одной части кольца приводит к отказу
всей сети.
По способу управления различают сети:
• централизованные, в которых для управления и обеспече-
ния доступа пользователей к ресурсам сети выделяют мощ-
ные компьютеры — серверы, на которых устанавливается
специальное программное обеспечение. Остальные маши-
ны в таких сетях называют рабочими станциями. Часто
встречаются локальные сети с одним сервером;
• децентрализованные (одноранговые), в которых все компь-
ютеры участвуют в управлении сетью на равных правах.
Иными словами, в такой сети все машины одного ранга и
работают под управлением одинаковых или, по крайней
мере, совместимых программ, обеспечивающих в том числе
и передачу данных по сети.
Пример локальной централизованной компьютерной сети с
шинной топологией приведен на рис. 4.3.
ПК1 ПК2 ПКЗ ... ПКЛ/
Дисковые ----- Сервер---- Принтер
накопители ।
Модем
Линия связи с другими
вычислительными системами
Рис. 4.3. Локальная централизованная компьютерная сеть
Сервер обеспечивает пользователям на остальных машинах
(рабочих станциях) доступ к информации на дисковых накопи-
телях, принтеру и выход к другим вычислительным системам че-
рез линию связи.
Сетевые интерфейсные платы (Network Interface Card — NIC)
устанавливаются на настольных и портативных персональных
4.2. Классификация вычислительных сетей
269
компьютерах. Они служат для взаимодействия с другими устрой-
ствами в локальной сети.
Существует целый спектр сетевых плат для различных ПК,
имеющих определенные требования к производительности. Ха-
рактеризуются по скорости передачи данных и способам под-
ключения к сети.
Если рассматривать способ приема и передачи данных на
подключенных к сети ПК, то современные сетевые платы (сете-
вые адаптеры) играют активную роль в повышении производи-
тельности, назначении приоритетов для ответственного трафика
(передаваемой/принимаемой информации) и мониторинге тра-
фика в сети. Кроме того, они поддерживают такие функции, как
удаленная активизация с центральной рабочей станции или уда-
ленное изменение конфигурации, что значительно экономит
время и силы администраторов постоянно растущих сетей.
В структурированной кабельной конфигурации все входя-
щие в сеть ПК взаимодействуют с концентратором (или комму-
татором).
Хаб (концентратор) локальной централизованной компью-
терной сети — устройство множественного доступа. При приме-
нении концентратора все пользователи делят между собой полосу
пропускания сети. Пакет, принимаемый по одному из портов
концентратора, рассылается во все другие порты, которые анали-
зируют этот пакет (предназначен он для них или нет). При не-
большом числе пользователей такая система превосходно работа-
ет, между тем в случае увеличения числа пользователей начинает
сказываться конкуренция за полосу пропускания, что замедляет
трафик в локальной сети.
Концентраторы бывают разных видов и размеров и обеспе-
чивают соединение числа пользователей сети, охватывающей
комплекс зданий (рис. 4.4).
Функции данных устройств различны: от простых концен-
траторов проводных линий до крупных устройств, выполняю-
щих работу центрального узла сети, поддерживающих операции
управления и целый ряд стандартов (Ethernet, Fast Ethernet,
Gigabit Ethernet, FDD1 и т. д.). Существуют также концентрато-
ры, играющие важную роль в системе защиты сети.
Концентратор начального уровня (базовый концентратор) —
это простое, автономное устройство, являющееся для многих ор-
ганизаций хорошей отправной точкой благодаря низкой стоимо-
сти в расчете на порт.
270
Глава 4. Компьютерные сети
з
Рис. 4.4. Структура хаба (концентратора): 1 — светодиодные индикаторы состоя-
ния порта; 2 — индикаторы использования сети, показывающие ее загружен-
ность; 3 — порты кабеля «витая пара» для подсоединения рабочих станций
к сети; 4 — коаксиальный порт для подключения к сетевой магистрали:
5 — гнездо адаптера питания; 6 — сигнальные светодиодные индикаторы
Наращиваемые (стековые) концентраторы позволяют посте-
пенно увеличивать размер сети. Такие концентраторы соединя-
ются друг с другом гибкими кабелями расширения, ставятся
один на другой и функционируют как один концентратор.
Концентраторы с коммутацией портов, или сегментируемые
концентраторы (SuperStack II PS Hub), позволяют выделять
пользователям любой из четырех внутренних сегментов концен-
тратора (каждый из этих сегментов имеет полосу пропускания
10 Мбит/с). Подобная схема дает возможность гибко распреде-
лять полосу пропускания между пользователями и балансиро-
вать нагрузку сети.
Двухскоростные концентраторы можно с выгодой применять
для создания современных сетей с совместно используемыми се-
тевыми сегментами. Они поддерживают существующие каналы
Ethernet 10 Мбит/с и новые сети Fast Ethernet 10 Мбит/с, авто-
матически опознавая скорость соединения, что позволяет не на-
страивать конфигурацию вручную. Это упрощает модернизацию
соединений — переход от сети Ethernet к Fast Ethernet, когда не-
обходима поддержка новых приложений, интенсивно исполь-
зующих полосу пропускания сети, или сегментов с большим
числом пользователей. Кроме того, концентраторы служат цен-
тральной точкой для подключения кабелей, изменения конфигу-
рации, поиска неисправностей и централизованного управле-
ния, упрощая выполнение всех этих операций.
4.2. Классификация вычислительных сетей
271
Коммутатор — многопортовое устройство, обеспечивающее
высокоскоростную коммутацию пакетов между портами. В сети
с коммутацией пакетов — устройство, направляющее пакеты
обычно на один из узлов магистральной сети. Коммутатор пре-
доставляет каждому устройству (серверу, ПК или концентрато-
ру), подключенному к одному из его портов, всю полосу пропус-
кания сети. Это повышает производительность и уменьшает вре-
мя отклика сети за счет сокращения числа пользователей,
приходящихся на сегмент. Как и двухскоростные концентрато-
ры, новейшие коммутаторы часто конструируются для поддерж-
ки 10 или 100 Мбит/с, в зависимости от максимальной скорости
подключаемого устройства. Если они оснащаются средствами
автоматического опознавания скорости передачи, то могут сами
настраиваться на оптимальную скорость — изменять конфигура-
цию вручную не требуется.
В отличие от концентраторов, осуществляющих широкове-
щательную рассылку всех пакетов, принимаемых по любому из
портов, коммутаторы передают пакеты только целевому устрой-
ству (адресату), так как знают МАС-адрес каждого подключен-
ного устройства (аналогично тому, как почтальон по почтовому
адресу определяет, куда доставить письмо). В результате умень-
шается трафик и повышается общая пропускная способность, а
эти два фактора — критические с учетом растущих требований к
полосе пропускания сети современных сложных бизнес-прило-
жений.
Маршрутизатор выполняет следующие простые функции:
• подключение локальных сетей (LAN) к территориально-
распределенным сетям (WAN);
• соединение нескольких локальных сетей.
Маршрутизаторы перемешают данные, выявляя оптималь-
ный маршрут от отправителя к получателю. Они зависят от ис-
пользуемого протокола (например, TCP/IP, IPX, AppleTalk) и от
мостов и коммутаторов, функционирующих на втором уровне.
Производительность маршрутизатора (объем передаваемых дан-
ных в секунду) обычно пропорциональна его стоимости. По-
скольку маршрутизатор работает на основе протокола, он может
принимать решение о наилучшем маршруте доставки данных,
руководствуясь такими факторами, как стоимость, скорость дос-
тавки и т. д. Кроме того, маршрутизаторы позволяют эффектив-
но управлять трафиком широковещательной рассылки, обеспе-
чивая передачу данных только в нужные порты.
272
Глава 4. Компьютерные сети
4.2.1. Компоненты локальной вычислительной сети
Несмотря на стремительную эволюцию вычислительной тех-
ники, новых типов компьютерных сетей не появилось, и сего-
дня, как много лет назад, существует только два их вида: одно-
ранговые сети и сети на основе сервера.
Подобно тому как любая вычислительная система нуждается
в программных средствах, объединенных в операционную систе-
му, так и вычислительная сеть нуждается в собственной опера-
ционной системе. Всемирно известная операционная система
вычислительных сетей — NetWare фирмы Novell. Функциями
операционных систем наделены системы на платформе Windows
(Windows 3.11, Windows 95, Windows NT) фирмы Microsoft.
Центральный процессор соединяется с периферийным обо-
рудованием специальным устройством. Для подключения одного
ПК к другому требуется устройство сопряжения, которое назы-
вается сетевым адаптером, или сетевым интерфейсом, модулем,
картой. Оно вставляется в свободное гнездо материнской платы.
Серверу в большинстве случаев необходима сетевая плата повы-
шенной производительности, чем у рабочих станций.
В качестве средств коммутации наиболее часто применяются
витая пара, коаксиальный кабель и оптоволоконные линии.
Достаточно часто встречается ситуация, когда одни и те же
данные требуются разным рабочим станциям. В этом случае
должно использоваться специальное прикладное программное
обеспечение, которое контролировало бы доступ к данным и по-
зволяло избежать ошибок.
Локальным вычислительным сетям присуши следующие осо-
бенности:
1) информацию можно передавать в цифровом виде, так как
линии передачи данных в ЛВС невелики;
2) в них практически нет помех, а потому передаваемая ин-
формация не имеет ошибок;
3) в них могут входить разнообразные и независимые устрой-
ства: большие, малые и микроЭВМ, терминалы и терминальные
станции, различное периферийное оборудование, накопители на
магнитных лентах и дисках, а также специализированные сред-
ства (регистрирующие и копирующие устройства, графопострои-
тели, устройства связи с объектами и т. п.);
4) простота изменения конфигурации сети и среды передачи;
4.3. Классификация программных средств
273
5) низкая стоимость сети передачи данных по сравнению со
стоимостью подключаемых устройств.
Локальная вычислительная сеть обладает единым для всех
абонентов высокоскоростным каналом связи, способным пере-
давать как цифровые данные, так и речевую, текстовую и даже
видеоинформацию, что позволяет, например, объединить многие
формы учрежденческой связи в рамках сети.
4.3. Классификация программных средств
Электронные вычислительные машины — универсальные
технические средства автоматизации вычислительных работ, т. е.
они способны решать любые задачи, связанные с преобразова-
нием информации. Однако решение задач на ЭВМ остается до
настоящего времени достаточно трудоемким процессом, требую-
щим от пользователей во многих случаях специальных знаний и
навыков.
Для снижения трудоемкости подготовки задач к решению,
более эффективного использования технических, программных
средств и ЭВМ в целом, а также облегчения их эксплуатации ка-
ждая электронная вычислительная машина имеет специальный
комплекс программных средств регулярного применения. Эти
средства обеспечивают взаимодействие пользователей с ЭВМ,
являясь своеобразным «посредником» между ними. Они получи-
ли название «программное обеспечение» ЭВМ.
Под программным обеспечением (ПО, Software) понимается
совокупность программ, выполняемых вычислительной систе-
мой. Программное обеспечение — неотъемлемая часть компью-
терной системы, логическое продолжение технических средств,
определяющее сферу применения конкретного компьютера. Про-
граммное обеспечение современных компьютеров включает мил-
лионы программ — от игровых до научных.
Программы ПО делятся на четыре уровня.
I. Базовые программы — составляют базовую систему вво-
да-вывода (BIOS), которая хранится в ПЗУ.
2. Системные программы — драйверы (программы, обеспечи-
вающие работу аппаратуры, например драйвер клавиатуры) и
средства интерфейса (программы, обеспечивающие взаимодей-
ствие между аппаратным и программным обеспечением).
274
Глава 4. Компьютерные сети
3. Служебные программы (утилиты) — необходимы для обслу-
живания системы. Примеры служебных программ: файл-менед-
жеры (Проводник), архиваторы (WinZIP), антивирусы (AVP),
средства коммуникации (FAR), средства диагностики (програм-
мы проверки и дефрагментации диска).
4. Прикладные программы — предназначены для решения
конкретных задач пользователя. Примеры приложений: тексто-
вый процессор Word, табличный процессор Excel, обозреватель
web-страниц Internet Explorer.
К программному обеспечению относится также вся область
деятельности по проектированию и разработке программного
обеспечения:
• технология проектирования программ (например, нисходя-
щее проектирование, структурное программирование и др.);
• методы тестирования программ;
• методы доказательства правильности программ;
• анализ качества работы программ;
• документирование программ;
• разработка и использование программных средств, облег-
чающих процесс проектирования программного обеспече-
ния, и т. д.
4.3.1. Классификация программного обеспечения
В первом приближении программы, работающие на компью-
тере, можно условно разделить на три категории (рис. 4.5):
1) прикладные программы, непосредственно обеспечиваю-
щие выполнение необходимых пользователям работ;
2) системные программы, выполняющие различные вспомо-
гательные функции, например: управление ресурсами компьюте-
ра, создание копий используемой информации, проверка рабо-
тоспособности устройств компьютера, выдача справочной ин-
формации о компьютере и др.;
3) инструментальные программные системы, облегчающие
процесс создания новых программ для компьютера.
При построении классификации ПО нужно учитывать тот
факт, что стремительное развитие вычислительной техники и
расширение сферы приложения компьютеров резко ускорили
процесс эволюции программного обеспечения. Развитие ПО
происходит как вглубь (появились новые подходы к построению
4.3. Классификация программных средств
275
Рис. 4.5. Классификация программного обеспечения
операционных систем, языков программирования и т. д.), так и
вширь (прикладные программы перестали быть прикладными и
приобрели самостоятельную ценность).
Соотношение между требуемыми программными продуктами
и имеющимися на рынке меняется очень быстро.
Классические программные продукты, такие как операцион-
ные системы, непрерывно развиваются и наделяются интеллек-
туальными функциями. Кроме того, появились нетрадиционные
программы, классифицировать которые по устоявшимся крите-
риям очень трудно, а то и просто невозможно, например про-
грамма — электронный собеседник.
К настоящему моменту сложились следующие группы про-
граммного обеспечения:
• операционные системы и оболочки;
• системы программирования (трансляторы, библиотеки под-
программ, отладчики и т. д.);
276
Глава 4. Компьютерные сети
• инструментальные системы;
• интегрированные пакеты программ;
• динамические электронные таблицы;
• системы машинной графики;
• системы управления базами данных (СУБД);
• прикладное программное обеспечение.
Разумеется, эту классификацию нельзя считать исчерпываю-
щей, но она отражает направления совершенствования и разви-
тия программного обеспечения.
Прикладная программа — это любая конкретная программа,
способствующая решению задачи в пределах проблемной облас-
ти. Если на компьютер возложена задача контроля над финансо-
вой деятельностью какой-либо фирмы, прикладной будет про-
грамма подготовки платежных ведомостей.
Прикладные программы могут носить и общий характер, на-
пример обеспечивать составление и печатание документов и т. п.
Прикладные программы могут использоваться либо автономно,
т. е. решать поставленную задачу без помощи других программ,
либо в составе программных комплексов или пакетов.
Классификация прикладных программ следующая:
1. Текстовые редакторы, текстовые процессоры (Блокнот,
WordPad, Word).
2. Электронные таблицы, табличные процессоры (Excel).
3. Графические редакторы (Microsoft Paint, ACDSee, Adobe
Photoshop, CorelDraw, Macromedia Flash).
4. Системы управления базами данных (Access).
5. Обозреватели web-страниц (Internet Explorer, Opera).
6. Среды программирования (Turbo Pascal 7.0, Delphi,
Borland C++).
К прикладным программам относятся также энциклопедии,
переводчики, учебники, игры, программы создания и проигры-
вания мультимедиа и многие другие виды программ.
Системные программы выполняются вместе с прикладными
и служат для управления ресурсами компьютера — центральным
процессором, памятью, устройстром ввода-вывода. Это програм-
мы общего назначения, предназначенные для всех пользовате-
лей компьютера и обеспечивающие эффективное выполнение
прикладных программ.
Среди десятков тысяч системных программ особое место за-
нимают операционные системы, которые обеспечивают управле-
4.3. Классификация программных средств 277
ние ресурсами компьютера с целью их эффективного использо-
вания.
Важные классы системных программ — программы вспомо-
гательного назначения — утилиты (лат. utilitas — польза). Они
либо расширяют и дополняют соответствующие возможности
операционной системы, либо решают самостоятельные задачи:
• программы контроля, тестирования и диагностики, которые
используются для проверки правильности функционирова-
ния устройств компьютера и для обнаружения неисправно-
стей в процессе эксплуатации, указывают причину и место
неисправности;
• программы-драйверы, которые расширяют возможности
операционной системы по управлению устройствами вво-
да-вывода, оперативной памятью и т. д. (с помощью драй-
веров можно подключать к компьютеру новые устройства
или нестандартно использовать имеющиеся);
• программы-упаковщики (архиваторы), которые позволяют за-
писывать информацию на дисках более плотно, а также объ-
единять копии нескольких файлов в один архивный файл;
• антивирусные программы, предназначенные для предотвра-
щения заражения компьютерными вирусами и ликвидации
последствий заражения вирусами;
• программы оптимизации и контроля дискового пространства;
• программы восстановления информации, форматирования,
защиты данных;
• коммуникационные программы, организующие обмен ин-
формацией между компьютерами;
• программы для управления памятью, обеспечивающие более
гибкое использование оперативной памяти;
• программы для записи CD-ROM, CD-RW и т. д.
Одна часть утилит входит в состав операционной системы, а
другая функционирует независимо от нее, т. е. автономно.
Инструментальные программные средства — это программы,
которые используются в ходе разработки, корректировки или раз-
вития других прикладных или системных программ. По назначе-
нию они близки к системам программирования. К инструмен-
тальным программным средствам относятся: редакторы, средства
компоновки программ, отладочные программы, т. е. программы,
помогающие находить и устранять ошибки в программе; вспомо-
гательные программы, реализующие часто используемые систем-
ные действия; графические пакеты программ и т. п. Инструмен-
278
Глава 4. Компьютерные сети
тальные программные средства могут оказать помощь на всех ста-
диях разработки программного обеспечения.
Программное обеспечение ЭВМ и вычислительных сетей
может сильно различаться составом используемых программ, ко-
торый определяется классом применяемой вычислительной тех-
ники, режимами ее использования, содержанием вычислитель-
ных работ пользователей и т. п. Развитие программного обеспе-
чения современных ПЭВМ и ВС в значительной степени носит
эволюционный и эмпирический характер, но можно выделить
закономерности в его построении.
В приложении 2 приведены характеристики программно-ап-
паратных комплексов в образовании.
В общем случае процесс подготовки и решения задач на ЭВМ
пользователями предусматривает выполнение следующих этапов
(рис. 4.6):
• формулировка проблемы и математическая постановка за-
дачи;
• выбор метода и разработка алгоритма решения;
• программирование (запись алгоритма) с использованием
некоторого алгоритмического языка;
• планирование и организация вычислительного процесса,
т. е. порядка и последовательности использования ресурсов
ЭВМ и ВС;
Поко- ление ЭВМ Этапы подготовки к решению задач
Постановка задачи Выбор алгоритма Программи- рование на входном языке Организация вычислитель- ного процесса Получение машинной программы Решение задачи
1 П О Л Ь ЗОВ АТЕ Л Ь Аппаратура
11 ПОЛ Ь 3 О ВАТЕ п 1 Программное Л Ь обеспечение Аппаратура
III ПОЛ Ь 3 О В А Т Е Л Ь Программное Аппаратура обеспечение н
IV ПОЛЬ ЗОВА ТЕЛЬ Программное Annanarvna обеспечение Аппаратура
V ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ обеспечение Аппаратура
Рис. 4.6. Автоматизация подготовки и решения задач на ЭВМ
4.3. Классификация программных средств
279
• формирование «машинной программы», т. е. программы,
которую непосредственно будет выполнять ЭВМ;
• собственно решение задачи — выполнение вычислений по
готовой программе.
По мере развития вычислительной техники автоматизация
этих этапов идет снизу вверх. В ЭВМ первого поколения автома-
тизации подлежал только последний этап, все пять предыдущих
этапов пользователь должен был готовить вручную самостоятель-
но. Трудоемкий и рутинный характер этих работ был источником
большого количества ошибок в заданиях. Поэтому в ЭВМ сле-
дующих поколений сначала появились элементы, а затем целые
системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.
Для ЭВМ второго поколения характерно применение алго-
ритмических языков (Автокоды, Алгол, Фортран и др.) и соот-
ветствующих трансляторов, позволяющих автоматически форми-
ровать машинные программы по их описанию на алгоритмиче-
ском языке. Здесь же стали широко внедряться библиотеки
стандартных программ, что позволило строить машинные про-
граммы блоками, используя накопленный и приобретенный
программистами опыт. Временные границы появления всех но-
вовведений достаточно размыты.
ЭВМ третьего поколения характеризуются расцветом опера-
ционных систем (ОС), отвечающих за организацию и управле-
ние вычислительным процессом. Именно здесь аббревиатура
ЭВМ все чаще стала заменяться понятием «вычислительная сис-
тема», что в большей степени отражало усложнение как аппара-
турной, так и программной части ЭВМ. Стоимость программно-
го обеспечения начала расти и в настоящее время намного опе-
режает стоимость аппаратурных средств (рис. 4.7).
Операционная система планирует последовательность рас-
пределения и использования ресурсов вычислительной системы,
а также обеспечивает их согласованную работу.
Под ресурсами обычно понимают те средства, которые приме-
няются для вычислений: машинное время процессоров или ЭВМ,
входящих в систему; объемы оперативной и внешней памяти; от-
дельные устройства, информационные массивы; библиотеки про-
грамм; программы общего и специального применения и т. п.
Наиболее используемые функции ОС в части обработки вне-
штатных ситуаций (защита программ от взаимных помех, систе-
мы прерываний и приоритетов, служба времени, сопряжение с
каналами связи и т. д.) были полностью или частично реализова-
280
Глава 4. Компьютерные сети
Рис. 4.7. Динамика изменения стоимости аппаратурных
и программных средств
ны аппаратурно. Одновременно были разработаны более слож-
ные режимы: коллективный доступ к ресурсам и мультипро-
граммные режимы. Часть этих решений стала своеобразным стан-
дартом и начала использоваться повсеместно в ЭВМ различных
классов. Это позволило в значительной степени повысить эффек-
тивность применения ЭВМ и ВС в целом.
В ЭВМ четвертого поколения продолжается усложнение тех-
нических и программных структур (иерархия управления средст-
вами, увеличение их количества). Программное обеспечение
ПЭВМ создает дружественную среду общения человека и компь-
ютера. С одной стороны, оно управляет процессом обработки ин-
формации, а с другой — создает необходимый сервис для пользо-
вателя, снижая трудоемкость его рутинной работы и предоставляя
ему возможность больше внимания уделять творчеству.
Компьютеры XXI в. будут иметь встроенный искусственный
интеллект, что позволит пользователям обращаться к машинам
(системам) на естественном языке, вводить и обрабатывать тек-
сты, документы, иллюстрации, создавать системы обработки зна-
ний и т. д. Все это приводит к необходимости разработки слож-
ного, многоэшелонного иерархического программного обеспече-
ния систем обработки данных.
4.4. Архитектура операционных систем
Операционная система исполняет роль связующего звена ме-
жду аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемы-
ми программами, а также пользователем — с другой. Операци-
4.4. Архитектура операционных систем
281
онная система — программная надстройка над архитектурой
компьютера, которая обеспечивает удобный пользовательский
интерфейс, берет на себя функции автоматического управления
рядом его подсистем и предоставляет готовые процедуры управ-
ления внутренними и внешними ресурсами, т. е. является неко-
ей автоматизированной системой управления работой и ресурса-
ми компьютера, повышающей удобство и эффективность его ис-
пользования.
Операционная система обычно хранится во внешней памяти
компьютера — на диске. При включении компьютера она счи-
тывается с дисковой памяти и размещается в оперативном запо-
минающем устройстве (ОЗУ). Этот процесс называется загруз-
кой операционной системы.
Операционная система сети включает набор управляющих и
обслуживающих программ, обеспечивающих:
• межпрограммный метод доступа (возможность организа-
ции связи между отдельными прикладными программами
комплекса, реализуемыми в различных узлах сети);
• доступ отдельных прикладных программ к ресурсам сети
(в первую очередь к устройствам ввода-вывода);
• синхронизацию работы прикладных программных средств
в условиях их обращения к одному и тому же вычислитель-
ному ресурсу;
• обмен информацией между программами с использовани-
ем сетевых «почтовых ящиков»;
• удаленный ввод заданий, вводимых с любого терминала,
и выполнение их на любой ЭВМ в пакетном или оператив-
ном режиме;
• обмен наборами данных (файлами) между ЭВМ сети;
• защиту данных и вычислительных ресурсов сети от несанк-
ционированного доступа.
Сервисные системы расширяют возможности операционной
системы. Инструментальные системы предназначены для реше-
ния задач, которые встречаются в составе любой проблемы, ори-
ентированной на применение ПЭВМ, и не связаны с конкрет-
ной практической областью.
Системы технического обслуживания используются для облег-
чения тестирования оборудования ПЭВМ и применяются спе-
циалистами по аппаратуре ПЭВМ.
Все программные средства можно разделить на внутреннее и
внешнее программное обеспечение (рис. 4.8).
282
Глава 4. Компьютерные сети
Уровень 3
Системные и прикладные программы
Уровень 2 Интерфейс ОС Операционная система
Интерфейс внутреннего ПО
Уровень 1
Драйверы
Программа загрузки
Тестовая программа
Устройства ЭВМ
(аппаратное обеспечение)
Рис. 4.8. Уровни иерархии программных средств
Программы уровня 1 (внутреннее программное обеспечение)
хранятся в ПЗУ и работают непосредственно с аппаратурой
ПЭВМ. Для ПЭВМ совокупность этих программ носит название
BIOS. В состав BIOS входят:
• драйверы стандартных внешних устройств;
• тестовые программы для контроля работоспособности обо-
рудования;
• программа начальной загрузки.
Все эти программы начинают работать при включении ком-
пьютера: сначала тестируют память, затем проверяют наличие
внешних устройств и их работоспособность, а после всего пере-
дают управление операционной системе.
Драйвер — программа, обслуживающая внешнее устройство.
Она предоставляет пользователю или программам более высоко-
го уровня программный интерфейс, служащий для управления
конкретным внешним устройством. Кроме того, драйвер обраба-
тывает прерывания от обслуживаемого устройства.
Уровень 2 принадлежит операционным системам, в которые
обычно входят дополнительные драйверы, обеспечивающие ра-
4.4. Архитектура операционных систем
283
боту с внешними устройствами и внутренними драйверами.
Операционная система предоставляет программам более высо-
кого уровня набор функций (программный интерфейс), а поль-
зователям — набор утилит и некоторые инструментальные про-
граммы (пользовательский интерфейс).
К уровню 3 относятся все остальные программы. Программы
уровней 2 и 3 хранятся в файлах.
Программное обеспечение уровня 1 — машинно-зависимое,
т. е. для каждого микропроцессора или семейства ПЭВМ набор
данных программ уникален.
Операционная система имеет машинно-зависимое ядро —
небольшой набор программ, с помощью которых осуществляет-
ся более эффективное управление ПЭВМ конкретного типа.
Свойство программы, позволяющее переносить ее без переделок
с одной ПЭВМ на другую, называется переносимостью. Если
программа — машинно-зависимая, то ее переносимость опреде-
ляется степенью совместимости ПЭВМ.
Операционная система скрывает от пользователя сложные
подробности управления аппаратурой, образуя прослойку между
ними. В результате этого пользователи освобождаются от трудо-
емкой работы по организации взаимодействия с аппаратурой
компьютера.
Операционная система для персонального компьютера, ори-
ентированного на профессиональное применение, должна со-
держать следующие основные компоненты:
• программы управления вводом-выводом;
• программы, управляющие файловой системой и планирую-
щие задания для компьютера;
• процессор командного языка, который принимает, анали-
зирует и выполняет команды, адресованные операционной
системе.
Каждая операционная система имеет свой командный язык,
который позволяет пользователю осуществлять те или иные дей-
ствия: обращаться к каталогу, выполнять разметку внешних но-
сителей, запускать программы и т. д.
Анализ и исполнение команд пользователя, включая загрузку
готовых программ из файлов в оперативную память и их запуск,
осуществляет командный процессор операционной системы.
Виды ОС: Microsoft Windows (Windows 95, 98, Me (Millennium
Edition), NT (New Technology), 2000, 2003, XP (Experience)),
Unix, Linux, MacOS и др.
284
Глава 4. Компьютерные сети
В зависимости от количества одновременно обрабатываемых
задач и числа пользователей, которых могут обслуживать ОС,
различают четыре основных класса операционных систем.
1. Однопользовательские однозадачные, которые поддержи-
вают одну клавиатуру и могут работать только с одной (в данный
момент) задачей.
2. Однопользовательские однозадачные с фоновой печатью,
которые позволяют, помимо основной задачи, запускать допол-
нительную задачу, ориентированную, как правило, на вывод ин-
формации на печать. Это ускоряет работу при выдаче больших
объемов информации на печать.
3. Однопользовательские многозадачные, которые обеспечи-
вают пользователю параллельную обработку нескольких задач.
Например, к компьютеру можно подключить несколько принте-
ров, каждый из которых будет работать на свою задачу.
4. Многопользовательские многозадачные, позволяющие на
компьютере запускать несколько задач нескольким пользовате-
лям. Эти ОС очень сложны и требуют значительных машинных
ресурсов.
В различных моделях компьютеров используют операцион-
ные системы с разной архитектурой и возможностями, для их
работы требуются неодинаковые ресурсы. Они предоставляют
разную степень сервиса для программирования и работы с гото-
выми программами.
Сетевая операционная система должна работать с макси-
мально возможной скоростью. Добиться этого удается посредст-
вом «трех М»: многопоточности, многозадачности и многопро-
цессорности.
Многопоточность. Многопоточная обработка основана на
том, что микропроцессор (в конечном счете ответственный за
все происходящее в компьютере) работает с невероятной скоро-
стью, измеряемой единицами времени — тактами. Эти такты
выполняются независимо от того, обрабатывает процессор ка-
кую-нибудь задачу или нет. При этом многие такты приходятся
на время, когда процессор работает вхолостую: например, когда
программа ждет, пока сравнительно медленный дисковый нако-
питель выдаст данные для дальнейшей обработки.
При многопоточной обработке процесс (например, приложе-
ние — редактор текстов) подразделяется на составляющие, или
потоки, каждый из которых выполняется микропроцессором по
отдельности. Подразделение процесса на потоки — функция са-
4.4. Архитектура операционных систем
285
мого приложения, а планирование потоков, т. е. порядок пре-
доставления им процессорного времени, осуществляется опера-
ционной системой.
Многозадачность. Многозадачность — одна из особенностей
современных операционных систем от Windows 95 до Win-
dows NT, OS/2 и Unix, состоящая в кажущейся способности од-
новременно выполнять несколько процессов. Она создается бла-
годаря высокой скорости работы процессора и его способности
перемежать выделенные разным задачам интервалы времени (их
называют квантами), не обязательно завершая выполнение од-
ного процесса до начала другого.
Существует два типа многозадачности: с вытеснением и без
него (или с кооперативной многозадачностью). В первом слу-
чае операционная система сама контролирует, кто, что и когда
делает. Она способна отложить выполнение процесса (потока),
если нужно выделить время другому процессу, имеющему выс-
ший приоритет. В случае кооперативной многозадачности про-
цессы сосуществуют на основе некоего «кодекса чести», само-
стоятельно решая, когда им отдать процессор другому прило-
жению.
Многомерность. Многопроцессорные ОС могут классифи-
цироваться по способу организации вычислительного процесса
в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные
ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выпол-
няется только на одном из процессоров системы, распределяя
прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная
ОС полностью децентрализована и использует весь набор про-
цессоров, разделяя их между системными и прикладными за-
дачами.
Операционные системы классифицируются следующим об-
разом:
• по особенностям алгоритмов управления ресурсами — ло-
кальные и сетевые. Локальные ОС управляют ресурсами
отдельного компьютера, сетевые ОС участвуют в управле-
нии ресурсами сети;
• по числу одновременно выполняемых задач — однозадач-
ные и многозадачные. Однозадачные ОС обеспечивают
пользователя ЭВМ простым и удобным интерфейсом взаи-
модействия с компьютером, средствами управления пери-
ферийными устройствами и файлами. Многозадачные ОС,
помимо этого, управляют разделением совместно исполь-
286
Глава 4. Компьютерные сети
зуемых ресурсов, таких как процессор, оперативная па-
мять, файлы и внешние устройства;
• по числу одновременно работающих пользователей — одно-
пользовательские и многопользовательские. Основное отличие
многопользовательских систем от однопользовательских —
наличие средств защиты информации каждого пользователя
от несанкционированного доступа других пользователей;
• по возможности распараллеливания вычислений в рамках
одной задачи — поддержка многонитевости. Многонитевая
ОС разделяет процессорное время не между задачами, а
между их отдельными ветвями — нитями;
• по способу распределения процессорного времени между
несколькими одновременно существующими в системе
процессами или нитями — невытесняющая и вытесняющая
многозадачность. В невытесняющей многозадачности меха-
низм планирования процессов целиком сосредоточен в
операционной системе, а в вытесняющей — распределен
между системой и прикладными программами. При невы-
тесняющей многозадачности активный процесс выполняет-
ся до тех пор, пока он сам по собственной инициативе не
передаст управление операционной системе для выбора из
очереди другого готового к выполнению процесса. При вы-
тесняющей многозадачности решение о переключении про-
цессора с одного процесса на другой принимается операци-
онной системой, а не самим активным процессом;
• по зависимости от аппаратных платформ — зависимые и
мобильные. В мобильных ОС аппаратно зависимые места
локализованы так, что при переносе системы на новую
платформу переписываются только они. Средство, облег-
чающее перенос ОС на другой тип компьютера, — написа-
ние ее на машинно-независимом языке, например, на C++;
• по особенностям областей использования — ОС пакетной
обработки, разделения времени и реального времени. Систе-
мы пакетной обработки предназначены для решения задач
вычислительного характера, не требующих быстрого полу-
чения результатов. Главная цель и критерий эффективно-
сти систем пакетной обработки — максимальная пропуск-
ная способность, т. е. решение максимального числа задач
в единицу времени. В системах с разделением времени ка-
ждому пользователю предоставляется терминал, с которого
он может вести диалог с программой. Каждой задаче выде-
4.4. Архитектура операционных систем
287
ляется некоторый квант процессорного времени, так что
ни одна задача не занимает процессор надолго. Если квант
времени выбран небольшим, то у всех пользователей, од-
новременно работающих на компьютере, создается впечат-
ление, что каждый из них единолично использует машину.
Системы реального времени применяются для управления
различными техническими объектами, когда существует
предельно допустимое время, в течение которого должна
быть выполнена та или иная программа управления объек-
том. Невыполнение программы в срок может привести к
аварийной ситуации. Таким образом, критерий эффектив-
ности систем реального времени — их способность выдер-
живать заранее заданные интервалы времени между запус-
ком программы и получением результата — управляющего
воздействия;
• по способу построения ядра системы — монолитное ядро
или микроядерный подход. Операционные системы, исполь-
зующие монолитное ядро, компонуются как одна програм-
ма, работающая в привилегированном режиме и исполь-
зующая быстрые переходы с одной процедуры на другую,
не требующие переключения из привилегированного режи-
ма в пользовательский, и наоборот. При построении ОС на
базе микроядра, работающего в привилегированном режи-
ме и выполняющего только минимум функций по управле-
нию аппаратурой, функции более высокого уровня выпол-
няют специализированные компоненты ОС — програм-
мные серверы, работающие в пользовательском режиме.
При таком построении ОС работает более медленно, так
как часто выполняются переходы между привилегирован-
ным режимом и пользовательским, но система получается
более гибкой и ее функции можно модифицировать, добав-
ляя или исключая серверы пользовательского режима;
• по наличию нескольких прикладных сред в рамках одной
ОС, позволяющих выполнять приложения, разработанные
для нескольких операционных систем. Концепция множе-
ственных прикладных сред наиболее просто реализуется в
ОС на базе микроядра, над которым работают различные
серверы, реализующие прикладную среду той или иной
операционной системы;
• по распределению функций операционной системы среди
компьютеров сети. В распределенной ОС реализованы ме-
288
Глава 4. Компьютерные сети
ханизмы, обеспечивающие пользователя возможностью
представлять и воспринимать сеть в виде однопроцессор-
ного компьютера. Признаки распределенной ОС — нали-
чие единой справочной службы разделяемых ресурсов и
службы времени, использование механизма вызова удален-
ных процедур для распределения программных процедур
по машинам, многонитевая обработка, позволяющая рас-
параллеливать вычисления в рамках одной задачи и выпол-
нять эту задачу одновременно на нескольких компьютерах
сети, и др.
4.4.1. Функции операционной системы
Исторически обслуживание файловой системы стало первой
задачей, которую возложили на операционную систему персо-
нальных компьютеров. До появления дисков и дисководов ин-
формацию записывали на магнитную ленту, перфорированную
бумажную ленту (перфоленту) или перфорированные карты
(перфокарты). Поиск информации на этих устройствах последо-
вательного доступа нередко выполнялся вручную. С появлением
устройств произвольного доступа на магнитных дисках появи-
лась и возможность автоматизировать доступ к данным. Для этих
целей и были созданы первые операционные системы, которые
получили название дисковых операционных систем (DOS). Сего-
дня в число функций по обслуживанию файловой системы вхо-
дят следующие: навигация по файловой системе (переход из од-
ного каталога в другой); создание файлов и каталогов; копирова-
ние файлов и каталогов; удаление файлов и каталогов; поиск
файлов; открытие файлов данных и исполнение программных
файлов.
Программно-аппаратный интерфейс. Под словом «интерфейс»
понимается взаимодействие. Соответственно программно-аппа-
ратный интерфейс — это взаимодействие между программами и
оборудованием. Операционная система в данном случае высту-
пает в качестве посредника — она перехватывает обращения
программ к физическим устройствам и перенаправляет эти обра-
щения к драйверам устройств.
Аппаратно-программный интерфейс. В случае необходимости
установки на компьютере нового устройства операционная сис-
4.4. Архитектура операционных систем
289
тема позволяет обеспечить его согласование с другими устройст-
вами и программами, ранее установленными на компьютере.
Программно-программмный интерфейс. Современные задачи,
выполняемые на компьютерах, отличаются комплексностью.
Например, для того чтобы подготовить книгу, нужны отдельные
программы для подготовки текстов, иллюстраций и объединения
разных типов данных в одном документе. Эти программы вы-
полнены разными разработчиками, а работать должны совмест-
но. Условия для такой совместной работы создает операционная
система. В этом случае она отслеживает обмен данными между
различными программами.
Интерфейс пользователя. Взаимодействие программного и ап-
паратного обеспечения с человеком — важнейшая функция опе-
рационной системы. Именно благодаря ей можно управлять про-
граммами с помощью клавиатуры, мыши или иного устройства.
Операционная система интерпретирует действия как команды и
«объясняет» программам и оборудованию, что они должны сде-
лать. С другой стороны, операционная система управляет выда-
чей информации от компьютера к пользователю, а также выво-
дом сообщений и звуковых сигналов.
Управление заданиями. В случае, когда необходимы програм-
мные средства для выполнения специфических работ, на компь-
ютере устанавливаются новые программы. Управление установ-
кой и работой программ — функция операционной системы.
Управление памятью. Сколько бы оперативной памяти ни
было установлено на компьютере, всегда могут найтись про-
граммы и документы, размеры которых намного больше разме-
ров оперативной памяти. В те далекие времена, когда операци-
онные системы не занимались распределением оперативной па-
мяти, эксплуатировать такие программы было невозможно.
Сегодня операционные системы динамически управляют
оперативной памятью. Они освобождают те области памяти, ко-
торые временно не используются, и управляют загрузкой про-
грамм в оперативную память небольшими фрагментами. Один из
приемов, к которому прибегают операционные системы, состоит
в создании виртуальной памяти на жестком диске. Виртуальная
память — это файл достаточно большого размера (обычно в не-
сколько раз больше, чем объем оперативной памяти компьюте-
ра), который рассматривается как естественное расширение опе-
ративной памяти. Когда в оперативной памяти нс хватает места
для размещения данных или программ, они поступают в вирту-
290
Глава 4. Компьютерные сети
альную память на жестком диске, а когда к ним обращаются, они
порциями перемещаются в оперативную память. Обменом между
оперативной памятью и жестким диском управляет операцион-
ная система. Жесткий диск — устройство механическое, а опера-
тивная память — электронное. Работа механических устройств
происходит в тысячу раз медленнее, чем электронных. Использо-
вание виртуальной памяти заметно замедляет работу компьюте-
ра, а увеличение объема оперативной памяти компьютера намно-
го повышает его быстродействие (из-за того, что ему реже прихо-
дится прибегать к использованию виртуальной памяти).
Диагностика и обслуживание компьютера. В состав современ-
ных операционных систем входят служебные программы, необхо-
димые для автоматизации задач по обслуживанию компьютерной
системы. Они выполняют диагностические операции и устраняют
обнаруженные ошибки, в том числе в самой операционной систе-
ме, а также тестируют оборудование, выявляют и устраняют кон-
фликты между различным аппаратным обеспечением. Значи-
мость служебных программ состоит в их способности оптимизи-
ровать работу компьютера и добиваться максимально возможной
производительности оборудования.
4.4.2. Характеристики операционных систем
Операционные системы компьютеров определяют програм-
мную платформу информационной системы. Они обеспечивают
выполнение приложений пользователей и посредством транс-
портной системы организуют доступ к сетевым ресурсам — дру-
гим компьютерам, локальным и глобальным сетям, внешним
устройствам и базам данных.
Операционная система выполняет следующие функции
(рис. 4.9):
• управление работой устройств ПК;
• управление работой всего ПК и его ресурсами (оператив-
ной памятью, местом на дисках и т. д.);
• диалог с пользователем и запуск других программ на вы-
полнение.
Операционная система MS-DOS была разработана в начале
1980-х гг. и повсеместно применялась до середины 1990-х гг. Ос-
новные характеристики: выполняется только одна программа,
ограничения на максимальный размер программы, довольно
4.4. Архитектура операционных систем
291
Рис. 4.9. Основные функции ОС
сложный процесс установки нового оборудования и ориентация
на подготовленного пользователя.
Основой для создания MS-DOS стала 16-разрядная операци-
онная система SCP-DOS, разработанная Т. Паттерсоном в ком-
пании Seattle Computer Products. Первая версия MS-DOS была
установлена на IBM PC вместе с алгоритмическими языками
Microsoft Basic, Microsoft Cobol, Microsoft Fortran и некоторыми
другими программами Microsoft.
Всего было выпущено 12 версий MS-DOS: 1.0 (1.1); 2.0; 3.0;
3.1; 3.3; 4.0; 5.0; 6.0 (6.2, 6.21, 6.22). Каждая версия имела свои
особенности, так, MS-DOS 2.0 была ориентирована на обеспече-
ние совместимости с приложениями, разработанными для других
операционных систем. В MS-DOS 3.0 основное внимание было
уделено сетевым возможностям и работе с дисками больших объ-
емов (больше 1 Гб), в MS-DOS 5.0 была реализована поддержка
расширенной памяти (больше 640 Кб). MS-DOS 6.0 (и ее подвер-
сии) собрала воедино все, что было сделано ранее, и в то же вре-
мя стала последней операционной системой семейства MS-DOS.
Идеи о построении операционной системы, отличающейся
от привычной текстовой MS-DOS и имеющей новый графиче-
ский интерфейс, были впервые высказаны Б. Гейтсом в конце
1982 г. Толчком к этому послужил целый ряд причин: работа над
графическими модулями для алгоритмического языка Basic, реа-
лизация графического интерфейса в компьютерах, выпускаемых
компанией Xerox, а также работы, проводимые в институте Кар-
неги — Меллона. Впервые операционная система Microsoft
Windows была представлена на выставке COMDEX 10 ноября
1983 г., тогда она позиционировалась как графическое расшире-
292
Глава 4. Компьютерные сети
ние для MS-DOS. Даже известные Microsoft Windows 3.x и
Microsoft Windows for Workgroups 3.x не являлись операционны-
ми системами в чистом виде, а представляли собой надстройки
или расширения MS-DOS. Основными новшествами, реализо-
ванными в ОС Microsoft Windows, стали появление графическо-
го интерфейса пользователя и использование наряду с клавиату-
рой другого устройства — графического манипулятора типа
«мышь», без которого теперь трудно представить любой совре-
менный персональный компьютер. За четыре года, прошедшие с
момента появления ОС Windows 3.1, она стала фактическим
стандартом операционных систем для персональных компьюте-
ров. ОС Microsoft Windows 3.1 (и впоследствии ОС Windows for
Workgroups 3.11) устанавливалась примерно на 80 % выпускае-
мых в то время персональных компьютеров, а на прикладные
программы для Microsoft Windows приходилось 60 % продаж
программного обеспечения. Разрабатывать менеджер интерфей-
са (Interface Manager, впоследствии — Microsoft Windows) компа-
ния Microsoft начала в сентябре 1981 г. Хотя первые опытные
образцы были выполнены на основе так называемых Multiplan-
и Word-like-меню, в 1982 г. элементы интерфейса успешно были
изменены на ниспадающие меню и диалоговые окна.
Windows 1.0. Релиз вышел 20 ноября 1985 г., его появление
разрушило пользовательское представление о работе с операци-
онной системой. В Windows 1.0 можно было использовать мышь
для системной навигации, а также различные функции и прило-
жения, включенные в состав ОС. В комплект приложений вхо-
дили: MS-DOS файловый менеджер, или программа для управ-
ления файлами (MS-DOS File Program), календарь, блокнот,
калькулятор, часы и телекоммуникационная программа, позво-
ляющая планировать деятельность. Пользователи могли пере-
ключаться между приложениями без необходимости перезагру-
жать их и закрывать. Операционная система поддерживала
256 цветов, изменяемый размер окон, включала возможность
минимизировать окна приложений (прообраз Панели задач) и
возможность настраивать их «поведение». Компания Microsoft
уже в первые версии своей ОС Windows (1.x) включала то, что
сегодня мы называем Панелью управления, с теми элементами
управления интерфейсом, которые можно наблюдать и в более
поздних версиях Windows: элементы меню, элементы прокрутки
окон, текстовые элементы и т. д. В ОС Windows 1.0 окна можно
было сворачивать, разворачивать и располагать «встык» (напри-
4.4. Архитектура операционных систем
293
мер, «Окна сверху вниз» или «Окна слева направо»), однако не
было опции для расположения окон каскадом.
Компания Microsoft анонсировала «оконную» идею весной
1983 г., но первая версия ОС Windows (1.0) была выпущена лишь
в августе 1985 г. Windows 1.x базировалась на ОС MS-DOS 2.0,
и из-за ограничения аппаратных средств и программного обес-
печения ОС MS-DOS 2.0 успеха не имела. Однако компания по-
лучила хороший шанс заявить о своей системе как о быстрораз-
вивающейся ОС для IBM-совместимых компьютеров. За один
только год для дальнейшей разработки системы компания наня-
ла на работу 55 программистов.
Windows 2.0. 2 апреля 1987 г. вышел релиз ОС Win-
dows 2.0/286. Операционная система имела все те же самые при-
ложения, что и Windows 1.0, однако элементы ее управления
были значительно улучшены. Компания Microsoft воспользова-
лась преимуществами в виде улучшенных скоростных характери-
стик процессора Intel 286, возможностями дополнительной па-
мяти и взаимодействия приложений, используя DDE (Dynamic
Data Exchange — технология обмена данными между приложе-
ниями в среде ОС Windows и OS/2 через специальный буфер —
область памяти, к которой имеет доступ каждое приложение).
Windows 2.0 поддерживала VGA-графический стандарт, и поль-
зователи могли свободно изменять размер окон и перемещать их
в любую область экрана, а также «перекрывать» одно окно дру-
гим. Работающие с этой ОС могли пользоваться комбинациями
клавиатурных клавиш, чтобы быстро осуществлять системные
операции. В 1987 г. вышел релиз Windows 2.0/386. Единственное
различие между этой версией и вышеупомянутой Windows
2.0/286 заключалось в том, что появилась возможность запускать
несколько MS-DOS-приложений одновременно. ОС Windows 2.x
содержала многооконную среду Presentation Manager, которая
имела собственный API (интерфейс прикладного программиро-
вания), но могла использовать только 640 Кб памяти MS-DOS и
расширенную память (expanded memory). Однако, несмотря на
то что многие разработчики стали создавать программное обес-
печение под ОС Windows 2.x, слабая аппаратная часть и ограни-
чения не могли обеспечитть достойного функционирования
многооконного интерфейса.
Windows 3.0. Выход релиза — 22 мая 1990 г. Эта версия ОС
вышла с большим количеством улучшений и усовершенствова-
ний, однако не содержала ни мультимедиа, ни сетевых средств,
294
Глава 4. Компьютерные сети
поэтому быстро была заменена на доработанную версию Windows
3.1. Улучшения, которыми компания Microsoft снабдила ОС Win-
dows 3.0, впечатляли: удобный графический пользовательский
интерфейс; использование всего объема памяти, адресуемой
микропроцессорами 80286, 80386 и выше; полная поддержка бо-
лее мощного процессора Intel 386; программный и файловый ме-
неджеры, менеджер принтеров; полностью переработанная среда
разработки приложений с модулями драйверов виртуальных уст-
ройств, встроенной поддержкой приложений, работающих в до-
полнительной памяти, и полная реализация управления приори-
тетным исполнением процессов MS-DOS.
Windows 3.1. Релиз — 6 апреля 1992 г. Операционная система
поддерживает многообразие шрифтов для комплексных задач
обработки текстов. Кроме того, осуществляется работа по сред-
ствам мультимедиа, появилась встроенная поддержка аудиоде-
вайсов, воспроизведения видео. Тысячи разработанных Win-
dows-совместимых программ сделали ОС Windows 3.x очень ус-
пешной платформой и помогли Microsoft увеличить продажи ее
операционной системы, количество которых достигло 10 млн
копий по всему миру. ОС Windows 3.1 имела недостаток: в ОС
не было встроенной поддержки сети.
Windows for Workgroups 3.11. Релиз — 15 февраля 1994 г.
В Windows for Workgroups 3.1 (Windows for Workgroups 3.11) была
добавлена поддержка сети на уровне доменов. Встроенные сете-
вые средства обеспечивали пользователю простой доступ к кон-
фигурации сети внутри операционной системы, но Windows for
Workgroups 3.1 и 3.11 не поддерживала доступ в Интернет. Для на-
стройки доступа нужно было воспользоваться сторонним про-
граммным обеспечением, которое зачастую конфликтовало с се-
тевыми средствами ОС. Интерфейс Windows for Workgroups был
очень похож на ОС Windows 3.1. Операционная система исполь-
зовалась в локальных сетях, на отдельных пользовательских ма-
шинах и включала средства, главным образом интересующие кор-
поративных пользователей, такие как централизованная конфи-
гурация и защита, улучшенная поддержка сетей Novell NetWare и
сервис удаленного доступа (поддержка до 64 соединений серве-
ром RAS). Windows for Workgroups также демонстрировала все вы-
годы, которые сулила новая 32-разрядная файловая система.
Windows NT 3.1. Релиз — август 1993 г. По словам Б. Гейтса,
это был очень важный момент в истории развития операцион-
ной системы и компании: «Windows NT — не что иное, как фун-
4.4. Архитектура операционных систем
295
даментальное изменение пути, по которому идут компании,
предъявляя свои бизнес-требования к компьютерам». ОС Win-
dows NT была первой ОС, которая комбинировала клиент-сер-
верные приложения с персональными приложениями и полно-
стью ломала прежние представления о безопасности, защите и
мощности операционной системы. Здесь были реализованы и
так называемая многозадачность с вытеснением, и интегриро-
ванная сетевая защита, и защита домена. Система была рассчи-
тана на бизнес-пользователей и вышла в серверном варианте
(Windows NT Advanced Server) и для рабочих станций.
Windows NT 3.5. Релиз — 6 сентября 1994 г. Версия Windows
NT 3.5 была разработана в двух конфигурациях: для рабочей
станции — Windows NT Workstation 3.5 и для сервера — Windows
NT Server 3.5. Интерфейс Windows 3.5х был в точности таким же.
как и интерфейс Windows 3.1. Windows NT Workstation 3.5 под-
держивала графический стандарт OpenGL, что значительно улуч-
шало представление средств для разработки приложений, упро-
щало выполнение финансовых задач, инжиниринг, разработку
научных проектов. Стандарт OpenGL — библиотека графических
функций предназначалась для визуализации крупных проектов и
данных. Кроме того, система была снабжена довольно высоким
уровнем защиты данных. Существенно упростились конфигури-
рование и обслуживание протокола TCP/IP, улучшились средст-
ва удаленного доступа RAS, а сервер RAS стал поддерживать до
256 соединений. Была введена возможность использования длин-
ных (до 255 символов) имен файлов в файловой системе FAT.
В ОС было реализовано улучшенное автораспознавание аппара-
туры, и у пользователя появилась возможность вручную выби-
рать и конфигурировать сетевые адаптеры.
Windows NT 3.51. Релиз — июнь 1995 г. Данная версия вклю-
чала специальный инструмент, который помогал пользователям
этой системы управлять лицензиями клиентского доступа для
семейства базовых серверных продуктов; утилиту, позволяющую
инсталлировать по сети ОС Windows 95, и поддержку удаленной
перезагрузки.
На смену MS-DOS в конце 1995 г. пришла ОС Windows 95,
позволяющая одновременно выполнять несколько программ, об-
легчающая настройку поставленных компьютерных устройств и
имеющая современный графический интерфейс. Продолжением
сс разработки стала Windows 98, оптимизированная для работы в
Интернете. В Windows 98 исправлена часть ошибок Windows 95,
296
Глава 4. Компьютерные сети
добавлена поддержка новых компьютерных устройств и т. д. К со-
жалению, повысились требования к оборудованию и ресурсам
компьютера. Первая версия операционной системы Windows NT
была разработана еще осенью 1993 г. ОС Windows NT обеспечива-
ет повышенную безопасность данных. Технология «plug and play»
облегчает установку новых компьютерных устройств в ПК. В об-
щем случае достаточно вставить устройство в гнездо компьютера,
а далее ОС сама найдет и установит соответствующий драйвер.
Технология «drag and drop» ускоряет ввод определенной инфор-
мации в ПК. Пользователь с помощью мыши может «отбуксиро-
вать» (перетащить) графический объект на экране в иное место и
тем самым дать требуемую команду компьютеру. Технология OLE
(Object Linking and Embedding) обеспечивает обмен информацией
и взаимосвязь между различными программами.
Windows 95. Релиз — 24 августа 1995 г. Система была настоя-
щим прорывом для компании, поскольку являлась уже полноцен-
ной операционной системой, а не графической надстройкой для
MS-DOS, хотя пользователь и мог наблюдать привычное окно в
процессе загрузки ОС. Windows 95 включала интегрированный
32-разрядный ТСР/1Р-стек для встроенной интернет-поддержки
и новые возможностиу, которые помогали пользователю легче и
проще устанавливать программы и аппаратуру. Доступ к функци-
ям Копировать/Вставка/Вырезать обеспечивался с помощью
правой кнопки мыши. Была реализована усовершенствованная и
улучшенная система помощи, значительно расширенными воз-
можностями обладала мультимедиа, перенос на другие компьюте-
ры стал ощутимо более легким процессом. Для снижения требо-
ваний к памяти система не включала поддержку system-level
security (безопасность на системном уровне).
Windows NT 4.0. Релиз — 24 августа 1996 г. «Жертвуем ста-
бильностью ради производительности» — примерно под таким
девизом вышла ОС Windows NT 4.0. Легкая система управления и
использования ОС, скорость выполнения приложений Win32 —
все это стало возможным благодаря внесению изменений в архи-
тектуру. Серверная версия включала более быстрые файловые и
принтер-сервисы, интегрированный web-сервер и сервер DNS.
поддержку многопротокольной маршрутизации, новые админи-
стративные средства взаимодействия были улучшены и модифи-
цированы.
Windows NT Server 4.0 Enterprise Edition. Релиз — декабрь
1997 г. Версия была оснащена функциями, рассчитанными на
4.4. Архитектура операционных систем
297
корпоративных пользователей: поддерживала сервис, обеспечи-
вающий централизацию использования серверов автоматизации,
а также управление транзакциями и совместное применение не-
сколькими клиентами соединений с базой данных независимо от
реализации сервера; MSMQ — сервер очередей; Cluster Service —
кластер-сервис и службу распределения нагрузки, расширяющей
масштабируемость и отказоустойчивость сервисов и приложений
для TCP/IP-сетей. В октябре 1998 г. компания Microsoft объяви-
ла о том, что аббревиатура NT больше не будет фигурировать в
названии операционных систем и новая операционная система
получит название Windows 2000.
Windows NT Server 4.0 Terminal Server Edition. Релиз 1998 г.
обеспечил пользователям терминальных и просто недостаточно
мощных компьютеров доступ к тысячам 32-битных Windows-
приложений. Использование общего сервера позволяло перене-
сти операционную систему Windows NT на компьютеры, кото-
рые традиционно не позволяли использовать Windows NT Work-
station, включая терминалы с установленной системой Windows,
компьютеры Macintosh, а также компьютеры, использующие
Windows 9х, Unix, MS-DOS или Windows 3.x.
Windows 98. Релиз — 25 июня 1998 г. Девиз «Works better.
Plays better», которым снабдила ее компания Microsoft, прямо
указывал на то, что компании, по ее мнению, на этот раз уда-
лось добиться существенных успехов, а пользователь с помощью
ее нового продукта сможет и работать лучше, и играть тоже. Она
стала первой ОС Windows, созданной специально для потребите-
лей, и надо сказать, что успех этой системы очевиден до сего-
дняшнего дня. Internet Explorer полностью интегрирован в сис-
тему, претерпел значительные изменения Windows Explorer
(Проводник). У пользователя появилась возможность управлять
ресурсами и файлами идентично управлению в браузере перехо-
дом между web-страницами, при этом список доступных дисков
и папок выводится на экран также наподобие web-страницы, а
для запуска файла достаточно одного щелчка мышью на нем.
Файловая система жестких дисков была заменена на FAT32
(хотя в Windows 95 OSR2 она и была реализована, однако сред-
ства для преобразования FAT16 в FAT32 не было), что позволя-
ло организовывать крупные разделы и обеспечивало более на-
дежное и эффективное хранение данных. К дефрагментатору в
ОС добавилась утилита очистки диска, с помощью которой
пользователь мог удалять временные файлы.
298
Глава 4. Компьютерные сети
Windows 98 SE (Second Edition). Релиз — 5 мая 1999 г. В нем
были исправлены ошибки предыдущей версии ОС, а пользо-
ватели получили расширенную совместимость ОС с аппарат-
ной частью и новые интернет-возможности. Windows 98 SE
включала Internet Explorer 5, программу Microsoft Windows
NetMeeting 3.0 (средство для проведения аудио- и видеокон-
ференций в сети), DirectX 6.1 и улучшенные средства мульти-
медиа.
Windows 2000. Релиз — 17 февраля 2000 г. Windows 2000 пози-
ционировалась как улучшение Windows NT Workstation 4.0, одна-
ко была чем-то значительно большим, чем просто усовершенст-
вованная версия уже известной системы. ОС Windows 2000 вы-
пустили в четырех различных версиях: Professional — клиентская
версия для настольных и переносных компьютеров; Server — на-
дежная серверная платформа для наиболее ответственных прило-
жений электронной коммерции и ведения бизнеса в определен-
ной области или для интранст-серверов; Advanced Server — для
высокопроизводительных приложений и серверов; Data Center
Server — для сложных и высокопроизводительных кластерных
систем. В ОС интегрирован Internet Explorer 5. Для 1Т-профес-
сионалов семейство Windows NT Server предоставило такие воз-
можности, как централизованное управление с новыми техноло-
гиями — Microsoft IntelliMirror. В ходе работы над операционной
системой Windows 2000 компания выступила с инициативой
«Change and Configuration Management» (ССМ), цель которой —
снижение затрат на установку и обслуживание настольных ком-
пьютеров.
Windows Millennium Edition (ME). Релиз — 14 сентября
2000 г. — опциональное усовершенствование для Windows 98.
Windows Me позиционировалась как система для домашних поль-
зователей.
Операционную систему напичкали улучшенными средствами
мультимедиа (новый медиаплеер поддерживал большее количе-
ство типов файлов), играми, была реализована более удобная об-
работка цифровых изображений, цифрового и аналогового ви-
део, цифровой музыки.
Windows ХР. Релиз — 25 октября 2001 г. Самый праздничный
выход ОС, который только можно себе представить: фейерверки,
хлопушки и реклама по США и Европе. Были разработаны две
основные версии — Professional Edition и Home Edition, рассчи-
танные на пользователей с разными целями и задачами.
4.4. Архитектура операционных систем
299
Версия Professional Edition — базовая для трех «вторичных»
версий — Media Center Edition, TabletPC Edition и Windows XP
Embedded. В ОС Windows XP Professional используется основной
программный код из ОС Windows 2000 и Windows NT Work-
station, благодаря которому ОС — более эффективная, безопас-
ная и стабильная.
ОС Windows XP Home Edition обеспечивает удобный доступ
к функциям ОС для выполнения типичных задач: работа с циф-
ровыми изображениями, с музыкальными и видеофайлами; эф-
фективный поиск, загрузка и хранение; простая организация об-
щего доступа к компьютеру и облегченный подход к созданию
домашней сети; эффективные средства связи для передачи мгно-
венных сообщений, проведения голосовых и видеоконференций,
а также организации совместной работы.
Windows Server 2003. Релиз — 24 апреля 2003 г. Windows Ser-
ver 2003 — инфраструктурная платформа высокой производитель-
ности для поддержки связанных приложений, сетей и web-служб
XML в любом масштабе от рабочей группы до центра данных. Это
многозадачная операционная система, способная централизован-
но или распределенно управлять различными наборами ролей в
зависимости от потребностей пользователей. ОС имеет: файло-
вый сервер и сервер печати; web-сервер и web-сервер приложе-
ний; почтовый сервер; сервер терминалов; сервер удаленного дос-
тупа/сервер виртуальной частной сети (VPN); служба каталогов,
система доменных имен (DNS), сервер протокола динамической
настройки узлов (DHCP); сервер потокового мультимедиа-веща-
ния. Операционная система Windows Server 2003 доступна в четы-
рех версиях:
• Standard Edition — идеальный выбор для предприятий ма-
лого бизнеса и подразделений организации. Поддерживает
совместное использование файлов и принтеров; предостав-
ляет безопасное подключение к Интернету; позволяет цен-
трализовать развертывание настольных приложений;
• Enterprise Edition — разработана для удовлетворения требо-
ваний предприятий любого размера. Предназначена для
приложений, web-служб и инфраструктур и обеспечивает
высокую надежность и производительность. Поддерживает
до восьми процессоров; предоставляет функции уровня
предприятия, такие как восьмиузловая кластеризация и
поддержка до 32 Гб памяти; доступна для компьютеров на
базе процессора Intel Itanium; будет доступна для 64-раз-
300
Глава 4. Компьютерные сети
рядных вычислительных платформ, способных поддержи-
вать восемь процессоров и 64 Гб оперативной памяти;
• Datacenter Edition — для ответственных бизнес-приложе-
ний и для приложений, используемых для выполнения
важных задач, требующих масштабируемости и доступно-
сти высокого уровня. Наиболее мощная и функциональная
серверная операционная система из всех, когда-либо пред-
лагаемых корпорацией Microsoft; поддерживает 32-потоко-
вую мультипроцессорную обработку SMP и до 64 Гб опера-
тивной памяти; предоставляет в качестве стандартных
функций восьмиузловую кластеризацию и службы баланси-
ровки нагрузки; будет доступна для 64-разрядных вычисли-
тельных платформ, способных поддерживать 32 процессора
и 128 Гб оперативной памяти;
• Web Edition — новый продукт в семействе операционных
систем Windows, предназначенный для использования в
качестве web-сервера. Предназначена для разработки и хос-
тинга web-приложений, web-страниц и web-служб XML;
разработана для использования в основном в качестве
web-сервера 1IS 6.0; предоставляет платформу для быстрой
разработки и развертывания web-служб XML, которая ис-
пользует технологию ASP.NET — основную часть .NET
Framework.
В приложении 4 рассматриваются вопросы сетевого про-
граммного обеспечения.
4.4.3. Структура файловой системы
Для того чтобы отыскать на диске необходимую информа-
цию, нужно привести находящиеся на нем данные в систему
аналогично тому, как, например, в архивах, библиотеках, офисах
хранятся документы и книги — размещая их по шкафам, пол-
кам, ящикам и папкам.
Правила упорядочения информации могут отличаться друг
от друга в зависимости от типов программ, управляющих рабо-
той компьютеров (операционных систем), хотя общие понятия
для всех операционных систем одинаковы.
Для хранения определенного объема информации использу-
ется логический диск (рис. 4.10).
4.4. Архитектура операционных систем
301
Рис. 4.10. Устройство логического диска: а — физический диск 1; б — физиче-
ский диск 2
Логический диск обозначается прописной латинской буквой
с двоеточием, например: А:, В:, С:, Z: . В компьютере может
иметься доступ к нескольким жестким дискам, дисководам для
дискет, CD-ROM. Каждый из них может представлять собой ло-
гический диск, но некоторые жесткие диски могут быть разделе-
ны на части, каждая из которых — отдельный логический диск.
Компьютер работает с каждым логическим диском как с от-
дельным устройством, хотя на самом деле он может представ-
лять собой лишь часть реального (физического) диска и даже
часть оперативной памяти.
Гибкие магнитные диски принято обозначать как диски А:
и В:. Каталог (директория, англ, directory) — часть логического
диска, предназначенная для хранения определенного объема ин-
формации. Имя каталога содержит до восьми символов. Его
принято записывать прописными латинскими буквами, напри-
мер: STUDENT, IVANOV, TEXT и т. д. В именах каталогов
нельзя использовать пробелы, точки, запятые, но можно исполь-
зовать цифры и символы: $, #, -, _, &, @, !, %, (, ), {, }, ", л,
Каталог может включать несколько других каталогов (подка-
талогов) и входить в состав другого каталога (надкаталога). Логи-
ческий диск также является каталогом самого высокого уров-
ня — корневым каталогом. Таким образом, на диске образуется
система каталогов, имеющая древовидную структуру (рис. 4.11).
Пр и мер 4.1. Пусть в какой-то организации (офисе фирмы,
конструкторском бюро и т. п.) три сотрудника Иванов, Петров
и Сидоров используют для работы один компьютер и, для того
чтобы упорядочить информацию, с которой работает каждый из
них, на диске С: выделены три каталога: IVANOV, PETROV
и SIDOROV. Предположим, что Иванов применяет компьютер в
двух целях — готовит деловые (или какие-то другие) документы
302
Глава 4. Компьютерные сети
1\/ЛМП\/ 1— GAMES GAMES
1V/AINLJV f'LJCQQ
Г4- DCTDH\/ — TEXTS PETROV1 Gt Itoo
и. 1 L 1 l\UV — PETROV2 — PETROV3 — PETROV4
olUUKUV
Рис. 4.11. Древовидная структура системы каталогов на диске
и играет (конечно, в свободное время) в компьютерные игры.
Поэтому он выделил в своем каталоге IVANOV два подкаталога
TEXTS (для текстов) и GAMES (для игр). В каталоге GAMES, в
свою очередь, выделены два других подкаталога — CHESS (для
шахмат) и GAMES (для остальных игр). Петров выделил в своем
каталоге четыре подкаталога, а Сидоров решил подкаталогов не
создавать, так как он не часто пользуется компьютером.
На диске могут быть каталоги с одинаковыми именами, но
они должны находиться в разных надкаталогах. Например, на
рис. 4.11 каталог GAMES находится в надкаталоге IVANOV, но
сам является надкаталогом для другого каталога с тем же именем
GAMES.
Каталог, работа с которым ведется в данный момент време-
ни, называется текущим. Каталоги похожи на папки, в которые
вкладываются листы бумаги с какой-то информацией. Файл —
область диска, имеющая свое имя, находящаяся в одном из ката-
логов любого уровня и содержащая определенный объем одно-
типной информации.
Данные — это информация, которая была сохранена в ком-
пьютере. Данные хранятся в виде файлов.
Файл — это наименьшая единица хранения данных (после-
довательность байтов), имеющая уникальное имя.
При сохранении информации создаются файлы разных фор-
матов. Формат файла определяет тип сохраненной информации
(например, текст, рисунок, звук и т. д.).
На формат файла указывает расширение имени файла, кото-
рое связывает файл с прикладной программой, в которой дан-
ные можно просмотреть или изменить (табл. 4.3).
4.4. Архитектура операционных систем
303
Таблица 4.3. Связь формата файла с программой
Имя, расширение Формат (тип) файла Программа просмотра
Текстах! Текстовый документ (текстовый) Блокнот
Документ.doc Документ Microsoft Word (текстовый) Microsoft Word
Рисунок.Ьтр 256-цветный рисунок (графический) Microsoft Paint
Примеры расширений имен файлов:
• исполняемые файлы (программы): EXE, СОМ, ВАТ;
• текстовые файлы: TXT, DOC, PAS, НТМ;
• графические файлы: BMP, JPG, GIF, PNG, SWF;
• звуковые файлы: MP3;
• архивные файлы: ZIP, RAR.
Имя файла состоит из собственного имени, содержащего от
одного до восьми символов, и необязательного расширения, со-
стоящего из точки и следующих за ней одного, двух или трех
символов. Имя файла принято записывать строчными латински-
ми буквами: student.doc, document.pas, program.c, gamel.exe,
readme.hip.
В именах файлов и расширениях можно использовать те же
символы, что и в именах каталогов. Расширение имени файла,
как правило, указывает на то, к какому типу относится его со-
держимое, например:
• .txt — текстовый файл;
• .pas — в файле программа на языке Pascal;
• .doc — в файле содержится документ!, созданный програм-
мой Word;
• .xls — в файле содержится таблица, созданная программой
Excel;
• .hip — в файле справочная информация (англ, help — по-
мощь).
Файл занимает некоторое количество блоков дисковой памя-
ти. Обслуживает файлы специальный модуль операционной сис-
темы, называемый драйвером файловой системы. Каждый файл
имеет имя, зарегистрированное в каталоге — оглавлении файлов.
Каталог (директория или папка) доступен пользователю посред-
304
Глава 4. Компьютерные сети
ством командного языка операционной системы. Его можно
просматривать, переименовывать зарегистрированные в нем
файлы, переносить их содержимое на новое место и удалять. Ка-
талог может иметь собственное имя и храниться в другом ката-
логе наряду с обычными файлами — так образуются иерархиче-
ские файловые структуры.
При выполнении команды «Открыть файл» драйвер файло-
вой системы обращается к своему справочнику, выясняет, какие
блоки диска соответствуют указанному файлу, а затем передает
запрос на считывание этих блоков драйверу диска.
При выполнении команды «Сохранить файл» драйвер фай-
ловой системы ищет на диске незанятые блоки, отмечает их
как распределенные для вновь созданного файла и передает
драйверу диска запрос на запись в эти блоки данных пользова-
теля.
Драйвер файловой системы обеспечивает доступ к информа-
ции, записанной на магнитный диск, по имени файла и распреде-
ляет пространство на магнитном диске между файлами и хранит
на диске не только информацию пользователя, но и служебную
информацию. На логическом диске содержится список всех фай-
лов и каталогов, а также справочные таблицы, служащие для по-
вышения скорости работы драйвера файловой системы. К файло-
вой системе имеет доступ также и любая прикладная программа,
для чего во всех языках программирования имеются специальные
процедуры.
Понятие «файл» может быть обращено на любой источник
или потребитель информации в ЭВМ, например, в качестве
файла для программы могут выступать принтер, монитор, кла-
виатура и др. Структуры файловой системы и хранения данных
на внешних магнитных носителях определяют удобство работы
пользователя, скорость доступа к файлам и т. д.
Каталог. Это специализированное место на диске, в котором
хранятся имена файлов, сведения о размере файлов, времени их
последнего обновления, атрибуты (свойства файлов) и т. д.
Текущий каталог — это каталог, с которым в настоящий мо-
мент работает пользователь.
Полное имя файла (адрес файла) — это путь доступа к файлу
и имя файла. Путь доступа к файлу включает имя логического
диска и перечисление всех вложенных папок. Полное имя файла
имеет следующий вид (в скобках [] указывается необязательная
часть): [диск:][путь\] имя-файла (рис. 4.12).
4.4. Архитектура операционных систем
305
________________________________Разделители
| I | I каталогов (папок)
С:\Мои документы\Текущие\Рефераты\Операционные системы.бос
Обозначение
диска
Вложенные
каталоги
Конечный
архив
Расширение
имени файла
Рис. 4.12. Разделители каталогов
Полное имя файла — имя файла с указанием пути к нему от
корневого каталога. При этом имена каталогов и файлов отделя-
ются друг от друга косой чертой \, например:
C:\IVANOV\GAM ES\G AM ES\game 1 .exe
Путь
Имя файла
Полное имя файла нужно для того, чтобы точно указать, на
каком диске, в каком каталоге его найти, аналогично тому, как
указывается почтовый адрес человека: почтовый индекс, об-
ласть, город, улица, дом, квартира и фамилия.
Например:
A:\file.txt;
C:\TEMP\file.txt;
D:\TEMP\KVD\file.txt.
Логические диски. В операционной системе можно разделить
жесткий диск (ЖД) на несколько логических частей и работать с
ними, как с отдельными дисками. Эти части называются логиче-
скими дисками или разделами ЖД. Каждый логический диск
имеет имя (букву), по которому к нему можно обращаться.
Файловая структура — это иерархическая структура хране-
ния файлов. В иерархической структуре (дереве) каждый эле-
мент определяется путем, который к нему ведет, начиная от вер-
шины (корня дерева). Файловая структура состоит из логических
дисков, каталогов (папок) и файлов. Файловая структура — это
дерево, в котором логический диск — корень (корневая папка),
а папки-каталоги — ветви дерева.
Во многих командах в именах файлов можно употреблять
символы * и ? для указания группы файлов из одного каталога.
Символ * обозначает любое число любых символов в имени
файла или расширения имени файла. Символ ? обозначает один
306
Глава 4. Компьютерные сети
произвольный символ или отсутствие символа в имени файла
или расширения имени файла.
Например:
• text*.doc означает, что в команде используются все файлы с
именами textl.doc, text2.doc, texta.doc, textll.doc, textabc.doc,
textcons.doc и т. д.;
• *.сот означает, что используются все файлы с любыми
именами и расширением .сот;
• text.* означает, что используются все файлы с именем text
и любыми расширениями;
• *.* означает, что используются все файлы (т. е. с любыми
именами и расширениями).
Пример:
C:\work\*.txt; C:\work\fil*.txt; C:\work\fil*.*;
D:\work\file.*; D:\work\7.txt; D:\work\fil7.txt;
A:\work\fil?.?; A:\work\file.77.
4.5. Интернет
Интернет — глобальное информационное пространство,
объединяющее персональные компьютеры и локальные компью-
терные сети.
В 1968 г. подразделение Пентагона — ARPA (Advanced
Research Projects Agency — Агентство по работе с научными про-
ектами в области перспективных исследований) открыло финан-
сирование проекта создания сети компьютеров, защищенной от
бомбовых ударов.
К осени 1969 г. появилась сеть ARPANET, состоящая из че-
тырех узлов:
• компьютер SDS SIGMA в Калифорнийском университете
Лос-Анджелеса;
• компьютер SDS940 в Стэнфордском исследовательском
институте;
• компьютер 1ВМ360 в Калифорнийском университете Сан-
та-Барбары;
• компьютер DEC PDP-10 в университете штата Юта.
Первые испытания сети ARPANET оказались крайне успеш-
ными. Ученые исследовательских учреждений, послуживших ис-
пытательными полигонами, получили возможность передавать
4.5. Интернет
307
данные и совместно пользоваться удаленным доступом к компь-
ютерам.
К 1971 г. сеть ARPANET разрослась до 15 узлов, включая Мас-
сачусетсский технологический институт, Гарвард, Питтсбургский
университет Карнеги — Меллона, и центр NASA в Эймсе. К 1972 г.
эта сеть насчитывала уже 37 узлов, а в 1973 г. впервые были под-
ключены и зарубежные узлы — Университетский колледж в Лондо-
не и Королевская лаборатория радиолокации в Норвегии.
К 1983 г. сеть ARPANET, которая к тому времени уже полу-
чила название Интернет, отражающее ее структуру как мощной
совокупности связанных между собой компьютеров и сетей,
официально отказалась от использования протокола NCP в
пользу более развитого и распространенного протокола TCP/IP.
В этом же году из сети ARPANET выделилась сеть MILNET,
которая стала относиться к DDN (Defence Data Network — Обо-
ронная сеть обмена данными) Министерства обороны США.
Термин «Интернет» стал употребляться для обозначения единой
сети: MILNET и ARPANET. И хотя в 1991 г. сеть ARPANET пре-
кратила свое существование, название Интернет продолжает су-
ществовать, так как сеть стала объединять международные сети.
Охват мирового сообщества Интернетом существенно рас-
ширился благодаря включению следующих сетей:
• EUNet — европейская сеть Unix-машин (1982);
• EARN — европейская сеть учебных и научно-исследова-
тельских учреждений (1983);
• JUNET — японская сеть Unix-машин (1984);
• JANET — объединенная академическая сеть Великобрита-
нии (1984).
Историю российского Интернета отсчитывают с середины
1980-х гг., когда Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова
(Российский научный центр «Курчатовский институт») первым
получил доступ к мировым сетям.
В физическом (аппаратурном) плане сеть Интернет состоит
из узловых компьютеров — хостов (host), или серверов (server),
коммуникационных линий (телефонные линии, выделенные ка-
налы, радио- и спутниковая связь) и устройств, обслуживающих
сетевые соединения: маршрутизаторов, концентраторов и повто-
рителей. Через линии связи компьютер-клиент подключается к
ближайшему узловому компьютеру-серверу, который передает
запрос клиента далее по сети, пока запрос нс достигнет конеч-
ного узла, т. е. компьютера с необходимой информацией.
308
Глава 4. Компьютерные сети
Для соединения используется специальное оборудование:
• сетевые кабели (коаксиальные, состоящие из двух изолиро-
ванных концентрических проводников, из которых внеш-
ний имеет вид трубки; оптоволоконные; кабели на витых
парах, образованные двумя переплетенными проводами,
и др.);
• коннекторы (соединители) для подключения кабелей к
компьютеру, разъемы для соединения отрезков кабеля;
• сетевые интерфейсные адаптеры для приема и передачи
данных. В соответствии с определенным протоколом управ-
ляют доступом к среде передачи данных и размещаются в
системных блоках компьютеров. К разъемам адаптеров под-
ключается сетевой кабель;
• трансиверы повышают уровень качества передачи данных
по кабелю, отвечают за прием сигналов из сети и обнару-
жение конфликтов.
E-mail (Electronic mail — электронная почта) — обмен тек-
стовыми сообщениями в виде электронных писем. Для работы
используется web-интерфейс или почтовые программы: Outlook
Express, The Bat и Microsoft Outlook.
Chat (чат, беседа) — общение в масштабе реального времени,
обмен текстовыми сообщениями (chat.maii.ru).
4.5.1. Структура WWW
Всемирная паутина (World Wide Web) — это совокупность
web-серверов, на которых хранятся сайты (информационные
узлы), состоящие из web-страниц. Информация в WWW переда-
ется по протоколу HTTP (Hypertext Transfer Protocol — протокол
передачи гипертекста), содержащего данные о способе взаимо-
действия компьютера пользователя с сервером Интернета.
Web-cepeep (web-server) — это компьютер с серверным про-
граммным обеспечением, например Apache, Microsoft Internet
Information Service (IIS), iPlanet (бывший Netscape), WebSite,
Lotus Domino или др. Чаще всего web-сервер работает под управ-
лением операционной системы семейства Unix. На web-сервер
записываются сайты и все необходимые программы, обеспечи-
вающие их работу.
Для того чтобы работать с какой-либо службой Интернета,
нужно установить на компьютер соответствующее программное
4.5. Интернет
309
обеспечение — клиентские программы. Для работы в WWW ис-
пользуют браузеры (browser — обозреватель web-страниц):
Microsoft Internet Explorer, Netscape Navigator, Opera, Mosaic и др.
Через интерфейс можно пользоваться и другими сервисами
Интернета: электронной почтой, чатами, форумами, электрон-
ными магазинами, интернет-телефонией, телеконференциями и
сетевыми играми.
Web-сервер, предоставляющий свое дисковое пространство
для размещения сайтов, называется хостом. Хостинг — это выде-
ление ресурсов web-сервера для web-сайтов. Хостинг бывает
платным и бесплатным.
Виды web-серверов: информационный (www.gazeta.ru), поис-
ковый (google.ru), каталог (list.ru), почтовый (maii.ru), электрон-
ный магазин (www.ozon.ru), корпоративный (www.rbc.ru) и раз-
влекательный (www.game.ru).
Сайт (site) — это раздел Всемирной паутины, принадлежа-
щий одному автору или организации. Сайт состоит из несколь-
ких web-страниц, соединенных гипертекстовыми ссылками.
Ссылка (link) — это фраза или картинка, в которой закодиро-
ван адрес другой страницы. На web-сервере сайт хранится в виде
папки с ограниченными правами доступа, т. е. доступ к папке
имеют только администратор сервера и владелец сайта.
Пример: www.museum.ru/M32 — сайт М32 зарегистрирован
на сервере museum.ru.
Примеры web-сайтов с собственными доменными именами:
www.pora.ru — сайт рога зарегистрирован как домен второго
уровня, natura.spb.ru — сайт natura зарегистрирован как домен
третьего уровня на сервере www.spb.ru.
Web-страница (web-page) — это текстовый файл с информа-
цией и ссылками на другие объекты (другие страницы, рисунки,
звуковые и видеофайлы), в этом же файле могут быть скрипты —
небольшие программы. Информация в файле кодируется на язы-
ке HTML (Hypertext Markup Language — язык разметки гипертек-
ста). При загрузке web-страницы HTML-код интерпретируется
браузером, и результат отображается на экране в окне браузера.
Каждая web-страница имеет свой адрес в системе URL (Uniform
Resource Locator — унифицированный указатель ресурса).
Например, книга Р. Асприна «Мистерия жизни» может быть
найдена по адресу http://lib.ru/ASPRlN/mythlO.html, здесь:
http — протокол передачи данных, lib.ru — web-сервер,
ASPRIN — раздел, mythlO.html — страница с текстом книги.
310
Глава 4. Компьютерные сети
Если главная страница сайта (home page) имеет название
index.html, тогда в адресной строке браузера вместо www.pora.ru/
index.html можно вводить сокращенный адрес: www.pora.ru.
Сегодня Интернетом по преимуществу пользуются мужчи-
ны: их в полтора раза больше, чем женщин. Более половины
пользователей моложе 26 лет, почти 2/3 — люди с высшим или
неполным высшим образованием. Процент пользователей с от-
носительно высокими доходами немногим ниже, чем со средни-
ми. '/4 пользователей Интернета — москвичи, '/8 — жители
Санкт- Петербурга.
Оставшаяся часть интернет-аудитории почти поровну рас-
пределяется между крупными городами (от 100 тыс. до 1 млн жи-
телей), с одной стороны, и малыми городами (до 100 тыс. жите-
лей) и поселками городского типа (ПГТ) — с другой (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Структура пользователей Интернета по населенным пунктам
России (2008 г.)
На рис. 4.14 приведена структура пользователей Интернета
по федеральным округам.
Протоколы сети Интернет. Основное, что отличает Интернет
от других сетей, — это ее протоколы TCP/IP. Термин TCP/IP
обычно означает все, что связано с протоколами взаимодействия
между компьютерами в Интернете. Он охватывает целое семей-
ство протоколов, прикладные программы и даже саму сеть.
TCP/IP — это технология межсетевого взаимодействия, техноло-
гия Интернета.
Протокол TCP/IP получил свое название от двух коммуника-
ционных протоколов (или протоколов связи): Transmission
Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP). Несмотря на то
что в сети Интернет используется большое число других прото-
4.5. Интернет
311
Рис. 4.14. Структура пользователей Интернета по федеральным округам
России (2008 г.)
колов, сеть Интернет часто называют TCP/IP-сетью, так как эти
два протокола, безусловно, важнейшие.
В Интернете существует семь уровней взаимодействия между
компьютерами', физический, логический, сетевой, транспортный,
уровень сеансов связи, представительский и прикладной уровни
(рис. 4.15). Каждому уровню взаимодействия соответствует на-
бор протоколов (т. е. правил взаимодействия).
Протоколы физического уровня определяют вид и характери-
стики линий связи между компьютерами. В Интернете использу-
ются практически все известные в настоящее время способы
связи — от витой пары до волоконно-оптических линий связи
(ВОЛС).
Для каждого типа линий связи разработан соответствующий
протокол логического уровня, занимающийся управлением и пе-
редачей информации по каналу. К протоколам логического
уровня для телефонных линий относятся протоколы SLIP (Serial
Line Interface Protocol) и PPP (Point to Point Protocol). Для связи
по кабелю локальной сети — это пакетные драйверы плат ЛВС.
Протоколы сетевого уровня отвечают за передачу данных ме-
жду устройствами в разных сетях, т. е. занимаются маршрутиза-
312
Глава 4. Компьютерные сети
Прикладной уровень
Рис. 4.15. Уровни взаимодействия протоколов
цией пакетов в сети. К протоколам сетевого уровня принадлежат
IP (Internet Protocol) и ARP (Address Resolution Protocol).
Протоколы транспортного уровня управляют передачей дан-
ных из одной программы в другую. К протоколам транспортного
уровня принадлежат TCP (Transmission Control Protocol) и UDP
(User Datagram Protocol).
Протоколы уровня сеансов связи отвечают за установку, под-
держание и уничтожение соответствующих каналов. В Интерне-
те этим занимаются уже упомянутые TCP- и UDP-протоколы,
а также протокол UUCP (Unix to Unix Copy Protocol).
Протоколы представительского уровня занимаются обслужи-
ванием прикладных программ. К программам представительско-
го уровня принадлежат программы, запускаемые, к примеру, на
Unix-сервере, для предоставления различных услуг абонентам:
telnet-сервер, FTP-сервер, Gopher-сервер, NFS-сервер, NNTP
(Net News Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Pro-
tocol), POP2, POP3 (Post Office Protocol) и т. д.
К протоколам прикладного уровня относятся сетевые услуги и
программы их предоставления.
4.5. Интернет
313
Услуги, предоставляемые сетью. Все услуги сети Интернет
можно условно разделить на две категории: обмен информацией
между абонентами сети и использование баз данных сети.
К числу услуг связи между абонентами принадлежат:
• Telnet — удаленный доступ. Дает возможность абоненту ра-
ботать на любой ЭВМ сети Интернет как на своей собст-
венной, т. е. запускать программы, менять режим работы
и т. д.;
• FTP (File Transfer Protocol) — протокол передачи файлов.
Дает возможность абоненту обмениваться двоичными и
текстовыми файлами с любым компьютером сети. Устано-
вив связь с удаленным компьютером, пользователь может
скопировать файл с удаленного компьютера на свой или
скопировать файл со своего компьютера на удаленный;
• NFS (Network File System) — распределенная файловая сис-
тема. Дает возможность абоненту пользоваться файловой
системой удаленного компьютера;
• электронная почта — обмен почтовыми сообщениями с
любым абонентом сети Интернет. Существует возможность
отправки как текстовых, так и двоичных файлов;
• новости — получение сетевых новостей и электронных до-
сок объявлений сети и возможность помещения информа-
ции на доски объявлений сети. Электронные доски объяв-
лений сети Интернет формируются по тематике. Пользова-
тель может по своему выбору подписаться на любые
группы новостей;
• Rsh (Remote Shell) — удаленный доступ, работает только в
том случае, если на компьютере установлена ОС Unix;
• Rexec (Remote Execution) — выполнение команды на уда-
ленной Unix-машине;
• Lpr — сетевая печать. Отправка файла на печать на удален-
ном (сетевом) принтере;
• Lpq — сетевая печать. Показывает файлы, стоящие в оче-
реди на печать на сетевом принтере;
• Ping — проверка доступности удаленной ЭВМ по сети;
• Talk — дает возможность открытия «разговора» с пользова-
телем удаленной ЭВМ. При этом на экране одновременно
видны вводимый текст и ответ удаленного пользователя;
• Iptunnel — дает возможность доступа к серверу ЛВС
NetWare, с которым нет непосредственной связи по ЛВС,
а имеется лишь связь по сети Интернет;
314
Глава 4. Компьютерные сети
• Whois — адресная книга сети Интернет. По запросу або-
нент может получить информацию о принадлежности уда-
ленного компьютера, о пользователях;
• Finger — получение информации о пользователях удален-
ного компьютера.
Кроме вышеперечисленных услуг, сеть Интернет предостав-
ляет также следующие специфические услуги:
• Webster — сетевая версия толкового словаря английского
языка;
• факс-сервис — дает возможность пользователю отправлять
сообщения по факсимильной связи, пользуясь факс-серве-
ром сети;
• электронный переводчик — производит перевод текста с
одного языка на другой. Обращение к электронным пере-
водчикам происходит посредством электронной почты;
• шлюзы — дают возможность абоненту отправлять сообще-
ния в сети, не работающие с протоколами TCP/IP (Fido,
Goldnet, АТ50).
4.5.2. Работа в сети Интернет
Интернет относится к системам, в которых взаимодействие
организовано по принципу коммутации пакетов. По линиям
связи компьютер-клиент подключается к ближайшему узловому
компьютеру-серверу, который передает запрос клиента далее по
сети, пока запрос не достигнет конечного узла, т. е. компьютера,
содержащего необходимую информацию.
Сообщения передаются от узла к узлу блоками данных —
пакетами. В каждый пакет включается информация об адресате
и место данного пакета в составе целого сообщения. В процессе
транспортировки маршрутизаторы проверяют заголовки и пере-
дают пакеты соседним узловым компьютерам. К месту доставки
пакеты могут прийти в разной последовательности или не прий-
ти вовсе. Но заголовки пакетов заставят запросить повторную
посылку недостающих частей и помогут восстановить сооб-
щение.
IP-адрес состоит из четырех чисел, каждое в диапазоне от О
до 255 (например, IP-адрес 193.125.5.38 означает: сеть 193, под-
сеть 125, подсеть 5, номер компьютера — 38). IP-адреса, начи-
нающиеся с цифр 192.168 или 10, используются для адресации
4.5. Интернет
315
во внутренних сетях и не обрабатываются во внешнем простран-
стве. IP-адрес, начинающийся с цифры 127, используют для тес-
тирования внутри одного компьютера.
Протоколы передачи данных. Протокол — это правила фор-
мирования и передачи по сети пакетов данных.
IP-протокол связывает разнородные компьютеры, управляе-
мые разными операционными системами.
TCP-протокол — это протокол связи, исправляющий ошибки
передачи пакетов. Обычно протоколы TCP/IP используют со-
вместно: IP — организует передачу данных, TCP — контролиру-
ет надежность.
Для передачи непрерывного аудио- или видеопотока приме-
няют протокол UDP (User Datagram Protocol), при котором воз-
можны потери пакетов, но передача проходит быстрее. Доступ к
ресурсам Интернета из других сетей, использующих другие про-
токолы передачи данных (Bitnet, Fidonet), осуществляется через
специальные системы — шлюзы (gateway), преобразующие про-
токолы.
В Интернете каждый узловой компьютер имеет два адреса:
сетевой (IP-адрес) и символьный (DNS-имя). DNS (Domain
Name System) — доменная система имен. Адрес компьютеру на-
значается провайдером или администратором локальной сети.
DNS — распределенная на узлах Интернета база данных, в
которой представлено соответствие физических (IP) и симво-
лических (DNS) адресов. При вводе доменного имени в адрес-
ную строку браузера служба DNS начинает искать в этой базе
данных соответствие IP-адреса введенному DNS-имени, если
соответствие найдено, то начинается процесс подключения к
этому узлу.
Адресное пространство WWW разбито на отдельные облас-
ти — домены. Каждый домен может содержать домены более
низкого уровня, которые записываются левее. С правого края
имени стоит домен первого уровня (TLD, top-level domains) —
обозначение страны (Россия — ru, США — us, Германия — de
и т. д.) или сферы деятельности (табл. 4.4).
Домены отличают уровень от уровня точками: ux.cso.uiuc.edu.
В имени может быть любое число доменов, но более пяти встре-
чаются редко. Каждый последующий домен в имени (слева на-
право) больше предыдущего (рис. 4.16). Имя компьютера их соз-
дано и курируется группой cso — отделом, к которому относится
данный компьютер. Отдел cso определяет более крупный отдел
316
Глава 4. Компьютерные сети
Таблица 4.4. Назначение доменов
Сфера деятельности Домен
Образование edu
Правительство gov
Сетевые компании net
Армия mil
Коммерция com
Некоммерческие организации org
Частные темы alt
Темы, посвященные компьютерам comp
Темы, не относящиеся ни к одной из стандартных категорий misk
Информация о группах новостей news
Различные развлекательные темы rec
Научные темы sci
Социологическая и культурная тематика soc
Политика, религия, социальные вопросы, текущие события и т.д talk
Примечание. Ожидается добавление TLD-доменов: name, info, aero, coop, biz,
museum, pro. Доменом второго уровня может быть название компьютера, орга-
низации (miee, mtu) или сайта (matrix, travel). Доменом третьго уровня может
быть название сервиса (www, mailto, smtp, pop, ftp) или сайта (nata, zzcows). При-
меры: www.check.ru,www.travel.ru,ftp.miee.ru, zzcows.by.ru, nata.obninsk.ru/cats.
Рис. 4.16. Доменная структура имен
4.5. Интернет
317
uiuc, который входит в национальную группу учебных заведений
с доменом edu.
Таким образом: uiuc — штат, cso — город, их — имя персо-
нального компьютера, edu — национальная группа учебных заве-
дений.
Когда Интернет стал международной сетью, возникла необ-
ходимость в том, чтобы зарубежные страны контролировали спи-
ски находящихся в нем систем из различных стран. С целью
идентификации был создан набор двухбуквенных доменов — до-
менов высшего уровня для данных стран (табл. 4.5).
Таблица 4.5. Домены высшего уровня
Страна Домен
Австралия АТ
Франция FR, FX
Советский Союз SU
Беларусь BY
США us
Канада СА
Индия IN
Китай CN
Россия RU
Международные организации 1NT
Для того чтобы работать с какой-либо службой Интернета,
нужно установить на компьютер соответствующее программное
обеспечение — клиентские программы.
4.5.3. Поиск информации в Интернете
Рассмотрим примеры поиска информации в сети Интернет.
Пример 4.2. В адресную строку программы-обозревателя
введите адрес сайта телекомпании НТВ: http://www.ntv.ru и на-
жмите клавишу Enter.
Щелкните по гиперссылке НОВОСТИ * News.ntv.ru и озна-
комьтесь с последними новостями.
318
Глава 4. Компьютерные сети
Пример 4.3. Поиск информации с использованием поис-
ковых систем выполняется в том случае, если пользователь не
знает, по какому адресу находится нужная ему информация, или
для того, чтобы получить наиболее полные сведения по опреде-
ленной теме.
В окне программы Internet Explorer введите адрес поисковой
системы Rambler: http://www.rambler.ru:
• щелкните по гиперссылке Помощь в поиске и ознакомь-
тесь с правилами формирования поисковых запросов на этом
сервере;
• в поле Поиск введите ключевые слова «Путешествия Еги-
пет» для поиска информации о возможных турах и щелкните по
кнопке Найти (рис. 4.17);
Интернет
Новости Покупки \ TcnlOO Файды Слввари СМИ \
Rambler
Путешествия Египет Ц Найти!
F лг.ц.ионным поиск
Г f В Лой' ке
bf ; ыди гкмс। a
Пример :тра?о«зние
Рис. 4.17. Поле для ввода текста запроса
• для получения наиболее полной информации по интере-
сующему вопросу рекомендуется проводить поиск не по одной,
а по нескольким поисковым системам;
• повторите поиск информации с применением поисковой
системы Yandex, предварительно ознакомившись с правилами
формирования запросов в этой поисковой системе.
Для поиска информации можно использовать некоторые ад-
реса из табл. 4.6.
Поиск информации с использованием поисковых систем. Для
того чтобы облегчить поиск документов, были созданы каталоги
web-серверов и поисковые машины. В большинстве случаев ка-
талог представляет собой тематические подборки ссылок на
web-ресурсы (медицина, политика, программирование и т. д.).
Поисковые машины позволяют попасть на страничку, текст ко-
торой содержит заданный набор слов. Каждая поисковая маши-
на обладает специфическими возможностями, достоинствами и
недостатками. Следует отметить, что наполнение сети Интернет
русскоязычной информацией хотя и происходит быстрыми тем-
пами, все еще значительно отстает от уровня англоязычной ин-
формации. Английский язык продолжает оставаться основным
языком общения пользователей Интернета.
4.5. Интернет
319
Таблица 4.6. Некоторые адреса Интернета
Адрес Название сервера
http://www.microsoft.com Сервер фирмы Microsoft
http://www.gov.ru Сервер органов государственной власти РФ
http://www.duma.gov.ru Государственная дума Федерального собрания РФ
http://www.minfin.ru Министерство финансов РФ
http://www.cbr.ru Центральный банк РФ
ht tp://www. mos. ru Правительство Москвы
http://www.shaping.ru Сервер красоты, здоровья и моды
http://www.job.ru Т рудоустройство
http://www.euronews.net Сайт телекомпании Euronews
http://www.km.ru Общеинформационный сайт
http://www.museum.ru Музеи России
Информация о возможностях некоторых поисковых сер-
веров.
AltaVista — http://www.av.com. Это одна из первых наиболее
мощных поисковых машин. Она имеет встроенный переводчик
страниц с английского языка на французский, немецкий, италь-
янский, испанский и т. д. Схема использования стандартна: в
строке для ввода пишутся ключевые слова, а затем нажимается
кнопка Search (поиск). Далее выдается список ссылок на стра-
ницы с аннотацией.
Yahoo — http://www.yahoo.com. Это не только поисковая ма-
шина, но и крупнейший классификатор ресурсов сети. Здесь вы-
делено несколько разделов верхнего уровня: искусство, бизнес,
компьютеры, образование, развлечения, правительство и др. Ка-
ждый из разделов помимо ссылок содержит подразделы, кото-
рые, в свою очередь, тоже содержат подразделы и т. д.
Искать интересующую информацию можно как с помощью
строки запроса (аналогично AltaVista), так и перемещаясь по
разделам, но в последнем случае необходимо точно знать, к ка-
кой именно категории относится предмет поиска.
320
Глава 4. Компьютерные сети
Rambler — http://www.rambler.ru. Помимо известной поиско-
вой системы, сервер «Rambler» включает классификационный
каталог «Rambler Тор 1000», состоящий из категорий, которые
охватывают все основные тематические направления российских
web-серверов.
В разделах списки серверов оформлены в виде таблицы. На
одном экране выводится 20 ссылок. По умолчанию сортировка
проводится по текущей посещаемости серверов в каждой катего-
рии. Для каждого ресурса приводится дополнительная информа-
ция о числе посещений и динамике популярности сервера, что
помогает получить представление о популярности отечественных
web-серверов.
Yandex — http://www.yandex.ru. Занимает одно из ведущих
мест среди русскоязычных поисковых серверов, активно и дина-
мично развивается.
Стратегии, применяемые для поиска информации в Интерне-
те, постоянно совершенствуются. Так, Google (www.google.com),
некоторое время назад считавшийся экспериментальной поиско-
вой системой, сейчас пользуются 15 млн чел. ежемесячно. Секрет
Google в удачном алгоритме отбора документов, отвечающих по-
исковому запросу. Предшественники поискового сервера Google
пытались определить «ценность» документа только на основе ана-
лиза его текста: как часто и как близко к началу документа встре-
чаются там слова из запроса, есть ли они в заголовке и т. д.
Создатели поискового сервера Google решили оценивать со-
ответствие документа запросу с помощью специального числа,
похожего по смыслу на индекс цитирования: чем больше ссылок
на данный документ, тем больше это число, называемое
PageRank. Если сервер не находит запрашиваемой комбинации в
своем каталоге, то пользуется тематическим каталогом Yahoo.
Результаты оказались столь хороши, что Google стал «народной»
поисковой системой. Google постоянно совершенствует свой
сервис: проиндексированы все документы в формате pdf, орга-
низован поиск графической информации в Интернете.
Одним из недостатков поискового сервера Google можно
считать отсутствие диалога с пользователем во время подбора
документов. Этот недостаток стараются исправить конкуренты
поискового сервера Google, классифицируя найденные доку-
менты. Поисковая система Теота (www.teoma.com) автоматиче-
ски классифицирует найденные ссылки на документы. Результа-
ты при выводе делятся на три части: собственно классифика-
4.5. Интернет
321
ция, занимающая верхнюю часть окна, документы, лучше всего
соответствующие запросу, размещаются слева, а справа выво-
дятся документы, в которых много ссылок на страницы, стоя-
щие слева.
Поисковая система Vivisimo (www.vivisimo.com) разработана
в университете Карнеги — экспериментальный некоммерческий
проект. Основная особенность этой системы — представление
информации в виде дерева (иерархическая кластеризация) доку-
ментов, найденных другими поисковыми системами, такими как
AltaVista и Fast (www.allthemes.com).
Регистрация электронной почты. E-mail (Electronic mail, элек-
тронная почта) — обмен текстовыми сообщениями в виде элек-
тронных писем.
Для работы с электронной почтой могут применяться специ-
альные почтовые программы, например Microsoft Outlook
Express, Microsoft Outlook, mail.ru, hotmail.com и др.
Компьютер абонента представлен в общей структуре адресов
E-mail (доменной структуре имен). В общем виде адресация
E-mail имеет следующую структуру: M@S.D. где М — идентифи-
катор пользователя конкретного компьютера; S — компьютерная
локальная сеть, являющаяся частью домена; D — название сети
организации (домен высшего уровня в E-mail, который делится
на подуровни).
В доменах высшего уровня часто указывают тип организации
или идентификатор страны: Gl@edu.zgrad.ru, где G1 — имя або-
нента; edu — учебное заведение; zgrad — регион; ru — Россия.
Электронно-почтовый интернет-адрес имеет следующий
формат: пользователь@машина, где знак @ отделяет имя пользо-
вателя от обозначения машины. Почта доставляется в почтовый
ящик пользователя на ПЭВМ.
Пример адреса электронной почты: yw@softpr.saratov.ru.
В рассматриваемом примере yw — идентификатор абонента,
составляемый, как правило, из начальных букв его фамилии,
имени, отчества. То, что стоит справа от знака @, называется до-
меном и однозначно описывает местонахождение абонента. Со-
ставные части домена разделяются точками. Самая правая часть
домена обозначает код страны адресата — это домен верхнего
уровня. В нашем случае ш — код Российской Федерации. Одна-
ко в качестве домена верхнего уровня может фигурировать и обо-
значение сети.
322
Глава 4. Компьютерные сети
Следующий поддомен — Saratov однозначно определяется
внутри домена верхнего уровня и обозначает код города — Са-
ратов. Совокупность составных частей домена saratov.ru называ-
ется доменом второго уровня. Домен третьего уровня —
softpro.saratov.ru. В нашем случае домен третьего уровня вклю-
чает название фирмы softpr.
Программы электронной почты позволяют: создавать и пере-
давать сообщения, как в форме текстовых сообщений, так и в
формате HTML; добавлять (прикреплять) к сообщениям файлы
любых видов; отправлять ответы и сообщения одному или не-
скольким адресатам.
В настоящее время в сети Интернет существует более 10 хоро-
шо известных и надежных служб бесплатной электронной почты:
MailRu — http://www.mail.ru;
Rambler — http://www.rambler.ru;
AltaVista — http://www.altavista.com;
BigFoot — http://www.bigfoot.com;
Usa.net — http://www.usa.net;
Chat.ru — http://www.geocities.org/default.htm и др.
Для получения адреса электронной почты на бесплатном
сервере mail.ni выполните следующие действия:
• в окне программы Internet Explorer введите адрес почтового
сервера: http://www.mail.ru;
• в подокне Почта (рис. 4.18) окна главной web-страницы
сервера mail.ru щелкните по пункту Регистрация в почте;
• в открывшемся окне Регистрация введите необходимые дан-
ные для регистрации, имея в виду, что поля, отмеченные
звездочкой (*), обязательны для регистрации (рис. 4.19);
• ознакомьтесь с условиями пользовательского соглашения,
щелкнув внизу страницы по гиперссылке;
Рис. 4.18. Окно для работы с электронной почтой
4.5. Интернет
323
Регистрация почтовor ящика
имейлом гтмемены поля, осязательные для заполнения
E-mail Ibvt @mail.ru vl
Пароль
Повторите пароль
F< ли Вы 1 I* удете пароль
Выберите вопрос Ваше любимое блюди
или укажите свой
Ответ на вопрос боощ
Доп e-mail |
Дополнительн i инфармаци i о ноль тоатере
Имя Иван
Фамилия Сидоров
День ри'гдения 1980 Январь м 01
Ваш рол Мужской Женский
Баша страна Не указана v
Регион Не указан
Защита «»т антпмлтнчо» hi р»инст| .пип
У* » а 1? * 1 Не Емжу-чиспо
Иисло на картинке
Рис. 4.19. Регистрация адреса электронной почты
• щелкните по кнопке Зарегистрировать почтовый ящик\
• получив сообщение программы о том, что регистрация
прошла успешно, закройте окно программы-обозревателя.
Работать с электронным адресом, полученным в бесплатной
почтовой системе, можно как с помощью самой системы, так и
посредством других программ электронной почты.
324
Глава 4. Компьютерные сети
Почтовые псевдонимы. Псевдонимы позволяют системному
администратору и пользователям переадресовывать почту. Ими
можно пользоваться для задания списков рассылки (которые
включают нескольких получателей), для пересылки почты между
машинами и для того, чтобы к пользователям можно было обра-
щаться по нескольким именам.
Псевдонимы могут быть определены:
• в файле конфигурации пользовательского агента;
• в общесистемном файле псевдонимов /etc/aliases;
• в пользовательском файле пересылки ''/.forward.
Сначала система электронной почты ищет псевдонимы в
файле конфигурации пользовательского агента, затем в файле
aliases и, наконец, в пользовательском файле пересылки.
Вот примеры псевдонимов: kvd@mail.ru; kold@rambler.ru.
Программа Internet Explorer. Для работы со службой WWW
используют программу-браузер, например, Internet Explorer. Яр-
лык этой программы можно найти на Рабочем столе или в меню
Пуск -> Программы.
Программа Internet Explorer имеет следующие меню: Файл,
Правка, Вид, Избранное, Сервис, Справка. Ниже строки с меню
находятся Панель Инструментов и Адресная Строка. Эти панели
можно включить и отключить, войдя в меню Вид -> Панели ин-
струментов.
Под панелями расположено рабочее поле браузера, в кото-
ром отображается открытая web-страница. После ввода адреса
другой web-страницы здесь появляется содержимое новой стра-
ницы, а предыдущая страница автоматически закрывается. Брау-
зер сохраняет просмотренные страницы в специальную папку
Temporary Internet Files (временные файлы Интернета), а для
того чтобы очистить ее от устаревших страниц, войдите в меню
Сервис —> Свойства обозревателя и в разделе Временные файлы
Интернета нажмите кнопку Удалить файлы.
Основные команды, используемые при работе со страни-
цами:
НАЗАД — открывает предыдущую просмотренную web-стра-
ницу.
ВПЕРЕД — открывает следующую по списку web-страницу
из тех, что уже открывали.
ОСТАНОВИТЬ останавливает загрузку web-страницы.
ОБНОВИТЬ — заново загружает текущую web-страницу.
4.5. Интернет
325
ДОМОЙ — возвращает на основную страницу браузера, эта
страница автоматически открывается при запуске браузера.
ПОИСК — открывает окно для поиска информации.
ИЗБРАННОЕ — открывает список любимых страниц, адреса
которых пользователь помещает в этот список.
ЖУРНАЛ — показывает список всех страниц, на которых
побывал пользователь за последние дни.
ПОЧТА — программа для работы с электронной почтой (за-
пустить нажатием кнопки Почта и выбрать нужную команду
Чтение почты или Создать новое сообщение).
ПЕЧАТЬ — печать текущей web-страницы.
Установка основной страницы. Войдите в меню Сервис >
Свойства обозревателя —> на вкладке Общие, в разделе Домашняя
страница напишите адрес нужной страницы -> нажмите кноп-
ку ОК.
Открытие web-страницы. В Адресной строке удалите все сим-
волы и введите нужный адрес, например www.lenta.ru, —> нажми-
те Enter, затем подождите несколько секунд, в это время проис-
ходит подключение компьютера к той ЭВМ, на которой распо-
ложена страница.
Добавление ссылки в избранное. Откройте какую-нибудь стра-
ницу, например «Курсы валют на Infoart»: http://www.infoart.ru/
nioney/currency/currency.htm.
Войдите в меню Избранное -> нажмите Добавить в избранное ->
в поле Имя напишите название страницы, например, Курсы ва-
лют -> нажмите кнопку ОК. Посмотрите результат: войдите в меню
Избранное — ссылка на эту страницу называется «Курсы валют»,
щелкните по этой ссылке и попадете на нужную страницу.
Создание папки. В папке Избранное можно создать свою соб-
ственную папку и помещать в нее ссылки на страницы. Войдите
в меню Избранное —> Добавить в избранное —> нажмите кнопку
Создать папку —> в окошке Имя папки введите название папки,
например Экономика, и нажмите кнопку ОК.
Добавление ссылки в папку. Откройте нужную страницу, в
меню Избранное —> Добавить в избранное нажмите кнопку Доба-
вить вив окне Добавить в откройте двойным щелчком папку
Экономика, затем в поле Имя введите название страницы и на-
жмите кнопку ОК.
Для того чтобы открыть страницу, ссылка на которую нахо-
дится в личной папке, войдите в меню Избранное, в котором под
326
Глава 4. Компьютерные сети
командами находится список папок, укажите мышкой на папку
Экономика (правее появится список ссылок) и щелкните по
нужной ссылке.
Удаление устаревших ссылок. Войдите в меню Избранное
Упорядочить избранное. Выделите ненужные ссылки или папки
и нажмите кнопку Удалить, после этого нажмите кнопку За-
крыть.
Поиск информации во Всемирной паутине. Если не известно, на
каком сайте может находиться отыскиваемая информация, то вос-
пользуйтесь поисковыми серверами или каталогами: ranibler.ru,
ya.ru, yandex.ru, google.ru, altavista.com, yahoo.com и др.
Для работы с поисковым сервером необходимо:
• в Адресной строке введите адрес поискового сервера (на-
пример, www.rambler.ru);
• на первой странице поискового сервера в поле Я ищу (либо
Найти) введите ключевое слово, которое достаточно точно
описывает отыскиваемую информацию, например породы
кошек;
• нажмите клавишу Enter или кнопку Найти (правее поля за-
проса);
• результаты поиска отобразятся па повой странице в виде
списка ссылок на web-страницы с краткими комментария-
ми, поясняющими содержимое страницы. Для того чтобы
открыть интересующую web-страницу, щелкните по ссылке
на нее (подчеркнутый синий текст названия страницы).
Копирование информации с web-страницы. Выделите текст,
скопируйте его в буфер обмена (Правка —> Копировать), открой-
те любой текстовый редактор (например, Word), вставьте текст
из буфера обмена (Правка —> Вставить).
Сохранить страницу полностью со всем ее оформлением. Выбе-
рите меню Файл -> Сохранить как и откройте папку для сохране-
ния, затем нажмите кнопку Сохранить.
Для того чтобы сохранить графический рисунок, щелкните
правой кнопкой мыши на любой части рисунка, в появившемся
контекстном меню выберите команду Сохранить рисунок как.
Откройте выбранную папку, измените имя файла (по желанию)
и нажмите кнопку Сохранить.
Работа с электронной почтой. Запустить почтовую программу,
установленную на компьютере, например Outlook Express:
Пуск -> Программы -> Outlook Express. Все необходимые сведения
4.5. Интернет
327
о программе приведены в справочной системе: Справка Со-
держание и указатель.
В рабочем поле программы в окне Папки можно переклю-
чаться между следующими папками для обработки писем:
• ВХОДЯЩИЕ — содержит письма, пришедшие на почто-
вый ящик;
• ИСХОДЯЩИЕ — содержит отправляемые письма, письмо
остается в этой папке, пока не будет отправлено;
• ОТПРАВЛЕННЫЕ — содержит копии писем, которые
были отправлены адресатам;
• УДАЛЕННЫЕ — содержит письма, удаленные из всех дру-
гих папок;
• ЧЕРНОВИКИ — содержит недописанное письмо, чтобы
отправить его в дальнейшем.
Структура письма. Письмо состоит из заголовка и собственно
текста. В заголовок письма входят:
Subject — ТЕМА сообщения;
Date — ДАТА отправления;
From (ОТ КОГО) — адрес отправителя;
То (КОМУ) — адрес получателя (e-mail).
Адрес электронной почты устроен следующим образом:
Имя — Разделитель — Домен.
Имя подбираете при регистрации почтового ящика, раздели-
тель — стандартный символ @ («эт» или «собака»), домен — имя
почтового сервера, на котором зарегистрирован ваш e-mail (на-
пример, box@mail.ru).
Чтение почты. При запуске почтовой программы Outlook
Express программа сразу обращается к почтовому серверу и за-
бирает пришедшие на почтовый ящик письма. В дальнейшем
автоматическая доставка производится каждые 30 мин, но это
время вы можете изменить, задав команду: Сервис —> Парамет-
ры -> вкладка Общие -> в пункте Проверять новые сообщения ка-
ждые указать нужное значение -> кнопка ОК.
Для того чтобы проверить почту самостоятельно, следует на-
жать на панели инструментов кнопку Доставить. В окне Папки
напротив папки Входящие указывается количество непрочитан-
ных писем, для их прочтения щелкните по папке Входящие.
В окне справа открывается список писем, в котором указывается
заголовок письма: имя адресата, тема письма и дата получения.
Выберите письмо, и оно отобразится в окне.
328
Глава 4. Компьютерные сети
Создание нового письма. Для создания нового сообщения на-
жмите кнопку Создать (сообщение), откроется диалоговое окно
с чистым рабочим полем. Заполните следующие поля:
• в поле Кому введите адрес получателя. Если письмо нужно
разослать по нескольким адресам, то щелкните в поле Ко-
пия и введите нужный адрес (ваш собственный e-mail
компьютер автоматически вписывает при отправке сооб-
щения);
• затем щелкните в поле Тема и кратко сформулируйте тему
письма;
• в рабочем поле наберите текст сообщения;
• нажмите кнопку Отправить, при этом письмо доставляет-
ся по указанным адресам, а его копия остается в ПЭВМ в
папке Отправленные.
Вложенные файлы. Если с письмом приходит вложенный
файл, то в списке писем слева от имени адресата видна скрепка,
в открытом письме скрепка расположена справа от заголовка
письма. Содержимое файла небольшого размера отображается
под текстом письма, для просмотра файла большого размера на-
жмите скрепку в заголовке письма и укажите имя файла.
Для сохранения вложенного файла на компьютере нажмите
на скрепку и выберите команду Сохранить вложения, в открыв-
шемся диалоговом окне внизу нажмите кнопку Обзор и выберите
место хранения файла (диск и папку), после этого нажмите
кнопку Сохранить. Открытое письмо можно распечатать, нажав
кнопку Печать.
Прикрепление файла к письму. С письмом можно отправить
файл, размер которого не превышает 500 Кб. Создайте письмо
(введите e-mail адресата, тему сообщения и текст письма), затем
войдите в меню Вставка > Вложение файла. В появившемся
окне откройте на диске нужный файл. Полное имя присоеди-
ненного файла отображается в заголовке письма в поле Присое-
динить. Для удаления присоединенного файла его имя нужно
выделить в поле Присоединить и нажать клавишу Delete.
Ответ на письмо. Для того чтобы отправить ответ, выполните
следующие действия:
• выделите письмо в папке Входящие',
• нажмите кнопку Ответить (отправителю), при этом в диа-
логовом окне создания письма будет автоматически подго-
товлен заголовок, в поле Кому — адрес получателя, в поле
4.6. Сервис ICQ
329
Тема — текст: «Re» (тема полученного письма), т. е. ответ
на полученное письмо;
• в рабочем поле письма находится текст пришедшего пись-
ма (его можно не удалять). Наберите текст сообщения и
нажмите кнопку Отправить.
Удаление письма. Выделите ненужное письмо и нажмите
клавишу Delete или кнопку Удалить на панели инструментов.
При этом выбранные письма удаляются в папку Удаленные, из
которой после повторного подтверждения письма удаляются из
памяти компьютера.
В приложении 3 приведены основные сведения о компью-
терных вирусах.
4.6. Сервис ICQ
Интернет-пейджер ICQ, разработанный четырьмя израиль-
скими студентами в 1996 г., совершил настоящую революцию в
общении. «I Seek You» — «Я ищу тебя» — так произносится сло-
во ICQ на английском языке, тем самым озвучивая одну из уни-
кальных функций этой программы — поиск людей.
Сервис 1CQ позволяет «видеть» всех друзей и знакомых, как
только они появляются в сети Интернет. Сервис ICQ предостав-
ляет возможность, забыв о расстояниях, мгновенно связаться со
своими знакомыми или деловыми партнерами в любое время,
обмениваться сообщениями, посылать файлы и URL (рис. 4.20).
С помощью удобной системы настроек можно установить тре-
буемый уровень конфиденциальности — от простейшего до самого
«засекреченного», когда вы видите всех, а вас не видит никто.
"В сети Alt+(j
г- ] Отошел Alt .-А
-Г' Недоступен Alt+N
Занят Alt+C
Не беспокоить AlhD
JEj Свободен для разговора Alt+H
Отклкнэн ДИ +F
{j Невидимый Alt*l
Рис. 4.20. Окно интернет-псйджсра 1CQ
330
Глава 4. Компьютерные сети
В операционной системе Linux возможности этого сервиса
предоставляют программы licq и kicq, выполняемые в фоновом
режиме, используя минимум памяти и ресурсов сети. При этом
можно заниматься чем угодно, потому что ICQ предупредит, ко-
гда поступит новое сообщение.
Каждый пользователь интернет-пейджера ICQ имеет свой
личный номер, который можно помешать на визитных карточ-
ках и иных деловых бумагах — ведь прямые контакты намного
эффективнее, чем длительная переписка (даже по электронной
почте). О популярности ICQ свидетельствует огромное число ее
пользователей, которое постоянно растет.
Отметим некоторые возможности сервиса 1CQ:
• личный Контактный список. Каждый пользователь само-
стоятельно определяет, кто из друзей или знакомых будет
находиться в Контактном списке',
• On-line-контроль. Система постоянно проверяет, кто из
ICQ-пользователей в настоящий момент работает на ком-
пьютере, имеющем доступ к сети (режим on-line), и в ка-
ком режиме (состоянии);
• выбор состояния. Пользователь имеет возможность выбрать
желаемое состояние (в сети, отошел, недоступен, занят, не
беспокоить, свободен для разговора, отключен, режим пол-
ной невидимости);
• ChatDirect. Обеспечивает диалог (чат) с неограниченным
количеством избранных ICQ-пользователей;
• Message Direct. Позволяет обмениваться сообщениями, а
также передавать сообщение тем, кто в данный момент не-
доступен. Сообщения, поступившие, когда пользователь
был недоступен, сохраняются до тех пор, пока он не полу-
чит возможность их прочесть;
• конфиденциальность. Находясь в активном режиме, пользо-
ватель может «скрыться», позволяя видеть себя только из-
бранным;
• секретность. Система предоставляет возможность защи-
тить доступ в ICQ личным паролем;
• «черный список». Формирование списка людей, сообщения
которых будут автоматически игнорироваться;
• UIN-номер. Каждому пользователю присваивается персо-
нальный номер, который идентифицирует пользователя и
может быть указан в любых документах для установления
мгновенных контактов.
4.6. Сервис ICQ
331
Можно ли при общении в сервисе ICQ выразить человеку
свое отношение к проблеме, желание улыбнуться или показать
свое недовольство? К сожалению, пером на бумаге нельзя
выразить ни сарказма, ни ухмылки, ни злобного оскала. Для
этого был разработан и внедрен в практику личной и публичной
переписки ряд терминов (смайлов), отражающих эмоциональное
состояние человека на сервисе 1CQ (табл. 4.7).
Таблица 4.7. Словарь эмоциональных терминов (улыбок)
Улыбка (смайл) Комментарии
Счастливая улыбка. Используется для выражения сар- казма или шуточного утверждения
;-) Подмигивающая, заигрывающая улыбка
:-( Мрачная улыбка. Вам не понравилось утверждение или вы огорчены чем-либо
:-1 Независимая улыбка
Угрожающая, ехидная улыбка
>:-> По-настояшему грозный комментарий
Подмигивающая грозная физиономия
:-Е Выражение злобы, желание разорвать оппонента на части
:-F Выражение злобы, но уже в более умеренной форме
•_* Применяется по отношению к противоположному полу при желании поцеловать
•-Q Насмешливое или раззадоривающее отношение челове- ка к адресату
:-? Выражение непонимания только что высказанной мысли
:-Р Насмешливая кривая улыбка
:-S Несогласованное утверждение
:-D Громкий, жизнерадостный смех
:-Х Аналог фразы «молчу, молчу» или «я нем как могила»
332
Глава 4. Компьютерные сети
Окончание табл. 4.7
Улыбка (смайл) Комментарии
:-С Дела идут совсем плохо. Душевное расстройство, депрессия, несогласие с оппонентом
•-! Скептическая оценка
:-о Ах! Ох! Ну ничего себе!
:-0 Выражение очень сильного удивления
Рот закрыт на замок
:-е Разочарование
;-< Одно из самых грустных выражений лица
8-) Неординарная усмешка (улыбка с выпучиванием глаз)
В-) Улыбка человека, носящего очки
1-1 Человек спящий. Служит для выражения полного равнодушия
|Ло Человек храпящий. Желание заглушить храпом поток бессмыслицы и глупостей
1-0 Человек зевающий. Используется в случае чрезмерной занудливости мысли и человека в целом
%-6 Очень зловеший комментарий, явно свидетельствую- щий о патологическом неприятии мысли
8-1 Крайнее разочарование, смешанное с неподдельным удивлением
4.6.1. Ненужная почта (spam)
Спам Qunk mail, коммерческая почта) — это коммерческое
сообщение, рассылаемое по Интернету жителям развитых стран.
Обещания выиграть 10 млн, стереосистему, машину и колье
с бриллиантами в лотерее; предложения подписаться на ка-
кой-нибудь интересный журнал или газету; извещения из спе-
циализированных магазинов, торгующих электроникой, удобре-
ниями и старинным оружием; «простые как мычание» газеты и
листовки с фотографиями еды из ближайшего супермаркета.
4.6. Сервис ICQ
333
Слово «спам» — это компьютерный жаргон. На самом деле
спам — это такие консервы, вроде китайского колбасного розо-
вого фарша, популярного в годы застоя. До 1994 г. Интернет был
сетью сугубо некоммерческой, а пользователями Интернета
были студенты и профессора университетов.
В 1994—1995 гг. доступ к Интернету был открыт человеку с
улицы, т. е. торговцу (в Америке рабочих от силы 5—10 %, но
практически все население что-нибудь продает). Каналы инфор-
мации, прежде заполненные научными дискуссиями или пустым
трепом, были украшены сотней сообщений под одинаковым за-
головком «Make money fast» («Делай деньги быстро»).
В однотипных текстах, следовавших под этой шапкой, сооб-
щалось о грустной судьбе некого гражданина, который потерял
дом, машину и прочие радости капиталистической жизни из-за
банкротства и подумывал о самоубийстве. Но неожиданно его
взгляд упал на пожелтевший листок бумаги — письмо, получен-
ное им много месяцев назад, распечатанное на принтере, и за-
бытое на столе. Он читает письмо (озаглавленное «Make money
fast»), рассылает его знакомым по электронной почте и стано-
вится миллионером. Теперь гражданин живет безбедно в собст-
венном трехэтажном доме с бассейном и парком новых машин,
а когда у него кончаются деньги, шлет своим знакомым сообще-
ние «Make money fast» с предложением разослать его дальше и
стать миллионерами, и получает нужные ему 100 тыс. долл.
После такого рассказа следовали собственно инструкции: ра-
зослать 1 долл, каждому из 10 абонентов из списка адресов, при-
ложенных к письму, потом убрать первую фамилию в этом спи-
ске, добавить свою в конец и опубликовать письмо в Интернете,
разослав его по электронной почте и поместив в телеконферен-
ции. Так родился спам.
Следующим громким эпизодом в войне спаммера с челове-
чеством была Green card lottery — лотерея, разыгрывающая вид
на жительство в США — зеленую карту. Адвокатская фирма за-
била Интернет предложениями участвовать в бесплатной лоте-
рее, объявленной госдепартаментом; разумеется, требовали око-
ло 100 долл, за эту (бесплатную) привилегию. Адвокаты просла-
вились на весь Интернет, про них были написаны грубые
рассказы. Их телефонный номер разрывался ежесекундно посы-
лавшимися им ругательными факсами и сообщениями. Но это
им не помешало: с 1994 г. они заработали не одну сотню тысяч
334
Глава 4. Компьютерные сети
долларов публикацией книг о том, как заработать рассылкой
спама по Интернету.
Основной способ заработать на спаме — это продавать про-
граммы, рассылающие спам, или писать руководства по спаму.
Точно так же больше половины расходов крупных фирм, таких
как Coca-Cola или Microsoft, идет на маркетинг. Рекурсивная ре-
ференция коммерческой активности — и каждый новый виток
референции приносит гораздо больше доходов, чем предыдущий.
Довольно скоро спамеры переключились на E-mail (элек-
тронную почту). Составив списки из миллионов адресов, спаме-
ры рассылают рекламу «как похудеть без диет», гербалайф и про-
чие сомнительные продукты. В последнее время, впрочем, основ-
ной продукт рекламы — программы для рассылки спама. Купив
такую программу, желающие могут разослать по 90 млн адресов
предложение купить у них какой-нибудь товар. В большинстве
случаев этим товаром оказывается опять программа для спама.
В настоящее время борьба со спамом вступила в цивилизо-
ванную фазу. На всех почтовых серверах есть опция «пожало-
ваться на спам».
Способы предотвращения попадания адреса в спамерские базы
рассылки. Существуют два пути попадания электронного адреса
в базы данных спамеров:
1) вы подписались на некий сервис, платный или бесплат-
ный, создатель которого торгует адресами собственных пользо-
вателей;
2) робот определил электронный адрес из текста какой-ни-
будь страницы в Интернете.
Появились довольно эффективные способы минимализации
обоих рисков.
Во-первых, создайте много бесплатных электронно-почтовых
адресов для подписки на онлайновые издания. Не подставляйте
свой основной адрес (тот, который создан у текущего провайдера
подключения, по месту учебы или работы) под листы и подпис-
ки. Как только один из бесплатных адресов «заспамят», его мож-
но будет спокойно отключить, не жертвуя остальной почтой.
Во-вторых, помните: если профессиональные спамеры —
люди в большинстве отчаянные, готовые к лобовой конфронта-
ции с сетевым сообществом, то продавцы чужих адресов зачастую
своей репутацией дорожат. Если вам удастся уличить какое-ни-
будь солидное издание в торговле вашим адресом — оно предпоч-
4.6. Сервис ICQ
335
тет замять скандал к вашему удовлетворению, т. е. само приложит
усилия для изъятия вашего адреса из спамерской базы.
Для того чтобы использовать этот весьма действенный ры-
чаг, нужно точно знать, кто именно «сдал» вас спамерам. Для
этого применяются следующие приемы:
• запоминайте того, кому вы давали адрес и какой. Это не
слишком легкий путь, особенно если не хочется создавать
дюжину бесплатных адресов и заниматься учетом подписки
на каждом из них;
• при подписке меняйте свои имена, например Anton
Netsurfer, Anton Икс. Таким способом вы всегда сможете
определить, через кого на вас вышел спамер;
• прежде чем приступать к решительным ответным мерам,
прочтите внимательно первый экран спамного сообщения.
Там может содержаться фраза «unsubscribe information» —
для тех, кто хочет убрать свое имя из базы рассылки.
Контрольные вопросы
1. Как можно классифицировать программные продукты?
2. Как можно классифицировать системное программное обеспечение?
3. Что входит в системное программное обеспечение?
4. Назовите состав и назначение инструментария технологии программи-
рования.
5. Дайте определение понятий «операционные системы» и «типы класси-
фикации».
6. Дайте определение понятия «базовое программное обеспечение
компьютера».
7. Что входит в набор сервисных (дополнительно устанавливаемых) про-
грамм?
8. Дайте определение понятия «программы-утилиты».
9. Какие существуют антивирусные продукты? Каковы критерии их
оценки?
10. Что входит в минимальный состав системного программного обеспе-
чения?
11. Дайте определение CASE-технологии.
12. Приведите классификацию пакетов прикладных программ. Дайте их
характеристику.
13. Дайте характеристику операционных систем.
336
Глава 4. Компьютерные сети
14. Расскажите об особенностях Windows: многозадачность, использова-
ние памяти.
15. Расскажите об особенностях Windows: временные файлы, использо-
вание системных ресурсов.
16. Дайте определение понятия «вычислительная сеть». Укажите техниче-
ское и информационное обеспечение вычислительных сетей.
17. В чем особенность программного обеспечения вычислительных сетей?
18. Приведите пример классификации вычислительных сетей.
19. Укажите достоинства и недостатки радиальной и кольцевой топологии
вычислительных сетей.
20. Укажите достоинства и недостатки древовидной и шинной топологии
вычислительных сетей.
21. В чем особенность технологии «клиент—сервер»?
22. Перечислите протоколы сети Интернет.
23. В чем заключается доменная структура имен?
24. Что такое электронная почта? Для чего нужна программа Internet
Explorer?
25. Что такое ненужная почта (spam)?
Заключение
Главная тенденция развития вычислительной техники в на-
стоящее время — дальнейшее расширение сфер применения
электронных вычислительных машин — переход от отдельных
ЭВМ к вычислительным системам и комплексам разнообразных
конфигураций и широким диапазоном функциональных воз-
можностей и характеристик.
Персональные ЭВМ используются во всех сферах деятельно-
сти человека, делая его труд творческим, интересным и эффек-
тивным. При формализации профессиональных знаний в пер-
вую очередь автоматизируется рутинная часть работ, занимаю-
щая более 75 % рабочего времени. Новые сферы применения
изменили характер вычислительных работ: инженерно-техниче-
ские расчеты составляют не более 9 %, автоматизация управле-
ния сбытом, закупками и запасами — 16, финансово-экономи-
ческие расчеты — 15, делопроизводство — более 10, игровые за-
дачи — 8 % и т. д.
На современных вычислительных системах параллельной ар-
хитектуры время решения задач принципиально зависит от того,
какова внутренняя структура алгоритма и в каком порядке вы-
полняются его операции. Возможность ускоренной реализации
на параллельных системах достигается за счет того, что в них
имеется достаточно большое число функциональных устройств,
одновременно выполняющих определенные операции алгорит-
ма. Но для того чтобы использовать эту возможность, необходи-
мо получить сведения о структуре алгоритма на уровне связей
между отдельными операциями и согласовывать их с особенно-
стями архитектуры вычислительной системы.
Изложение материала по архитектуре ЭВМ приводится в
учебном пособии сначала по возможности в самом общем виде,
безотносительно к конкретным компьютерам, а затем приводят-
ся примеры, как та или иная особенность архитектуры реал изо-
338
Заключение
вана в современных ЭВМ. Так как в настоящее время в боль-
шинстве массовых ЭВМ установлены процессоры фирмы Intel,
то архитектура именно этого процессора используется для изуче-
ния конкретных ЭВМ в первую очередь. Большое внимание уде-
ляется обоснованию тех или иных архитектурных решений, по-
казывается необходимость появления определенных аппаратных
возможностей, их нацеленность на решение возникающих перед
вычислительной техникой проблем. Рассматривается историче-
ское развитие основных аппаратных решений, эволюция глав-
ных понятий от первых простых ЭВМ до современных компью-
теров.
Литература
1. Аляев Ю. А., Кушев В. О., Раевский В. Н. Архитектура вычисли-
тельных систем: учебно-методическое пособие. Пермь: ПРИПИТ,
2004.
2. Архитектура ЭВМ: учеб, материалы для студентов 1-го курса
физического факультета и факультета компьютерных наук / сост.:
А. П. Толстобров. Воронеж: ВГУ, 2000.
3. Базы данных. Интеллектуальная обработка информации /
В. В. Корнеев, А. Ф. Гареев, С. В. Васютин. В. В. Райх. М.: Нолидж.
2001.
4. Вильям С. Структурная организация и архитектура компью-
терных систем : пер. с англ. М.: Вильямс, 2002.
5. Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК: Энциклопедия. СПб.:
Питер, 2002.
6. Гук М. Микропроцессоры Pentium4, Athlon и другие. СПб.:
Питер, 2001.
7. Гуров В., Чуканов В. О. Архитектура и организация ЭВМ.
http://www.intuit.ru/department/hardware/archhard2/.
8. Каган В. М. Электронные вычислительные машины и систе-
мы: учеб, пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат. 2002.
9. Каймин В. А. Информатика: учеб, пособие. М.: РИОР, 2005.
10. Калабеков Б. А. Цифровые устройства и микропроцессорные
системы: учебник для техникумов. М.: Горячая линия, 2003.
11. Киселев А. В., Киселев В. В. Современные микропроцессоры.
СПб.: БХВ-Петербург, 2003.
12. Колдаев В. Д. Основы алгоритмизации и программирования:
учеб, пособие / под ред. проф. Л. Г. Гагариной. М.: ИД «Форум»:
Инфра-М, 2006.
13. Колдаев В. Д., Павлова Е. Ю. Сборник задач и упражнений по
информатике: учеб, пособие / под ред. проф. Л. Г. Гагариной. М.:
ИД «Форум»: Инфра-М, 2006.
340
Литература
14. Мельников Г. Ф., Кушев В. О., Раевский В. Н. Архитектура вы-
числительных систем: руководство к лабораторным занятиям.
Пермь: ПРИПИТ, 2004.
15. Менский М. Б. Человек и квантовый мир. Фрязино: Век-2,
2005.
16. Олифер В. Г., Олифер В. А. Компьютерные сети. Принципы,
технологии, протоколы. СПб.: Питер, 2007.
17. Пухальский Г. И. Проектирование микропроцессорных сис-
тем: учеб, пособие для вузов. СПб.: Политехника, 2001.
18. Пятибратов А. П., ГудыноЛ.П., Кириченко А. А. Вычисли-
тельные системы, сети и телекоммуникации: учебник / под ред.
А. П. Пятибратова. М.: Финансы и статистика, 2003.
19. Разработка микропрограммного контроллера: методические
указания к курсовому проекту / А. С. Календарев, В. В. Новоселов,
В. Г. Юрасов, Т. И. Кокорева. Воронеж: ВПИ, 2002.
20. Рудометов Е., Рудометов В. Материнские платы и чипсеты.
СПб.: Питер, 2001.
21. Системы автоматизированного проектирования в радиоэлек-
тронике: Справочник / под ред. И. П. Норенкова. М.: Радио и
связь, 2006.
22. Танненбаум Э. Архитектура компьютера. СПб.: Питер, 2002.
23. Турчин В. Ф. Феномен науки, http://pespmcl.vub.ac.be/
POSBOOK.html
24. Фигурнов В. Э. IBM PC для пользователя: Краткий курс. М.:
Инфра-М, 1997.
25. Юрасов В. Г. Организация вычислительных систем, локаль-
ных вычислительных сетей: учеб, пособие. Воронеж: ВПИ, 2004.
26. Garcia-Molina Н., Ullman J. D., IVidom J. Database System
Implementation. Prentice Hall, 2000.
27. Graefe G. Query evaluation techniques for large databases //
ACM Computing Surveys. 1993. Vol. 25. No. 2. P. 73—169.
Г лоссарий
Автоматика — отрасль науки и техники, исследующая и применяю-
щая теорию автоматического построения автоматических сис-
тем, и технические средства, образующие эти автоматические
системы.
Автоматическая система управления (автоматическая система, систе-
ма автоматического управления) — совокупность управляемого
объекта (нескольких объектов) и автоматического управляюще-
го устройства (нескольких устройств), взаимодействующих меж-
ду собой.
Адресная команда — команда программы, осуществляющая обраще-
ние к адресам операндов либо к адресам команд, указанных в
определенных местах командного слова.
Алгоритм — это последовательность действий, которая приводит к
получению результата.
Алгоритм адаптивный — алгоритм, обладающий свойством настраи-
ваться на условия применения.
Алгоритм линейный — алгоритм, не содержащий ветвей и циклов,
все элементы которого выполняются последовательно.
Алгоритм логический — алгоритм решения логической задачи.
Алгоритм маршрутизации — алгоритм решения задачи определения
оптимального пути, по которому будут передаваться данные в
коммуникационной сети.
Алгоритм параллельный — алгоритм, в котором часть или все опера-
ции независимы и могут выполняться одновременно (парал-
лельно).
Алгоритм функционирования устройства (системы) — совокупность
предписаний, ведущих к правильному выполнению технологи-
342
Глоссарий
ческого процесса в каком-либо устройстве (в совокупности уст-
ройств, составляющих систему).
Алгоритм циклический — алгоритм обслуживания в системах с разде-
лением времени, при котором задача, использовавшая выделен-
ный ей ресурс времени центрального процессора, прерывается
и помещается в конец очереди.
Алгоритмическая структура автоматической системы управления (части
автоматической системы управления) — структура автоматиче-
ской системы управления (части автоматической системы
управления), где каждая часть предназначена для выполнения
определенного алгоритма преобразования информации, являю-
щегося частью алгоритма функционирования автоматической
системы управления (алгоритм преобразования информации
есть совокупность предписаний в отношении преобразования
информации).
Алгоритмический язык — совокупность символов, соглашений и пра-
вил, используемых для однозначного описания алгоритмов и
обычно являющихся частью языка программирования.
Аналоговая ЭВМ (АВМ) — вычислительная машина непрерывного
действия, обрабатывающая аналоговые данные. Предназначена
для воспроизведения определенных соотношений между непре-
рывно изменяющимися физическими величинами. Основные
области применения связаны с моделированием различных
процессов и систем.
Арифметическая команда — команда, определяющая выполнение де-
сятичной операции над числами с фиксированной или плаваю-
щей запятой.
Безадресная команда — команда, определяющая операнды, для ко-
торых задана операция в неявной форме.
Большая ЭВМ — электронно-вычислительная машина, имеющая
высокую производительность, большой объем основной и
внешней памяти, обладающая способностью параллельной об-
работки данных и обеспечивающая как пакетный, так и инте-
рактивный (диалоговый) режим работы.
В целях смыслового разделения понятий «информация» и «дан-
ные» Ассоциация стандартов Франции (АФНОР) дает следую-
щее определение: «Данные — факт, понятие или инструкции,
представленные в условной форме, удобной для пересылки, ин-
терпретации и обработки человеком или автоматизированными
Глоссарий
343
средствами». Согласно другому определению, «Данные — неко-
торый факт, то, на чем основан вывод или любая интеллекту-
альная система».
Верификация программы — установление любым корректным мето-
дом факта соответствия программы заданным целям ее созда-
ния или приобретения — установление правильности програм-
мы; формализованный контроль или проверка работоспособно-
сти программы.
Виртуальные (информационные) ресурсы — информационные ресур-
сы других организаций, предприятий, фирм и т. п., доступные
пользователям в режиме теледоступа по каналам глобальной
связи, например Интернета.
Гибридный (комбинированный) язык — язык программирования, ис-
пользующий также средства другого языка.
Гипертекст — документ, имеющий связи с другими документами че-
рез систему выделенных слов (ссылок). Гипертекст соединяет
различные документы на основе заранее заданного набора слов.
Данные — сведения, факты, показатели, выраженные как в число-
вой, так и в любой другой форме.
Декларативное (логическое, продукционное) программирование —
метод программирования, предназначенный для решения задач
искусственного интеллекта. В указанном контексте программа
описывает логическую структуру решения задачи, указывая
преимущественно, что нужно сделать, не вдаваясь в детали, как
это делается.
Декларативный (непроцедурный) язык — язык программирования,
который позволяет задавать связи и отношения между объекта-
ми и величинами, но не определяет последовательность выпол-
нения действий (например, языки Пролог, QBE).
Драйвер — программа, управляющая обменом данных между при-
кладными процессами и внешними устройствами.
Императивный (процедурный) язык — язык программирования, кото-
рый позволяет в явной форме (с помощью задания выполняе-
мых операторов) определять действия и порядок (последова-
тельность) их выполнения.
Инкапсуляция — это механизм, который объединяет данные и код,
манипулирующий этими данными, а также защищает и то и
другое от внешнего вмешательства или неправильного исполь-
344
Глоссарий
зования. В объектно-ориентированном программировании код
и данные могут быть объединены; в этом случае говорят, что
создается так называемый черный ящик.
Информационное обеспечение (ИО) — совокупность процессов по
подготовке и предоставлению специально подготовленной на-
учно-технической информации (НТИ) для решения управлен-
ческих и научно-технических задач в соответствии с этапами их
решения.
Информационные ресурсы (ИР) — совокупность сведений, получае-
мых и накапливаемых в процессе развития науки и практиче-
ской деятельности людей для их многоцелевого использования
в общественном производстве и управлении.
Информационная технология — комплекс методов, способов и
средств, обеспечивающих хранение, обработку, передачу и ото-
бражение информации и ориентированных на повышение эф-
фективности и производительности труда.
Информационный шум — сообщения и данные, не представляющие
новизны для субъекта информирования (другими словами, эти-
ми данными он уже владеет). Смысл их от этого не изменится:
данные, переданные не по назначению, несвоевременно или не
представляющие новизну, — информационный шум.
Информация библиографическая — библиографические данные, опи-
сания и их перечни.
Информация (лат. Informatio — разъяснение, осведомление). Суще-
ствует множество различных определений этого понятия, на-
пример, такие:
Информация — сведения, подлежащие передаче.
Информация — содержание какого-либо сообщения, сведения
о чем-либо, рассматриваемые в аспекте их передачи в про-
странстве и времени.
Информация — содержание, значение данных, которое видят в
них люди. Обычно данные состоят из фактов, которые ставятся
«информацией» в определенном контексте и понятны людям.
Информация — это значение, вкладываемое человеком в дан-
ные на основе известных соглашений, используемых для их
представления.
Информация априорная — данные, имевшиеся до проведения како-
го-либо опыта или другого действия.
Глоссарий
345
Информация графическая — сведения или данные, представленные
в виде схем, эскизов, изображений, графиков, диаграмм и
символов.
Информация документальная — сведения, закрепленные на ка-
ком-либо материальном носителе; содержание документа или
текста.
Информация коммерческая — данные, сведения и содержащие их до-
кументы, являющиеся объектом продажи их собственником.
Информация личная — сведения (данные) о гражданах и организа-
циях, затрагивающие их интересы и запрещенные для распро-
странения без их согласия.
Информация ретроспективная — сведения, содержащиеся в накоп-
ленных более чем за два года массивах данных или полученные
в результате поиска в этих массивах (так называемого ретро-
спективного поиска).
Информация сигнальная — информация, предназначенная для быст-
рого предварительного оповещения.
Исполнительная команда — команда, которая не требует модифика-
ции для последующего выполнения вычислительной машиной.
Итерация — цикл выполнения задания или команды вычислитель-
ной машиной.
Комбинированная (аналого-цифровая) ЭВМ — электронно-вычисли-
тельная машина, сочетающая аналоговую и цифровую формы
обработки данных.
Компоненты данных — цифры и символы естественного языка или
их кодированное представление в виде строки двоичных битов.
Конструктивная структура автоматической системы управления (части
автоматической системы управления) — структура автоматиче-
ской системы управления (части автоматической системы управ-
ления), где каждая часть представляет самостоятельное конст-
руктивное целое.
Логика — наука о законах и формах мышления, методах познания и
условиях определения истинности знаний и суждений.
Логика нечеткая — форма представления знаний или данных, свя-
занных с описанием различных объектов понятиями вида «тя-
желый», «громкий», «горячий» и т. п., имеющими неточные
значения. Более строгое определение значения указанных по-
346
Глоссарий
нятий возможно только с привлечением ряда дополнительных
сведений или данных, входящих в нечеткие множества и со-
ставляющих перечни дополнительных данных или условий.
Малая ЭВМ, мини-ЭВМ — так назывались ЭВМ, конструктивно
выполненные в одной стойке и занимавшие небольшой объем
(порядка десятых долей кубометра). По сравнению с большими
и средними машинами мини-ЭВМ обладают более низкой про-
изводительностью и объемом памяти.
Маршрутизатор — компьютер сети, занимающийся маршрутизацией
пакетов в сети, т. е. выбором кратчайшего маршрута следования
пакетов по сети.
Машинная команда — команда, которая может быть непосредствен-
но распознана центральным процессором ЭВМ, для которой
она создана.
Машинная программа — программа, написанная на машинном язы-
ке (в машинном коде).
Многоадресная команда — машинная команда, содержащая два и
более адреса в явном виде.
Многопроцессорная ЭВМ (система) — ЭВМ, архитектура которой
предусматривает использование большого числа процессоров,
чем обеспечивается существенное повышение ее вычислитель-
ной мощности и, в частности, возможность обработки значи-
тельных объемов информации. Принципы построения таких
ЭВМ реализованы в симметричных многопроцессорных систе-
мах, системах с массовым параллелизмом и др.
Модем — устройство, преобразующее цифровые сигналы в аналого-
вую форму и обратно. Используется для передачи информации
между ПК по аналоговой линии связи.
Наследование — процесс, посредством которого один объект может
приобретать свойства другого, точнее, наследовать основные
свойства другого объекта и добавлять к ним черты, характерные
только для него. Наследование — важный процесс, поскольку
он позволяет поддерживать концепцию иерархии классов.
Объектно-ориентированное программирование (ООП) — метод про-
граммирования, основанный на использовании концепции объ-
екта, абстрагирующего конкретные его реализации в предмет-
ной области. При этом данные тесно связываются с выполняе-
мыми над объектами процедурами.
Глоссарий
347
Однокристальная ЭВМ — микроЭВМ, выполненная на большой
(БИС) или сверхбольшой (СБИС) интегральной микросхеме.
Опция — параметр или вариант выполнения задания для обрабаты-
вающей его программы, предназначенный для управления ре-
жимом ее работы.
Основная команда — команда, входящая в стандартный набор команд
ЭВМ.
Отладка программы — обнаружение, локализация и устранение
ошибок в компьютерной программе.
Отладчик — программа, предназначенная для анализа поведения
другой программы, обеспечивающая ее трассировку (отслежи-
вание и распечатку выполняемых программой команд, измене-
ний переменных или данных о других событиях, связанных с
выполнением программы), останов в указанных точках или,
при выполнении указанных условий, просмотр и изменение
ячеек памяти, регистров процессора и команд программы.
Параллельное программирование — разработка программ, обеспечи-
вающих одновременное (параллельное) выполнение операций,
связанных с обработкой данных.
Полиморфизм — свойство, позволяющее использовать одно и то же
имя для решения двух или более схожих, но технически разных
задач. Цель полиморфизма применительно к объектно-ориен-
тированному программированию — использование одного име-
ни для задания общих для класса действий.
Поток заданий — последовательность заданий, выполняемых ЭВМ
под управлением операционной системы.
Прикладное программирование — разработка и отладка программ для
конечных пользователей, например бухгалтерских, обработки
текстов и т. п.
Принципиальная (полная) схема — схема, определяющая полный со-
став элементов и связей между ними и, как правило, дающая
детальное представление о принципах работы изделия (установ-
ки). Принципиальные (полные) схемы служат основанием для
разработки других конструктивных документов, например схем
соединений (монтажных) и чертежей; ими пользуются для изу-
чения принципов работы изделий (установок) а также при их
наладке, регулировке и ремонте.
348
Глоссарий
Программное обеспечение (Software) — совокупность программных
средств, управляющих работой ЭВМ и/или автоматизирован-
ной системы, а также документация, необходимая для эксплуа-
тации этих средств. Различают общее и прикладное (специаль-
ное) программное обеспечение.
Протокол — совокупность правил и соглашений, регламентирующих
форму и процедуру между двумя или более независимыми уст-
ройствами или процессами.
Процедурное (процедурно-ориентированное) программирование — ме-
тод программирования, в соответствии с которым программы
пишутся как перечни последовательно выполняемых команд.
C# (С Sharp) — объектно-ориентированный язык программирова-
ния, разработанный фирмой Microsoft. По характеру он напо-
минает языки C++ и Java и предназначен для разработчиков
программ, использующих языки С и C++, для того, чтобы они
могли более эффективно создавать интернет-приложения.
C++ — язык программирования высокого уровня, созданный Бьяр-
ном Страустрапом на базе языка Си. Является его расширенной
версией, реализующей принципы объектно-ориентированного
программирования. Используется для создания сложных про-
грамм. Для IBM PC наиболее популярная — система Turbo C++
фирмы Borland (США).
Системное программирование — разработка средств общего про-
граммного обеспечения, в том числе операционных систем,
вспомогательных программ, пакетов программ общесистемного
назначения, например автоматизированных систем управления,
систем управления базами данных и т. д.
Специализированный язык — язык программирования, ориентиро-
ванный на решение определенного круга задач.
Спецификация программы, программная спецификация — точная и
полная формулировка определенной задачи или группы задач,
содержащая сведения, необходимые для построения ее алгорит-
ма (программы) или решения.
Справочно-информационное обслуживание (СИО) — совокупность
процессов, направленных на удовлетворение информационных
запросов потребителей информации.
Структура автоматической системы управления — совокупность час-
тей автоматической системы управления, на которые она может
Глоссарий
349
быть разделена по определенным признакам, и путей передачи
воздействий между ними, образующая автоматическую систему
(самостоятельную часть автоматической системы).
Структура программы — общая схема построения программы, рас-
сматривающая ее компоненты (программные блоки) и взаимо-
связи между ними.
Структурная схема автоматической системы управления — графиче-
ское изображение структуры автоматической системы управле-
ния (части автоматической системы управления). Схема, опре-
деляющая основные функциональные части изделия, их назна-
чение и взаимосвязи. Структурные схемы разрабатываются при
проектировании изделий (установок) на стадиях, предшествую-
щих разработке схем других типов, и используются при эксплуа-
тации для общего ознакомления с изделием (установкой).
Структурное программирование, модульное программирование — метод
написания программ небольшими независимыми частями —
модулями, каждый из которых связан с какой-либо процедурой
или функцией. При этом результирующая программа организу-
ется в виде совокупности взаимосвязанных по определенным
правилам модулей.
СуперЭВМ — класс сверхпроизводительных ЭВМ, предназначенных
для решения особо сложных задач в областях науки, техники и
управления. Высокая производительность достигается преиму-
щественно за счет параллельной архитектуры, предусматриваю-
щей использование большого числа функционально ориентиро-
ванных процессоров и параллельного программирования, сверх-
глубокого охлаждения процессоров (до температур, близких к
абсолютному нулю), а также высокоскоростных СБИС. В мире
насчитывается ограниченное количество ЭВМ такого типа (по-
рядка 500).
Теория информации — раздел кибернетики, изучающий общие во-
просы процессов передачи, хранения, извлечения и классифи-
кации информации различной природы (в том числе биологи-
ческой, технической, социальной и др.) независимо от ее се-
мантического (смыслового) содержания.
Тестирование программы — проверка программы в рабочих условиях
с некоторым специально созданным (тестовым) массивом дан-
ных в целях определения ее работоспособности в соответствии
с заданными критериями оценки.
350
Глоссарий
Транспьютер — микроэлектронный прибор, объединяющий на од-
ном кристалле мощный микропроцессор, память, интерфейс
внешней памяти и каналы ввода-вывода. Предназначен для по-
строения параллельных вычислительных структур. Был создан в
1983 г. фирмой 1NMOS (Великобритания); ЭВМ с многопро-
цессорной параллельной архитектурой обеспечивает существен-
ное увеличение ее производительности. При построении транс-
пьютеров используется специальный язык параллельного про-
граммирования Occam.
Трассировка — метод проверки правильности функционирования
программ при их выполнении путем отображения изменений
всех значений переменных.
Трафик — объем информации, передаваемой между узлами.
Управляемый объект — устройство (совокупность устройств), осуще-
ствляющее технический процесс, которое нуждается в специ-
ально организованных воздействиях извне для выполнения ал-
горитма его функционирования.
Функциональная структура автоматической системы управления (части
автоматической системы управления) — структура автоматиче-
ской системы управления (части автоматической системы управ-
ления), где каждая часть предназначена для выполнения опреде-
ленной функции (под функциями можно понимать как основ-
ные функции автоматического управляющего устройства —
получение, переработка информации и т. п., так и более част-
ные — передача и сравнение сигналов, преобразование формы
представления информации).
Функциональная схема — схема, разъясняющая определенные процес-
сы, протекающие в функциональных цепях изделия (установки)
или в изделии (установке) в целом. Функциональными схемами
пользуются для изучения принципов работы изделий (установок),
а также при их наладке, регулировке, контроле и ремонте.
Функциональное программирование — метод программирования, ос-
нованный на разбиении алгоритма решения задачи на функ-
циональные модули, а также описании их связей и характера
взаимодействия.
Чипсет — набор микросхем (может быть и в одной микросхеме) —
интерфейс между составными частями компьютера, такими как
ЦП, ОЗУ, ПЗУ, порты ввода-вывода.
Глоссарий
351
Шлюз — станция связи с внешней или другой сетью. Может обес-
печивать связь несовместимых сетей, а также взаимодействие
несовместимых приложений в рамках одной сети.
ЭВМ средней производительности — ЭВМ с производительностью до
нескольких миллионов операций в секунду, емкостью опера-
тивной памяти в несколько десятков мегабайт и разрядностью
машинного слова не менее 32.
Эвристическое программирование — метод программирования, осно-
ванный на моделировании мыслительной деятельности челове-
ка. Используется для решения задач, не имеющих строго фор-
мализованного алгоритма или связанных с неполнотой исход-
ных данных.
Язык ассемблера, ассемблер — универсальный язык программирова-
ния, относящийся к категории языков низкого уровня, структу-
ра которого определяется форматами команд, данными машин-
ного языка и архитектурой ЭВМ.
Язык высокого уровня — язык программирования, средства которого
обеспечивают описание задачи в наглядном, легко воспринимае-
мом виде, удобном для программиста. Он не зависит от внутрен-
них машинных кодов ЭВМ любого типа, поэтому программы,
написанные на нем, требуют перевода в машинные коды про-
граммами транслятора либо интерпретатора. К языкам высокого
уровня относят Фортран, ПЛ/1, Бейсик, Паскаль, Си, Ада и др.
Язык низкого уровня — язык программирования, предназначенный
для определенного типа ЭВМ и отражающий его внутренний
машинный код.
Язык описания данных (Data Description Language — DDL) — язык,
предназначенный для описания концептуальной схемы базы
данных.
Chat (чат, беседа) — общение в реальном масштабе времени, обмен
текстовыми сообщениями (chat.mail.ru).
E-mail (Electronic mail, электронная почта) — обмен текстовыми со-
общениями в виде электронных писем. Для работы использует-
ся web-интсрфсйс или почтовые программы: Outlook Express,
The Bat и Microsoft Outlook.
352
Глоссарий
FTP (File Transfer Protocol — FTP) — файловые архивы. Для работы
с FTP используется файл-менеджер far.
ICQ (I Seek You, Miranda и др.) — приватное общение в масштабе
реального времени.
Subscribe (почтовые рассылки) — подписка на новости по разным
тематикам, тексты изданий приходят к подписчикам по элек-
тронной почте (www.subscribe.ru).
Usenet (Newsgroup — группы новостей, форумы, конференции, дос-
ки объявлений) — обсуждение всевозможных тем, в основном
по почте, по специальным каналам или с использованием web-
интерфейса (www.talk.mail.ru).
Приложения
1. Перспективы развития ЭВМ
Создание качественно новых вычислительных систем с более
высокой производительностью и некоторыми характеристиками
искусственного интеллекта, например с возможностью самообу-
чения, — очень актуальная тема. Последние 10 лет такие разра-
ботки ведутся во многих направлениях, наиболее успешное и
быстро развивающееся из них — квантовые компьютеры, нейро-
компьютеры и оптические компьютеры, поскольку современная
элементная и технологическая база имеют все необходимое для
их создания.
На настоящий момент можно с уверенностью сказать, что со-
временная технология создания вычислительных систем (компь-
ютеров и др.) изживает себя. Микропроцессоры последних поко-
лений содержат огромное число транзисторов (10 млн и более).
Можно уменьшать физические размеры транзисторов и инте-
гральных схем, применяя нанотехнологию (создание электрон-
ных и других элементов с использованием специальной техники
для получения размеров 1 нм = 0,000000001 м), но всему есть пре-
дел. Это лишь малая часть огромной проблемы, возникшей перед
специалистами в сфере компьютерных технологий, — проблемы
приближения к пределу быстродействия. За последние несколько
лет появился такой феномен, как перенос всей текстовой, графи-
ческой и другой информации на компьютерные носители. Если
раньше база данных с информацией в 1000 записей довольно бы-
стро справлялась с поиском, то теперь, когда в базе данных стало
10 млн записей, значительно увеличивается время поиска, и но-
вые алгоритмы поиска ненамного уменьшат время поиска.
В этом случае нужны компьютеры с более высокими скоро-
стными характеристиками, поэтому специалисты во всем мире
взялись за решение этой проблемы путем создания вычислитель-
ной системы будущего. На данный момент существует способ ее
решения — ведутся экспериментальные разработки новых ком-
пьютеров.
Специалисты Центра космических исследований NASA в
Хантсвилле, Алабама, занялись разработкой суперскоростных
354
Приложения
оптических компьютеров, в основе которых будут не электроны,
выбиваемые с поверхности полупроводниковых металлов, а вол-
ны светового диапазона, изменяющие направление при столкно-
вении с искусственными органическими молекулами. По словам
представителя NASA, оптика «сможет в течение часа решить
проблему, на которую у современной электроники ушло бы
11 лет». Оптика уже используется для производства компьюте-
ров. Информация в Интернете передается через стекловолокон-
ные оптические кабели, причем с такой скоростью, которую
нельзя достичь, используя медные провода.
Однако оптические компьютеры появятся не так скоро. Бли-
жайшее будущее компьютерной техники — за ЭВМ, в которых
будут творчески сочетаться компоненты оптики и электроники.
Между электронными узлами процессора пойдут со скоростью
160 Гб/с световые волны информации, которые уже не будут
причиной перегрева медных проводов. Электроника хороша в
вычислительных операциях, оптика — в передаче информации.
Проникновение оптических методов в вычислительную тех-
нику ведется по трем направлениям. Первое основано на ис-
пользовании аналоговых интерференционных оптических вы-
числений для решения специальных задач, связанных с необхо-
димостью быстрого выполнения интегральных преобразований.
Второе направление связано с использованием оптических со-
единений для передачи сигналов на различных ступенях иерар-
хии элементов вычислительной техники, т. е. создание чисто оп-
тических или гибридных (оптоэлектронных) соединений вместо
обычных, менее надежных электрических соединений. При этом
в конструкции компьютера появляются новые элементы — опто-
электронные преобразователи электрических сигналов в оптиче-
ские и обратно.
Но самое перспективное направление развития оптических
вычислительных устройств — создание компьютера, полностью
состоящего из оптических устройств обработки информации.
Это направление интенсивно развивают с начала 1980-х гг. веду-
щие научные центры (MTI, Sandia Laboratories и др.) и компа-
нии — производители компьютерного оборудования (Intel, IBM).
В основе работы компонентов оптического компьютера
(трансфазаторов-оптических транзисторов, триггеров, ячеек па-
мяти, носителей информации) лежит явление оптической биста-
бильности.
1. Перспективы развития ЭВМ
355
Оптическая бистабильность — это одно из проявлений взаи-
модействия света с веществом в нелинейных системах с обрат-
ной связью, при котором определенной интенсивности и поля-
ризации падающего на вещество излучения соответствуют два
(аналог 0 и 1 в полупроводниковых системах) возможных ста-
ционарных состояния световой волны, прошедшей через веще-
ство, отличающееся амплитудой и (или) параметрами поляриза-
ции. Причем предыдущее состояние вещества однозначно опре-
деляет, какое из двух состояний световой волны реализуется на
выходе. Весь набор полностью оптических логических устройств
для синтеза более сложных блоков оптических компьютеров реа-
лизуется на основе пассивных нелинейных резонаторов-интер-
ферометров. В зависимости от начальных условий (начального
положения пика пропускания и начальной интенсивности опти-
ческого излучения) в пассивном нелинейном резонаторе нели-
нейный процесс завершается установлением одного из двух ус-
тойчивых состояний пропускания падающего излучения. А из
нескольких нелинейных резонаторов можно собрать любой, бо-
лее сложный логический элемент (триггер).
На практике пассивные нелинейные резонаторы-интерферо-
метры — вакуумно-напыленные тонкопленочные многослойные
полупроводниковые структуры с несколькими промежуточными
слоями из арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) или се-
ленида цинка (ZnSe), формирующие в тонкопленочном элемен-
те полупроводниковую сверхрешетку.
Элементы памяти оптического компьютера представляют
собой полупроводниковые нелинейные оптические интерферо-
метры. в основном созданные из арсенида галлия (GaAs). Ми-
нимальный размер оптического элемента памяти определяется
минимально необходимым числом атомов для наблюдения оп-
тической бистабильности. Это число составляет -1000 атомов,
что соответствует 1 — 10 нм. Важная особенность оптической па-
мяти — ее высокая защищенность от электромагнитных шумов
и надежность (количество переключений не ограничено).
К настоящему времени уже созданы и оптимизированы со-
ставляющие оптических компьютеров (оптические процессоры,
ячейки памяти), однако до полной сборки еще далеко. Основная
проблема, стоящая перед учеными, — синхронизация работы
элементов оптического компьютера в единой системе, поскольку
уже существующие элементы характеризуются различными па-
356
Приложения
раметрами рабочей волны светового излучения (интенсивность,
длина волны) и уменьшением его размера.
Таким образом, создание оптических компьютеров очень пер-
спективно, исследователи из М1Т обещают к 2008 г. сконструиро-
вать полностью работающий вариант оптического компьютера.
Квантовые компьютеры. Не так давно к одному известному
ученому, специалисту в области вычислительной техники, при-
шли за консультацией люди, отвечающие за информационную
безопасность страны. Вынужденные по долгу службы знако-
миться со всеми новинками в области криптографии, они на-
толкнулись на сообщение о принципиальной возможности соз-
дания устройства, легко взламывающего шифры. Представите-
лей спецслужбы интересовали ответы на вопросы, правда ли это
и насколько быстро такой аппарат может появиться на рынке.
Ученый констатировал, что все это чистая правда, а на вопрос о
сроках ответил уклончиво: «У вас в запасе точно есть четыре-
пять лет».
Устройство, которое через считанные годы лишит сна воен-
ных, банкиров и вообще всех, чье благополучие или безопасность
критически зависит от надежности защиты информации, называ-
ется квантовым компьютером. Самые надежные из известных се-
годня шифров основываются на разбиении достаточно большого
числа на простые множители (так называемая задача фактори-
зации). К примеру, взлом системы RSA-I29 (факторизация
129-разрядного числа) потребовал в 1994 г. восьмимесячной ра-
боты 1600 мощных рабочих станций, расположенных по всему
миру и объединенных посредством Интернета. Разгадывание
шифра с ключом на основе разбиения на простые множители
трехсотразрядного числа на классическом компьютере потребует
уже 13 млрд лет непрерывной работы, а квантовый компьютер,
по словам специалистов, справится с такой задачей за несколько
недель.
Человек должен был неизбежно изобрести что-то подобное
квантовому компьютеру. Закон Мура, требующий удвоения про-
изводительности вычислительных систем каждые 18 месяцев,
пока ни разу не нарушался. Гордон Мур сформулировал свой за-
кон в середине 1960-х гг., подсчитав темпы роста числа транзи-
сторов в интегральной микросхеме в зависимости от времени.
Экспоненциальный рост числа транзисторов в микросхеме тре-
бовал все ускоряющегося уменьшения их размеров (из-за суще-
ствующих принципиальных технологических ограничений раз-
1. Перспективы развития ЭВМ
357
меры самого чипа, на котором размещаются транзисторы, прак-
тически не меняются, и в считанных квадратных сантиметрах
поверхности монокристалла из кремния приходится размешать
все больше и больше конструктивных элементов).
Сегодняшняя стандартная технология работает с размерами в
десятую долю микрона (10“7 м), а чип содержит десятки миллио-
нов транзисторов. Уже разработаны транзисторы, размеры кото-
рых составляют сотые доли микрона, а следующий шаг в сторону
микромира приведет к нанометрам (10~9 м) и миллиардам транзи-
сторов в одном чипе, еще чуть-чуть — и можно попасть в диапа-
зон атомных размеров, где все начинает подчиняться необычным
квантовым правилам.
Бит классического компьютера, всегда находящийся только в
одном из двух состояний (0 или 1), на квантовом уровне «разма-
жется» — он словно будет находиться в обоих состояниях одно-
временно, и можно говорить лишь о вероятности обнаружения
его в одном из них.
Квантовые вычислительные системы не только возможны,
но и благодаря принципу суперпозиции состояний битов ока-
жутся гораздо мощнее классических, т. е. один квантовый ком-
пьютер (цепочка квантовых битов) сможет работать как комби-
нация очень большого числа классических компьютеров, произ-
водящих вычисления одновременно.
Квантовые вычисления гораздо эффективнее классических
не только при взломе шифров, но и при поиске в неупорядочен-
ных базах данных (такая проблема возникает, например, при по-
иске нужного номера в телефонной книге, где фамилии абонен-
тов расположены совершенно произвольным образом).
Подобно классическому биту информации, квантовый бит,
который с легкой руки американского физика Бена Шумахера
теперь называют кубитом, теоретически может быть реализован
на любой двухуровневой системе, например атоме, который мо-
жет находиться в двух энергетических состояниях (первый и вто-
рой уровни будут соответствовать нулю и единице классического
бита). Природа предлагает великое множество таких систем, но
главное препятствие на пути построения квантового компьюте-
ра — внешняя среда, которая за довольно короткое время (назы-
ваемое временем декогерентности) разрушает приготовленное
квантовое состояние.
Модель квантового компьютера из двух кубитов была по-
строена в 1997 г. на молекуле хлороформа группой исследовате-
358
Приложения
лей из IBM, Массачусетсского технологического института и
Калифорнийского университета в Беркли. Впрочем, у техноло-
гии есть существенный недостаток: построение компьютера хотя
бы из десятка таких кубитов потребует охлаждения молекул до
температур, всего на тысячные доли градуса отличающихся от
абсолютного нуля (-273 °C).
Голографическая и молекулярная память. Появление в скором
будущем задач, требующих очень большой вычислительной мощ-
ности, заставляет уже сейчас устремиться к поиску новых техни-
ческих решений не только в плане совершенствования самих
процессоров, но и других компонентов ПК. Широкие перспекти-
вы открывает технология оптической записи, известная как голо-
графия: она позволяет обеспечить очень высокую плотность за-
писи при сохранении максимальной скорости доступа к данным.
Это достигается за счет того, что голографический образ (голо-
грамма) кодируется в большой блок данных, который записыва-
ется всего за одно обращение. А когда происходит чтение, этот
блок целиком извлекается из памяти. Для чтения или записи
блоков, голографически хранимых на светочувствительном мате-
риале (за основу был принят ниобат лития) данных («страниц»),
используются лазеры. Теоретически тысячи таких цифровых
страниц, каждая из которых содержит до I млн бит, можно по-
местить в устройство размером с кусочек сахара.
При такой плотности записи оптический слой, имеющий
толщину около 1 см, позволит хранить около 1 Тбайт данных.
А если учесть, что такая запоминающая система не имеет движу-
щихся частей и доступ к страницам данных осуществляется па-
раллельно, можно ожидать, что устройство будет характеризо-
ваться плотностью в 1 Гб/см’ и даже выше.
Другой радикально иной подход в создании устройств хране-
ния данных — молекулярный. Группа исследователей центра
«W.M.» под руководством профессора Роберта Р. Бирга уже от-
носительно давно получила прототип подсистемы памяти, ис-
пользующей для запоминания цифровые биты молекулы. Это —
молекулы протеина, который называется бактериородопсин. Он
имеет пурпурный цвет, поглощает свет и присутствует в мембра-
не микроорганизма, называемого halobacterium halobium, кото-
рый «проживает» в соляных болотах, где температура может дос-
тигать + 150 °C.
Бактсриородопсин был выбран потому, что фотоцикл (по-
следовательность структурных изменений, которые молекула
1. Перспективы развития ЭВМ
359
претерпевает при реакции со светом) делает эту молекулу иде-
альным логическим запоминающим элементом типа «&» или
типа переключателя из одного состояния в другое (триггер).
По оценкам Бирга, данные, записанные на бактериородоп-
синном запоминающем устройстве, должны сохраняться при-
близительно пять лет. Другая важная особенность бактериоро-
допсина — то, что эти два состояния имеют заметно отличаю-
щиеся спектры поглощения, это позволяет легко определить
текущее состояние молекулы с помощью лазера, настроенного
на соответствующую частоту.
Был построен прототип системы памяти, в котором бакте-
риородопсин запоминает данные в трехмерной матрице. Такая
матрица представляет собой кювету (прозрачный сосуд), запол-
ненную полиакридным гелем, в который помещен протеин. Кю-
вета имеет продолговатую форму размером 1 х 1 х 2".
Страница данных может быть прочитана без разрушения до
5000 раз. Каждая страница отслеживается счетчиком, и если
происходит 1024 чтения, то страница «освежается» (регенериру-
ется) с помощью новой операции записи.
Человек в сфере интеллектуальных способностей как биоло-
гический вид, по-видимому, завершил эволюцию. А ЭВМ на
глазах развиваются с огромной скоростью, обыгрывают в шахма-
ты Каспарова, объединяются в глобальные сети.
Один англичанин, создатель электронных игрушек на основе
нейросистем, утверждал, что, с точки зрения стороннего наблю-
дателя, такие игрушки ведут себя как сознательные существа,
если их предоставить самим себе, то они даже начинают общать-
ся, конкурировать и создавать сообщества, похожие на человече-
ские. И никто не докажет, что эта игрушка не думает или не обла-
дает волей. Кстати, хотим мы это признавать или нет, но порабо-
щение людей вычислительными машинами уже идет, вспомните
про новое заболевание — интернет-зависимость.
Сегодня мы близки к исчерпанию атома, поняли, как он уст-
роен, даже научились на нем считать. Возможно, мы близки к
исчерпанию информационного ресурса природы в целом.
2. Программно-аппаратные комплексы
в образовании
Необходимость регулярного сбора и классификации инфор-
мации о современных программно-аппаратных средствах не вы-
зывает сомнений. На ее основе можно проводить грамотный и
научно обоснованный анализ полученной информации, исполь-
зуя современные методы оценки качества и классификации про-
граммно-аппаратных средств. Это, в свою очередь, дает возмож-
ность делать заключения на предмет целесообразности внедре-
ния различных программно-аппаратных комплексов в вузах
России. Такой подход помогает при разработке новых государст-
венных программ в системе образования, позволяя обеспечить
поиск новых методов обучения, снижает отрицательный эффект
от традиционной инертности системы образования.
Классификационные признаки образовательных програм-
мно-аппаратных комплексов (ПАК) представляют собой следую-
щую совокупность: дидактическая направленность, программная
реализация, техническая реализация и предметная область при-
менения (рис.).
Классификация по дидактической направленности. Знания, пе-
редаваемые обучающимся с помощью компьютера, предлагается
классифицировать на знания явные и неявные (артикулируемые
и неартикулируемые).
Артикулируемая часть знаний — это знания, которые легко
структурируются и могут быть переданы обучающемуся с помо-
щью порций информации (текстовой, графической, видео
и т. д.). Неартикулируемая часть знаний представляет собой ком-
понент знания, основанный на опыте, интуиции и т. п. Эта часть
знания охватывает умения, навыки, интуитивные образы и дру-
гие формы человеческого опыта, которые не могут быть переда-
ны обучающемуся непосредственно, а «добываются» им в ходе
самостоятельной познавательной деятельности при решении
практических задач. Опираясь на такую классификацию знаний,
можно классифицировать образовательные программно-алпарат-
2. Программно-аппаратные комплексы в образовании
361
Рис. Структура информационной системы
ные комплексы. Технологии, положенные в основу этих ком-
плексов и применяемые для поддержки процесса обучения арти-
кулируемой части знаний, — декларативные.
К ним целесообразно относить: компьютерные учебники,
учебные базы данных, тестовые и контролирующие программы и
другие компьютерные средства, позволяющие хранить, переда-
вать и проверять правильность усвоения обучающимся инфор-
мации учебного назначения.
Технологии, применяемые при создании ПАК, поддержи-
вающих процесс освоения неартикулируемой части знаний, яв-
ляются процедурными. Компьютерные информационные технологии
(КИТ) этого класса не содержат и не проверяют знания в виде
порций информации. Они построены на основе различных мо-
делей. В этом случае к КИТ относятся: пакеты прикладных про-
грамм (ППП), компьютерные тренажеры (КТ), лабораторные
практикумы, программы деловых игр, экспертно-обучающие
системы (ЭОС) и другие компьютерные средства, которые по-
362
Приложения
зволяют обучающемуся в ходе учебного исследования получать
(добывать) знания по изучаемой предметной области.
Не следует отождествлять понятия «артикулируемая» и «неар-
тикулируемая» части знания с понятиями соответственно «форма-
лизованные» и «неформализованные» знания. Нередко неформа-
лизованные знания также могут быть представлены в овеществ-
ленном виде, например в виде эвристических правил, и переданы
обучающемуся с помощью систем декларативного типа.
Приведенная классификация по признаку декларативных и
процедурных технологий является условной. Например, лабора-
торный практикум может быть снабжен гибкими инструкциями,
что и в какой последовательности выполнять. В этом случае обу-
чающийся получает готовую информацию о процессе и, соответ-
ственно, получает декларативные знания. Если учебная задача
поставлена таким образом, что обучающемуся необходимо для
ее решения провести исследование, то этот программно-аппа-
ратный комплекс позволяет получить некоторую порцию проце-
дурных знаний.
Возможен и другой подход к классификации ПАК по дидак-
тической направленности, при котором современные компьютер-
ные технологии обучения также делятся на два класса: системы
программированного обучения (СПО) и интеллектуальные обу-
чающие системы (ИОС).
Технология программированного обучения предполагает получе-
ние обучающимся порций информации (текстовой, графиче-
ской, видео — все зависит от технических возможностей) в оп-
ределенной последовательности и обеспечивает контроль за ус-
воением в точках учебного курса, определенных преподавателем.
Интеллектуальные обучающие системы отличаются такими
особенностями, как адаптация к знаниям и особенностям уча-
щегося, гибкость процесса обучения, выбор оптимального учеб-
ного воздействия, определение причин ошибок учащегося. Для
реализации этих особенностей ИОС применяются методы и тех-
нологии искусственного интеллекта.
Структура ИОС содержит общие и специальные знания
трех классов: о предметной области, о стратегии обучения и об
учащемся (модель обучающегося).
В интеллектуальных обучающих системах эти знания пред-
ставлены в соответствующих базах знаний с помощью различных
методов и средств. При этом в модели обучающегося выделяются
три компонента, каждый из которых включает процедурную
2. Программно-аппаратные комплексы в образовании
363
и декларативную составляющие. Это следующие компоненты:
база знаний обучающегося, диагностика его знаний и выполняе-
мых заданий, алгоритм формирования новых заданий.
Модель обучающегося постоянно обновляется в ходе обуче-
ния в соответствии с изменениями отражаемых ею характери-
стик обучаемого.
Деление технологий разработки программно-аппаратных
комплексов на СПО и ИОС не может быть строгим, так как сис-
темы одного класса могут включать элементы другого.
Для реализации ИОС используются следующие средства:
экспертные системы, гипертекстовые системы, системы мульти-
медиа, программы деловых игр, мультфильмы.
Разделение компьютерных технологий обучения на процедур-
ные и декларативные, а также на СПО и ИОС вытекает из деле-
ния целей обучения на два класса.
1-й класс. Обучение навыкам использования конкретных ме-
тодов в практической деятельности, получение и систематизация
различных фактических данных.
2-й класс. Обучение анализу информации, ее систематиза-
ции, творчеству, исследованиям.
Системы 2-го класса позволяют проектировать учебные курсы
значительно более сложные, чем системы первого класса. Имен-
но с их помощью можно научить процессам проведения синтеза и
анализа, аналогии, сравнения, дедукции, индукции и т. п. Оба
класса технологий взаимно дополняют друг друга, поэтому в це-
лом ряде случаев неверным является отказ от систем первого
класса в пользу систем второго класса.
Следует иметь в виду, что бурное развитие средств информа-
ционно-вычислительной техники оказывает сильное психологи-
ческое давление на преподавателей и разработчиков учебных
программ, вынуждая и/или заставляя их использовать в первую
очередь технические достижения, а не методические находки.
Так, это может иметь место при использовании таких совре-
менных средств, как гипертексты и мультисреды. Из положений,
изложенных выше, следует, что эти средства могут использо-
ваться и как системы первого и как системы второго класса.
При этом известен подход к развитию гипертекста не с точки
зрения наращивания его технических возможностей (чему чаще
всего уделяется внимание в технологиях мультимедиа), а с точки
зрения усиления его интеллектуальных и партнерских качеств.
364
Приложения
Такие гипертексты считаются интеллектуальными. В этом случае
с их помощью преподаватель должен иметь возможность:
• идентифицировать проблему обучения (фрагмент предмета,
курса) или ограничить область информационных потреб-
ностей обучающегося;
• отобрать из гипертекста подмножество конкретных узлов,
содержание которых соответствует информационным по-
требностям обучающегося либо является полезным при по-
иске решения какой-либо задачи;
• во множестве узлов выделить несколько основных, вспомо-
гательных, детализирующих уровней, и решать проблему
их оформления;
• снабдить отобранные узлы необходимыми связями, отсекая
ненужные в данном контексте.
Вариант классификации ПАК по диктатической направлен-
ности в вузах выбирается исходя из спецификации и достигнуто-
го уровня информатизации учебного процесса.
Классификация по способу программной реализации. По спо-
собу программной реализации программно-аппаратные ком-
плексы можно разделить на три класса.
1. Созданные с помощью прямого программирования на
языке высокого уровня.
2. Созданные с использованием средств объектного програм-
мирования.
3. Созданные с помощью инструментальных авторских сис-
тем (ИАС).
Указанное деление также не является достаточно строгим,
так как большинство авторских оболочек имеет выход в среду
прямого программирования. Это объясняется тем, что универ-
сальные, а тем более специализированные инструментальные
оболочки обычно не реализуют многие функции, необходимые
для создания образовательных программно-аппаратных ком-
плексов по типу процедурной реализации дидактической состав-
ляющей. Например, они не имеют средств для математического
моделирования объектов.
Обычно дидактические особенности, например программи-
рование деловых игр и ситуаций, осуществляются подключени-
ем внешних исполняемых модулей с наличием или отсутствием
одно- или двухсторонней передачи данных. В качестве языков
программирования для выходов во внешнюю среду чаще всего
использовались: C++, Pascal и Prolog.
2. Программно-аппаратные комплексы в образовании
365
Последние достижения в программном обеспечении позво-
ляют перейти к использованию элементов объектно-ориентиро-
ванного программирования (например, с использованием язы-
ков, входящих в программный продукт Microsoft Visual Studio).
Классификация по принципам организации процесса обучения.
В данной классификации инструментальные авторские системы
разделяются на традиционные и интеллектуальные.
Традиционные ИАС в зависимости от наличия в них тех или
иных функциональных возможностей целесообразно разделять
на универсальные и специализированные.
Интеллектуальные ИАС опираются на последние достижения
в области искусственного интеллекта и являются, безусловно,
передовыми для разработки прикладных компьютерных учебных
программ (КУП), нацеленных на проблемно-ориентированный
подход к обучению.
В настоящее время существуют десятки как зарубежных, так
и отечественных универсальных ИАС. В последние годы в связи
с развитием технических возможностей для создания програм-
мно-аппаратных комплексов на основе технологий мультимедиа
к функциональным возможностям универсальных ИАС добави-
лись звуковое сопровождение и поддержка видеоизображения.
Анализ современного состояния компьютерных информаци-
онных технологий в высшей школе показывает, что с появлени-
ем персональных компьютеров начали появляться тестирующие
и контролирующие программы, поддерживающие традиционные
технологии обучения в первую очередь в области естественно-
научных дисциплин, где методики обучения носят исторически
устоявшийся характер. Затем с развитием технических возмож-
ностей персональных компьютеров КУП стали оснащаться воз-
можностями моделирования.
Для организации последовательных действий и выбора
средств проектирования, которые стремятся достичь заданной
цели, используются CASE-средства (средства, автоматизирующие
процесс анализа, проектирования и сопровождения програм-
мных систем).
Современные CASE-системы классифицируются по следую-
щим признакам:
• средства анализа и проектирования (BPwin, Silverrun, Oracle
Designer, Rational Rose, Paradigm Plus, Power Designer, Sys-
tem Architect);
366
Приложения
• средства проектирования баз данных (имеются в составе та-
ких CASE-средств, как Silverrun, Oracle Designer, Paradigm
Plus, Power Designer. Наиболее известным средством, ори-
ентированным только на проектирование БД, является
ERwin);
• средства управления требованиями (RequisitePro, DOORS —
Dynamic Object-Oriented Requirements System — динамиче-
ская объектно-ориентированная система управления тре-
бованиями);
• средства управления конфигурацией ПО (PVCS, ClearCase
и др.);
• средства документирования (SoDA — Software Document
Automation — автоматизированное документирование ПО);
• средства тестирования (Rational Suite TestStudio);
• средства управления проектом (Open Plan Professional, Micro-
soft Project 98 и др.);
• средства реверсного инжениринга, предназначенные для пе-
реноса существующей системы ПО в новую среду. Средст-
ва анализа схем БД и формирования ERD входят в состав
таких CASE-средств, как Silverrun, Oracle Designer, Power
Designer, ERwin. Анализаторы программных кодов имеются
в составе систем Rational Rose и Paradigm Plus;
• средства анализа и проектирования. Средства этой группы
используются для создания спецификаций системы и ее
проектирования: они поддерживают широко известные ме-
тодологии проектирования. К таким средствам относятся:
The Developer (Asyst Technologies), Design Generator (Com-
puter Sciences), Pose (Computer Systems Advises), Analisi/
Designer (Jour-don) и т. п.;
• средства проектирования баз данных и файлов. Средства
обеспечивают логическое моделирование данных, генера-
цию схем БД и описание форматов файлов: PowerDesigner,
Idef/Leverage. Chen Toolkit, Case+Designer (Orale) и т. п.;
• средства программирования. Средства поддерживают шаги
программирования и тестирования, а также автоматическую
кодогенерацию из спецификаций, получая полностью доку-
ментированную выполняемую программу: Cobol 2/Work-
bench (Miero Focus), Decase (DEC), Netron/Cap (Netron)
и т. n.;
• средства сопровождения и реинжениринга. К таким средствам
относятся документаторы, анализаторы программ (средства
2. Программно-аппаратные комплексы в образовании 367
реструктурирования и обратной инженерии: Adpac Case
Tools (Adpac), Superstructure (Computer Data Systems)) и т. п.;
• средства окружения. Средства, поддерживающие платфор-
мы для интеграции, создания и придания товарного вида
CASE-средствам: Multi/Cum (ACiS Management Systems),
Sylvia Foondey (Codinare);
• средства управления проектом. Средства, поддерживающие
планирование, контроль, руководство, взаимодействие, т. е.
функции, необходимые в процессе разработки и сопровожде-
ния проектов: Project Workbench (Applied Business Technology).
На сегодняшний день российский рынок программного
обеспечения располагает практически всеми перечисленными
выше средствами.
В таблице приведены наиболее популярные CASE-средства
проектирования ИС.
Таблица. Наиболее популярные CASE-средства
CASE-система Производитель Адрес сайта производителя
Designer 2000 Oracle http://www.oracle.com/
ERwin/BPwin PowerDesigner Computer Associates Sybase http://www.cai.com/ http://www.sybase.com/
ER/Studio Embarcadero http://www.embarcadero.com/
System Architect Popkin Software http://www.popkin.com/
Visible Analyst Visible Systems http://www.visible.com/
Visio Enterprise Microsoft http://www.microsoft.com/
Многие из этих продуктов предназначены для решения раз-
нообразных задач, например моделирования потоков данных или
бизнес-процессов, функционального моделирования, проектиро-
вания данных, прототипирования приложений, их документиро-
вания, управления проектами и т. д.
3. Компьютерные вирусы
Компьютерные вирусы появились приблизительно в начале
1980-х гт., но сам термин «компьютерный вирус» был впервые
употреблен только в 1984 г. — на конференции по безопасности
информации, проходившей в США. Количество вирусов увели-
чивается с каждым годом: в 1990 г. было известно 500 вирусов,
в 1992 г. - 1500, в 1994 г. - 4000, в 1996 г. - 8000, в 1998 г. -
15 000, а в 2008 г. - 35 000.
В середине 1980-х гг. появились первые вирусы под операци-
онной системой MS-DOS, в 1992 г. — появление вирусов под
ОС Windows, в 1993 г. — вирусы под OS/2, в 1995 г. — появление
вируса под Microsoft Word, в 1996 г. — первый вирус под ОС
Windows 95. Количество компьютеров растет с каждым годом, и
возрастает угроза нашествия вирусов.
Сегодня уже можно сказать, что уровень опасности от
DOS-вирусов постепенно падает, поскольку практически все ПК
переходят на программное обеспечение, рассчитанное на новые
операционные системы — Windows 2000/2003/XP/NT, OS/2 или
разновидности Unix. В «экологическую нишу», которую раньше
занимали DOS вирусы, активно вторгаются сотни макровирусов.
Сущность и проявление компьютерных вирусов. Массовое при-
менение персональных компьютеров, к сожалению, оказалось
связанным с появлением самовоспроизводящихся программ-ви-
русов, препятствующих нормальной работе компьютера, разру-
шающих файловую структуру дисков и наносящих ущерб храни-
мой в компьютере информации. Проникнув в один компьютер,
компьютерный вирус способен распространиться на другие ком-
пьютеры.
Компьютерным вирусом называется специально написанная
программа, способная самопроизвольно присоединяться к дру-
гим программам, создавать свои копии и внедрять их в файлы,
системные области компьютера и в вычислительные сети с це-
лью нарушения работы программ, порчи файлов и каталогов,
создания всевозможных помех в работе на компьютере.
3. Компьютерные вирусы
369
Причины появления и распространения компьютерных ви-
русов, с одной стороны, скрываются в психологии человеческой
личности и ее теневых сторонах (зависти, мести, тщеславии не-
признанных творцов, невозможности конструктивно применить
свои способности), а с другой стороны, обусловлены отсутстви-
ем аппаратных средств защиты и противодействия со стороны
операционной системы персонального компьютера.
Несмотря на принятые во многих странах законы о борьбе с
компьютерными преступлениями и разработку специальных
программных средств зашиты от вирусов, количество новых
программных вирусов постоянно растет. Это требует от пользо-
вателя персонального компьютера знаний о природе вирусов,
способах заражения вирусами и защиты от них.
Основные пути проникновения вирусов в компьютер —
съемные диски (гибкие и лазерные), а также компьютерные сети.
Заражение жесткого диска вирусами может произойти при за-
грузке компьютера с дискеты, содержащей вирус. Такое зараже-
ние может быть и случайным, например, если дискету не вынули
из дисковода А: и перезагрузили компьютер, при этом дискета
может и не быть системной. Заразить дискету гораздо проще, так
как на нее вирус может попасть, даже если дискету просто вста-
вили в дисковод зараженного компьютера и, например, прочита-
ли ее оглавление.
Зараженный диск — это диск, в загрузочном секторе которого
находится программа-вирус. После запуска программы, содер-
жащей вирус, становится возможным заражение других файлов.
Наиболее часто вирусом заражаются загрузочный сектор диска и
исполняемые файлы, имеющие расширения exe, com, sys или
bat. Крайне редко заражаются текстовые и графические файлы.
Зараженная программа — это программа, содержащая вне-
дренную в нее программу-вирус. При заражении компьютера
вирусом очень важно своевременно его обнаружить. Для этого
следует знать об основных признаках проявления вирусов, к ко-
торым относятся:
• прекращение работы или неправильная работа ранее ус-
пешно функционировавших программ;
• медленная работа компьютера;
• невозможность загрузки операционной системы;
• исчезновение файлов и каталогов или искажение их содер-
жимого;
• изменение даты и времени модификации файлов;
370
Приложения
• изменение размеров файлов;
• неожиданное значительное увеличение количества файлов
на диске;
• существенное уменьшение размера свободной оперативной
памяти;
• вывод на экран непредусмотренных сообщений или изо-
бражений;
• подача непредусмотренных звуковых сигналов;
• частые зависания и сбои в работе компьютера.
Следует заметить, что вышеперечисленные признаки необя-
зательно вызываются присутствием вируса, а могут быть следст-
вием других причин, поэтому правильная диагностика состоя-
ния компьютера всегда затруднена.
Для борьбы с компьютерными вирусами используются ком-
плексы организационных, технологических, программных и ап-
паратных (технических) мер и средств.
К аппаратным средствам защиты относятся различные элек-
тронные, электронно-механические и электронно-оптические
устройства. К настоящему времени разработано значительное
число аппаратных средств различного назначения:
• специальные регистры для хранения реквизитов защиты:
паролей, идентифицирующих кодов, грифов или уровней
секретности;
• генераторы кодов, предназначенные для автоматического
генерирования идентифицирующего кода устройства;
• устройства измерения индивидуальных характеристик че-
ловека (голоса, отпечатков) с целью его идентификации;
• специальные биты секретности, значение которых опреде-
ляет уровень секретности информации, хранимой в запо-
минающем устройстве;
• схемы прерывания передачи информации в линии связи с
целью периодической проверки адреса выдачи данных.
К программным средствам защиты относятся специальные
программы, которые предназначены для выполнения функций
защиты и включаются в состав программного обеспечения сис-
тем обработки данных. Программная зашита является наиболее
распространенным видом защиты, чему способствуют такие по-
ложительные свойства данного средства, как универсальность,
гибкость, простота реализации, практически неограниченные
возможности изменения и развития и т. п.
3. Компьютерные вирусы
371
Антивирусные программы — это класс программ, предназна-
ченных для борьбы с компьютерными вирусами и последствиями
их действия. В зависимости от назначения и принципа действия
различают антивирусные программы:
• «-сторожа» или «детекторы» — предназначенные для обна-
ружения файлов, зараженных известными вирусами, или
признаков, указывающих на возможность заражения;
• «фаги» {«полифаги»), или «доктора» — предназначенные
для обнаружения и устранения известных им вирусов;
• «ревизоры» — контролирующие уязвимые и наиболее часто
атакуемые вирусами компоненты памяти ЭВМ и способ-
ные в случае обнаружения изменений в файлах и систем-
ных областях дисков вернуть их в исходное состояние;
• «резидентные мониторы», или «фильтры», — резидентно
располагающиеся в оперативной памяти и перехватываю-
щие обращения к операционной системе, которые исполь-
зуются вирусами для размножения и нанесения вреда, с
целью предоставления пользователю возможности приня-
тия решения на запрет выполнения соответствующих опе-
раций;
• «комплексные» — выполняющие функции нескольких пере-
численных выше антивирусных программ.
Программы-детекторы осуществляют поиск характерной для
конкретного вируса последовательности байтов (сигнатуры ви-
руса) в оперативной памяти и в файлах и при обнаружении вы-
дают соответствующее сообщение.
Вакцины или иммунизаторы — это резидентные программы,
предотвращающие заражение файлов. Вакцины применяют, если
отсутствуют программы-доктора, «лечащие» этот вирус. Вакцина
модифицирует программу или диск таким образом, чтобы это не
отражалось на его работе, а вирус будет воспринимать их зара-
женным и поэтому не внедрится. Своевременное обнаружение
зараженных вирусами файлов и дисков, полное уничтожение об-
наруженных вирусов на каждом компьютере позволяют избежать
распространения вирусной эпидемии на другие компьютеры.
Основные типы вирусов. В настоящее время известно более
35 тыс. программных вирусов, которые можно классифициро-
вать по нескольким признакам (рис.).
В зависимости от среды обитания вирусы можно разделить
на сетевые, файловые, загрузочные и файлово-загрузочные.
372
Приложения
Рис. Классификация компьютерных вирусов: а — по среде обитания;
б — по способу заражения; в — по степени воздействия; г — по особенностям
алгоритмов
Сетевые вирусы распространяются по различным компью-
терным сетям. Файловые вирусы внедряются главным образом в
исполняемые модули, т. е. в файлы, имеющие расширения .сот
и .ехе. Файловые вирусы могут внедряться и в другие типы фай-
лов, но, как правило, записанные в таких файлах, они никогда не
получают управление и теряют способность к размножению.
Загрузочные вирусы внедряются в загрузочный сектор диска
или в сектор, содержащий программу загрузки системного дис-
ка. Файлово-загрузочные вирусы заражают как файлы, так и за-
грузочные сектора дисков.
По способу заражения вирусы делятся на резидентные и не-
резидентные.
Резидентный вирус при заражении (инфицировании) компь-
ютера оставляет в оперативной памяти свою резидентную часть,
которая потом перехватывает обращение операционной системы
к объектам заражения (файлам, загрузочным секторам дисков
и т. п.) и внедряется в них. Резидентные вирусы находятся в па-
мяти и являются активными вплоть до выключения или переза-
грузки компьютера. Нерезидентные вирусы не заражают память
компьютера и являются активными ограниченное время.
По степени воздействия вирусы можно разделить на следую-
щие виды:
• неопасные, нс мешающие работе компьютера, но умень-
шающие объем свободной оперативной памяти и памяти
3. Компьютерные вирусы
373
на дисках, действие таких вирусов проявляется в каких-ли-
бо графических или звуковых эффектах;
• опасные вирусы, приводящие к различным нарушениям в
работе компьютера;
• очень опасные, воздействие которых может привести к по-
тере программ, уничтожению данных, стиранию информа-
ции в системных областях диска.
В силу особенностей алгоритма вирусы трудно классифици-
ровать из-за большого разнообразия. Простейшие вирусы — па-
разитические, они изменяют содержимое файлов и секторов дис-
ка и могут быть достаточно легко обнаружены и уничтожены.
Можно отметить вирусы-репликаторы, называемые червями, ко-
торые распространяются по компьютерным сетям, вычисляют
адреса сетевых компьютеров и записывают по этим адресам свои
копии.
Известны вирусы-невидимки, называемые стелс-вирусами,
которые очень трудно обнаружить и обезвредить, так как они пе-
рехватывают обращения операционной системы к пораженным
файлам и секторам дисков и подставляют вместо своего тела не-
зараженные участки диска. Наиболее трудно обнаружить виру-
сы-мутанты, содержащие алгоритмы шифровки-расшифровки,
благодаря которым копии одного и того же вируса не имеют ни
одной повторяющейся цепочки байтов. Имеются и так называе-
мые квазивирусные или «троянские» программы, которые хотя и
не способны к самораспространению, но очень опасны, так как,
маскируясь под полезную программу, разрушают загрузочный
сектор и файловую систему дисков.
Основные меры защиты от вирусов. Для того чтобы не под-
вергнуть компьютер заражению вирусами и обеспечить надеж-
ное хранение информации на дисках, необходимо соблюдать
следующие правила:
• оснастите свой компьютер современными антивирусными
программами и постоянно обновляйте их версии;
• перед считыванием с дискет информации, записанной на
других компьютерах, всегда проверяйте эти дискеты на на-
личие вирусов, запуская антивирусные программы компь-
ютера;
• при переносе на компьютер файлов в архивированном виде
проверяйте их сразу же после разархивации на жестком
диске, ограничивая область проверки только вновь запи-
санными файлами;
374
Приложения
• периодически проверяйте на наличие вирусов жесткие дис-
ки компьютера, запуская антивирусные программы для тес-
тирования файлов, памяти и системных областей дисков с
защищенной от записи дискеты, предварительно загрузив
операционную систему также с защищенной от записи сис-
темной дискетой;
• всегда защищайте дискеты от записи при работе на других
компьютерах, если на них не будет производиться запись
информации;
• обязательно делайте архивные копии ценной информации
на дискетах;
• не оставляйте в кармане дисковода А: дискеты при включе-
нии или перезагрузке операционной системы, чтобы ис-
ключить заражение компьютера загрузочными вирусами;
• используйте антивирусные программы для входного кон-
троля всех исполняемых файлов, получаемых из компью-
терных сетей;
• для обеспечения безопасности применяйте антивирусные
программы.
Основные компании, выпускающие антивирусные программы.
Антивирусный комплект АО «Диалог-Наука». Среди современ-
ных программных средств борьбы с компьютерными вирусами
особое место занимает антивирусный комплект акционерного
общества «Диалог-Наука», в который входят четыре програм-
мных продукта: Aidstest и Doctor Web (сокращенно Dr.Web), ре-
визор диска ADinf и восстанавливающий блок ADinfCure Module.
Программа Aidstest — это программа, которая обнаруживает
и уничтожает более 1300 компьютерных вирусов, получивших
наиболее широкое распространение в России. Версии Aidstest
регулярно обновляются и пополняются информацией о новых
вирусах.
Компания Dr.Web предлагает антивирусные программы для
зашиты персональных компьютеров. Высокоэффективное реше-
ние Dr.Web для Windows — Антивирус + Антиспам обеспечивает
комплексную защиту рабочих станций от вирусов и нежелатель-
ной корреспонденции (спама). В состав традиционного антиви-
русного пакета Dr.Web для Windows включен обновленный мо-
дуль со встроенным спам-фильтром.
Антивирус-ревизор диска ADinf позволяет обнаружить появле-
ние любого вируса, включая стслс-вирусы, вирусы-мутанты и
неизвестные на сегодняшний день вирусы. Программа запоми-
3. Компьютерные вирусы
375
нает: информацию о загрузочных секторах, информацию о сбой-
ных кластерах, длину и контрольные суммы файлов, дату и вре-
мя создания файлов.
На протяжении всей работы компьютера программа ADinf
следит за сохранностью указанных характеристик, перекрывая
все возможные пути для внедрения вируса в систему. ADinf про-
веряет диски, читая их по секторам прямьш обращением в BIOS.
Благодаря такому способу проверки ADinf обнаруживает маски-
рующиеся стелс-вирусы и обеспечивает высокую скорость про-
верки диска.
Лечащий блок ADinfCure Module — это программа, которая
помогает «вылечить» компьютер от нового вируса, не дожидаясь
свежих версий полифагов Aidstest или Dr. Web, которым этот ви-
рус будет известен. Программа ADinfCure Module учитывает,
что, несмотря на огромное разнообразие вирусов, существует со-
всем немного методов их внедрения в файлы. Блок анализирует
эти файлы и записывает в специальные таблицы информацию,
которая может потребоваться для восстановления файла при за-
ражении вирусом. Если заражение произошло, то программа за-
метит изменения и снова вызовет ADinfCure Module, который на
основе анализа зараженного файла и сопоставления его с запи-
санной информацией попытается восстановить исходное состоя-
ние файла.
Компания F-Secure имеет высокотехнологичную лаборато-
рию, где ежедневно фиксируется более 10 новых вирусов.
F-Secure является единственной компанией, которая использует
сразу три технологии сканирования: F-Secure Libra, F-Secure AVP
и F-Secure Orion. Программа F-Secure Internet Security 2008 обес-
печивает полноценную и простую в использовании защиту от
всех интернет-угроз, как известных, так и только что появивших-
ся. Она включает в себя усовершенствованную службу защиты от
шпионского программного обеспечения и новую технологию, ко-
торая постоянно отслеживает все, что происходит в компьютер-
ной системе.
Корпорация Trend Micro делает акцент на средствах предот-
вращения вспышек инфекций сетевых червей и вирусов, контро-
ля их развития на всех этапах и сокращения влияния этой угрозы
на производительность ПК. Программа Trend Micro OfficeScan
Client Edition представляет собой интегрированное клиентское
решение, обеспечивающее защиту корпоративной сети от виру-
сов, «троянских коней», червей, атак хакеров и сетевых вирусов, а
376
Приложения
также «шпионских» программ и атак с несколькими угрозами.
Программа обеспечивает безопасность настольных компьютеров
и ноутбуков. Программа Trend Micro PC-cillin Internet Security
2006 (v.14) объединяет самую совершенную систему антивирус-
ной безопасности, обнаруживает и удаляет «шпионские» про-
граммы и блокирует спам.
Лаборатория Касперского — самый известный в России про-
изводитель систем защиты от вирусов, спама и хакерских атак,
партнерская сеть которого объединяет свыше 500 компаний бо-
лее чем в 60 странах мира.
На российском рынке программного обеспечения наиболь-
шую популярность завоевал пакет AVP, разработанный лаборато-
рией антивирусных систем Касперского. Программа Kaspersky
Work Space Security предназначена для централизованной защиты
рабочих станций в корпоративной сети и за ее пределами от всех
видов современных интернет-угроз: вирусов, шпионских про-
грамм, хакерских атак и спама. Программа Kaspersky Internet
Security 7.0 используется для комплексной защиты ПК от вирусов
и всех других типов вредоносных программ, а также от хакерских
атак и спама.
Корпорация Symantec занимает ведущие позиции в мире по
числу продаж антивирусных программ в розничной торговле.
Программа Norton Antivirus (NAV) 2007 (Norton Internet Security)
обеспечивает защиту компьютера от вирусов, червей и про-
грамм-шпионов с помощью антивирусного средства и обновля-
ется автоматически.
Компания Eset Software занимается исследовательской дея-
тельностью и разработкой программного обеспечения в области
компьютерной безопасности. Продукт Eset Software, програм-
мное обеспечение Eset NOD32, на сегодняшний день обладает
самым большим на рынке числом на1рад. Про1рамма NOD32
Standard — это комплексный антивирусный продукт, обеспечи-
вающий надежную и эффективную защиту не только от вирусов,
но и от других угроз, включая троянские программы и черви.
4. Программное обеспечение локальных сетей
После подключения компьютеров к сети необходимо устано-
вить на них специальное сетевое программное обеспечение. Су-
ществует два подхода к организации сетевого программного
обеспечения: сети с централизованным управлением и одноран-
говые сети.
В сети с централизованным управлением выделяется одна или
несколько машин, управляющих обменом данными по сети. Дис-
ки выделенных машин, которые называются файл-серверами,
доступны всем остальным компьютерам сети. На файл-серверах
должна работать специальная сетевая операционная система.
Обычно это мультизадачная ОС, использующая защищенный ре-
жим работы процессора. Остальные компьютеры называются ра-
бочими станциями. Рабочие станции имеют доступ к дискам
файл-сервера и совместно используемым принтерам. С рабочей
станции нельзя работать с дисками других рабочих станций. С од-
ной стороны, это хорошо, так как пользователи изолированы друг
от друга и не могут случайно повредить чужие данные, а с другой
стороны, для обмена данными пользователи вынуждены исполь-
зовать диски файл-сервера, создавая для него дополнительную
нагрузку.
Есть, однако, специальные программы, работающие в сети с
централизованным управлением и позволяющие передавать дан-
ные непосредственно от одной рабочей станции к другой минуя
файл-сервер. Например, после запуска программы NetLink на
двух рабочих станциях можно передавать файлы с одной стан-
ции на диск другой. На рабочих станциях должно быть установ-
лено специальное программное обеспечение, часто называемое
сетевой оболочкой. Это обеспечение работает в среде той ОС,
которая используется на данной рабочей станции. Файл-серверы
могут быть выделенными или невыделенными. В первом случае
файл-сервер не может использоваться как рабочая станция и вы-
полняет только задачи управления сетью. Во втором случае па-
раллельно с задачей управления сетью файл-сервер выполняет
обычные пользовательские программы. Однако при этом снижа-
378
Приложения
ется производительность файл-сервера и надежность работы
всей сети в целом, так как ошибка в пользовательской програм-
ме, запущенной на файл-сервере, может привести к остановке
работы всей сети. Поэтому не рекомендуется использовать не-
выделенные файл-серверы, особенно в ответственных случаях.
Существуют различные сетевые ОС, ориентированные на сети с
централизованным управлением.
Одноранговые сети не содержат в своем составе выделенных
серверов. Функции управления сетью передаются по очереди от
одной рабочей станции к другой. Как правило, рабочие станции
имеют доступ к дискам (и принтерам) других рабочих станций.
Такой подход облегчает совместную работу групп пользователей,
но в целом производительность сети может понизиться.
Одно из достоинств одноранговых сетей — простота обслу-
живания. Если для обслуживания сети на базе Novell NetWare,
как правило, требуется системный администратор, то для под-
держания работоспособности одноранговой сети не требуется
специально выделенный сотрудник.
Наиболее распространены такие одноранговые сети, как
Artisoft LANtastic, LANsmart компании D-Link Systems, Invisible
Software NET-30 и Web NOS компании Webcorp.
Novell NetWare 386 версии 3.11. Данная сетевая операцион-
ная система представляет собой 32-разрядную многозадачную
операционную систему реального времени. Novell NetWare
386 — сетевая ОС с централизованным управлением, т. е. в сети
один или несколько компьютеров используются в качестве
файл-серверов. На этих компьютерах работает ОС NetWare 386.
Остальные компьютеры используются в качестве рабочих стан-
ций, и на них должна быть загружена сетевая оболочка — спе-
циальная компонента NetWare для рабочих станций. Общее ко-
личество рабочих станций, подключенных к одному серверу,
может достигать 250. Nowell NetWare работает с аппаратурой че-
рез драйверы, имеется возможность динамической загрузки
драйверов дисковых устройств и сетевых адаптеров. Кроме
драйверов можно загружать и сразу запускать программы, вы-
полняющие те или иные функции для обслуживания сервера и
сети. Много таких программ будут работать параллельно в муль-
тизадачном режиме.
Мосты. При работе большого количества рабочих станций с
одним файл-сервером производительность такой сети может ока-
заться невысокой. Это связано с тем, что на сервере стоит
4. Программное обеспечение локальных сетей
379
один-два диска и для удовлетворения большого количества за-
просов потребуются многочисленные перемещения блока голо-
вок. Увеличение размера расширенной памяти, установленной на
файл-сервере, может в некоторой степени улучшить ситуацию.
Однако такое решение стоит дорого и не всегда приводит к же-
лаемому результату. Поэтому может возникнуть необходимость
установить второй файл-сервер. Сеть с двумя файл-серверами бу-
дет работать быстрее, так как теперь будет не только большее ко-
личество дисков, но и два дисковых контроллера вместо одного, а
также два процессора.
Иногда выгодно полностью разделить сети, снабдив каждую
отдельным файл-сервером. Для связи отдельных сетей в единую
сеть можно использовать так называемые мосты. С помощью мос-
та можно объединить даже сети, использующие разные методы
доступа, например Ethernet, Arcnet и Token-Ring.
Мосты бывают внутренние и внешние. Внутренний мост ор-
ганизуется следующим образом: в один файл-сервер вставляется
несколько сетевых адаптеров. К каждому сетевому адаптеру под-
ключается свой сегмент сети. При объединении сетей с разными
методами доступа необходимо для каждого метода установить
свой адаптер и загрузить несколько драйверов — для каждого се-
тевого адаптера свой. Внешний мост требует отдельного компь-
ютера, который должен иметь несколько сетевых адаптеров (по
одному для каждой из объединяемых сетей) и запускаться спе-
циальным программным обеспечением моста.
Транзакции. Транзакцией называется совокупность трех дей-
ствий: чтение данных, обработка данных и запись данных.
Применительно к файл-серверу транзакцией можно считать
процесс изменения файла на сервере, когда рабочая станция сна-
чала читает файл или его часть, а затем записывает информацию в
этот же файл. В многопользовательской среде, к которой можно
отнести локальную сеть, каждый пользователь может независимо
от другого модифицировать одни и те же данные, хранящиеся на
файл-сервере. Если во время такой модификации произойдет «за-
висание» сети или аварийное отключение электропитания, изме-
няемые на сервере файлы могут быть разрушены. Для повышения
надежности ОС Novell NetWare 386 содержит специальную систе-
му прослеживания транзакций ITS (Transaction Tracking System),
которая следит за транзакциями и в случае аварии сервера при
повторном его запуске ликвидирует вес действия, выполненные
незавершенной транзакцией (так называемый откат транзакции).
380
Приложения
Зеркальные диски. Для исключения ущерба, связанного с воз-
можным повреждением диска, в ответственных случаях исполь-
зуют резервирование дисков. Для резервирования дисков к од-
ному дисковому контроллеру подключают два совершенно оди-
наковых винчестера и соответствующим образом настраивают
ОС NetWare 386. После этого вся информация, записываемая на
основной диск, будет дублироваться на втором, называемом зер-
кальным. В случае повреждения основного диска можно выпол-
нить полное восстановление данных с зеркального диска с по-
мощью специальной процедуры восстановления. Дополнительно
используется так называемое горячее резервирование дорожек
диска (Hot Fix). На диске выделяется область горячего резерви-
рования. Если в процессе работы на диске обнаруживается де-
фектная дорожка, она динамически заменяется дорожкой из об-
ласти резервирования.
При использовании зеркального диска есть вероятность по-
вреждения единых для обоих дисков канала, контроллера и блока
питания. В этом случае возникает необходимость резервирова-
ния каналов целиком, с применением двух контроллеров, к кото-
рым соответственно подключены два диска. Для питания этих
контроллеров и дисков используются два блока питания.
Оглавление
Предисловие .......................................... 3
Глава 1. ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ ЭВМ ............................................6
1.1. История развития вычислительной техники....... 8
1.1.1. Классификация компьютеров .............. 22
1.2. Измерение количества информации.............. 38
1.2.1. Кодирование информации...................40
1.2.2. Цифровое представление изображений ......49
1.2.3. Цифровое представление звука ........... 51
1.2.4. Сжатие данных .......................... 52
1.2.5. Мера уменьшения неопределенности знания..56
1.3. Элементы математической логики .............. 61
1.3.1. Логические операции......................62
1.3.2. Законы математической логики.............67
1.3.3. Логические основы ЭВМ....................74
1.3.4. Логический синтез вычислительных схем ...77
1.3.5. Представление логической функции
в виде графа .................................. 86
1.4. Системы счисления ............................ 87
1.4.1. Двоичная арифметика ................... 104
1.4.2. Прямой и обратный коды ................ 109
1.4.3. Примеры двоичного кодирования информации . . 112
1.4.4. Экономичность системы счисления........ 117
Глава 2. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ................... 122
2.1. Магистрально-модульный принцип
организации ЭВМ................................... 123
2.2. Классификации архитектур вычислительных систем ... 134
2.3. Программный принцип управления компьютером .... 141
2.4. Устройства хранения информации ............. 156
382
Оглавление
2.5. Периферийные и внутренние устройства ........ 166
2.6. Устройства ввода-вывода ..................... 173
2.7. Рекомендации по выбору компьютера.............200
Глава 3. МИКРОПРОЦЕССОРЫ ........................... 205
3.1. Команды микропроцессора...................... 216
3.1.1. Регистры .............................. 229
3.1.2. Адреса ячеек памяти ................... 230
3.2. Параллелизм вычислений....................... 231
3.3. Конвейеризация вычислений ................... 235
3.4. Мультипрограммный режим работы ЭВМ........... 243
3.4.1. Кодирование команд переходов........... 251
Глава 4. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ ......................... 257
4.1. Архитектура сетей............................ 260
4.2. Классификация вычислительных сетей........... 267
4.2.1. Компоненты локальной вычислительной сети . . . 272
4.3. Классификация программных средств............ 273
4.3.1. Классификация программного обеспечения.. 274
4.4. Архитектура операционных систем.............. 280
4.4.1. Функции операционной системы........... 288
4.4.2. Характеристики операционных систем..... 290
4.4.3. Структура файловой системы............. 300
4.5. Интернет .................................... 306
4.5.1. Структура WWW ......................... 308
4.5.2. Работа в сети Интернет ................ 314
4.5.3. Поиск информации в Интернете........... 317
4.6. Сервис 1CQ .................................. 329
4.6.1. Ненужная почта (spam) ................. 332
Заключение.......................................... 337
Литература.......................................... 339
Глоссарий........................................... 341
Приложения
Перспективы развития ЭВМ...........................353
Программно-аппаратные комплексы в образовании .....360
Компьютерные вирусы .............................. 368
Программное обеспечение локальных сетей .......... 377
По вопросам приобретения книг обращайтесь:
Отдел продаж «ИНФРА-М» (оптовая продажа):
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел. (495) 280-33-86 (доб. 218, 222)
E-mail: bookware@infra-m.ru
•
Отдел «Книга—почтой»:
тел. (495) 280-33-86 (доб. 222)
ФЗ Издание не подлежит маркировке
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11
Учебное издание
Колдаев Виктор Дмитриевич,
Лупин Сергей Андреевич
АРХИТЕКТУРА ЭВМ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ООО «Издательский дом ФОРУМ»
127247, Москва, ул. Софьи Ковалевской, д. 1, стр. 51
E-mail: forum2-book@yandex.ru
Тел.: (495) 280-15-96
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. I
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ni http://www.infra-m.ru
Подписано в печать 29.06.2022.
Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times.
Печать цифровая. Усл. печ. л. 23,94.
ППТ50. Заказ № 00000
ТК 100600-1896460-170713
Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29