Организация управления периферийными устройствамиСистема прерывания программ
Вычислительные машины, помимо процессора и основной памяти, содержат многочисленные периферийные устройства, состоящие из внешних запоминающих устройств, устройств ввода - вывода и терминальных устройств пользователей. Между центральными и периферийными устройствами организуется обмен данными. При этом передача данных от любых ПУ в центральные устройства называется операцией ввода, а от центральных устройств в периферийные - операцией вывода. Продолжительность этих операций относительно велика ввиду невысокой скорости работы большинства ПУ.
Производительность и эффективность современных ЭВМ определяются не только возможностями процессора и основной памяти, но и составом и техническими характеристиками ПУ, а также способами организации их совместной работы. Такая организация формируется системой ввода - вывода, которая должна обеспечивать:
- возможность построения вычислительных машин с переменным составом периферийных устройств в зависимости от их назначения; - перекрытие в выполнение процессором рабочих программ, а периферийными устройствами - процедур ввода - вывода; - независимость программирования ввода - вывода от особенностей того или иного ПУ.
Центральное место в системе ввода - вывода занимает интерфейс ввода - вывода, который системно и комплексно определяет необходимые для обмена линии и шины, электрические сигналы, электронные схемы, алгоритмы и программы. Особенно важной характеристикой интерфейса является пропускная способность, оцениваемая максимально возможным количеством информации, передаваемым через интерфейс в единицу времени.
Принципы и структура организации систем ввода - вывода существенно различаются в зависимости от типа ЭВМ и ее назначения, разнообразия характеристик периферийных устройств, интенсивности операций ввода - вывода. В современных персональных ЭВМ применяется, как было ранее сказано, единая системная магистраль типа "Общая шина (ОШ)", по которой передаются данные, адреса и необходимые управляющие сигналы
182
между соответствующими устройствами.
При этом каждая из пар таких устройств использует системную магистраль поочередно в режиме разделения времени. Устройством, интенсивно участвующем в организации обмена, является центральный микропроцессор, также подключенный к системной магистрали.
В реализации интерфейса с общей шиной используются как технические, так и программные средства.
К техническим средствам интерфейса относятся, в частности, буферные регистры различных устройств ЭВМ, получившие название адресуемых портов, а также специальные блоки управления ПУ (контроллеры), осуществляющие согласование форматов данных, используемых в ПУ, с форматом, принятом для передачи по общей шине (информационная ширина интерфейса). Последний формат обычно соответствует машинному слову микропроцессора и (или) ширине выборки основной памяти.
В числе программных средств интерфейса следует отметить драйверы ПУ - специальные программы, ориентированные на управление периферийными устройствами. Каждому типу ПУ соответствует свой драйвер. Драйверы типовых периферийных устройств образуют базовую систему ввода - вывода (BIOS) в составе операционной системы ЭВМ. Совершенствование интерфейса ввода - вывода ЭВМ идет, главным образом, по пути унификации и стандартизации его технических и программных средств. В результате, применительно к персональным ЭВМ, интерфейс с общей шиной приобрел в настоящее время характер стандартного архитектурного решения.
В интерфейсе с общей шиной сочетается принцип централизации в микропроцессоре основных функций управления обменом данными с широкой децентрализацией этих процессов в контроллерах и драйверах периферийных устройств.
В зависимости от степени участия центрального микропроцессора в организации обмена данными в интерфейсе с общей шиной применяются три способа управления:
- прямой доступ к памяти (ПДП); - обмен данными командами текущей программы микропроцессора; - обмен данными с использованием системы прерывания программ.
Прямой доступ к памяти обеспечивает автономно от микропроцессора передачу данных между ОП и ПУ.
184
команд микропроцессора и с использованием системы прерывания программ. Нередко эти способы объединяются в один, называемый программно - управляемой передачей данных. Действительно, в любом из них управление передачей данных реализуется программными средствами. Разница лишь в том, что инициализация этого процесса в первом случае производится командой текущей программы микропроцессора, а во втором случае - запросом прерывания того или иного ПУ и запуском соответствующей прерывающей программы. При программно - управляемой передаче данных микропроцессор на все время выполнения этой операции отвлекается от выполнения основной программы решения задачи, в результате чего производительность вычислительной машины несколько снижается. По этой причине данный способ передачи обычно применяется для относительно небольших объемов данных, поскольку для каждой единицы передаваемых данных (байт, слово) процессору приходится выполнять довольно много команд, обеспечивающих буферизацию данных, преобразование форматов, подсчет количества переданных данных, формирование адресов в памяти и т.п.
Обмен данными, инициированный командами текущей программы микропроцессора, называют также асинхронным обменом. Дело в том, что эти команды в общем случае совсем не связаны с готовностью того или иного ПУ к обмену. Микропроцессору приходится переходить в режим ожидания до появления сигнала готовности либо переходить к выполнению другой рабочей программы в мультипрограммном режиме.
Обмен по прерываниям, названный синхронным, инициируется соответствующим ПУ путем формирования необходимых запросов. Нужно сказать, что в современных ЭВМ прерывание программ может быть вызвано не только запросами периферийных устройств, но и другими, в том числе внутренними, причинами и ситуациями. Поэтому в ЭВМ обычно формируется общая система прерывания программ.
Возможность прерывания программ - важное архитектурное свойство ЭВМ, позволяющее эффективно использовать производительность процессора для управления и обслуживания несколько протекающих параллельно во времени процессов.
В первую очередь это относится к организации совместной работы процессора и периферийных устройств машины.
Реакция ЭВМ на прерывания состоит в том, что машина прерывает обработку текущей программы и переходит к выполнению другой программы, специально предназначенных для данного типа прерывания. По завершению этой программы ЭВМ переходит к выполнению прерванной программы. Программу, затребованную запросом прерывания, назовем прерывающей, противопоставляя ее прерываемой программе, выполнявшейся ЭВМ до появления запроса.
При наличии нескольких источников запросов прерывания должен быть установлен определенный порядок (дисциплина) в обслуживании поступающих запросов. Другими словами, между запросами и соответствующими прерывающими программами должны быть установлены приоритетные соотношения, определяющие, какой из нескольких поступивших запросов
185
подлежит обработке в первую очередь, и устанавливающие, имеет право или не имеет данный запрос прерывать ту или иную программу.
При организации прерываний важную роль играет слово состояния программы (ССП). В персональных ЭВМ это слово получило название вектора состояния. Вектор состояния формируется в соответствующем регистре (регистрах) микропроцессора, претерпевая изменения после выполнения каждой команды. Вектор состояния содержит всю информацию, достаточную для продолжения выполнения программы с точки, соответствующей моменту формирования данного вектора состояния.
Рис. 8.11. Процедура перехода к прерывающей программе и возврата из нее
На рис. 8.11 показана процедура перехода к прерывающей программе и возврат из нее с использованием слова состояния (или вектора состояния) программ. Каждому классу прерывания отводятся в постоянно
186
распределенной области памяти фиксированные ячейки ОП для хранения "старого" ССП и "нового" ССП.
При выполнении текущей программы ее ССП находится в регистре текущего ССП (РгССП) и участвует в управлении вычислительным процессом, при этом отдельные поля ССП (например, счетчик команд) нужным образом изменяются.
В ячейках "новых" ССП для всех классов прерывания хранятся ССП, содержащие информацию, достаточную для начала выполнения соответствующих прерывающих программ.
При поступлении запроса прерывания данного класса "старое" ССП передается из РгССП в предусмотренную для него ячейку памяти, а на его место в РгССП загружается "новое" ССП. С этого момента управление переходит к прерывающей программе, выполнение которой начинается с запоминания в памяти содержимого регистров микропроцессора. Далее выполняется собственно прерывающая программа, которая начинается с анализа кода прерывания и определения конкретной причины прерывания, а затем запуска подпрограммы обработки прерывания, соответствующей этой причине.
Заключительная часть прерывающей программы восстанавливает сохраненное в ОП содержимое регистров и загружает ССП прерванной программы из ячейки "старою" ССП в РгССП. Управление переходит к прерванной программе.
Для оценки эффективности систем прерывания могут быть использованы различные характеристики и критерии.
Отметим основные из них.
1. Общее число запросов прерывания (входов в систему прерывания).
2. Время реакции tp - время между появлением запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программой, показанное на рис. 8.12. Для одного и того же запроса задержки в исполнении прерывающей программы зависят от того, сколько программ со старшим приоритетом ждут обслуживания. Поэтому время реакции определяют для запросов с наивысшим приоритетом.
187
Рис. 8.12. Упрощенная временная диаграмма процесса прерывания
Обозначения: tp - время реакции; tз - запоминание состояния прерванной программы; tc - собственно прерывающая программа; tв - восстановление состояния прерванной программы
3. Время потерь tп, характеризующее непроизводительные суммарные расходы времени на запоминание (1з) и восстановление (te) состояния прерываемой программы, т.е. tп : = tз + tв (рис. 8.12).
4. Глубина прерывания - максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга.Если после перехода к прерывающей программе и вплоть до ее окончания прием других запросов прерывания запрещается, то говорят, что система имеет глубину прерывания, равную ]. Глубина равна п, если допускается последовательное прерывание до n программ. Глубина прерывания обычно совпадает с числом уровней приоритета в системе прерываний.
5. Насыщение в системе прерываний. Если в момент поступления очередного запроса данного уровня приоритета предыдущий запрос того же уровня еще не обработан, то наступает так называемое насыщение системы прерываний. Быстродействие ЭВМ, характеристики системы прерываний, число источников прерывания и частота возникновения запросов должны быть согласованы таким образом, чтобы насыщение было невозможным.
188
182 :: 183 :: 184 :: 185 :: 186 :: 187 :: 188 :: Содержание
Основная память
Основная память (ОП) включает в себя два типа устройств: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).
Оперативное запоминающее устройство используется для хранения информации, непосредственно участвующей на текущем этапе вычислительного процесса. Данный тип памяти может работать в режимах записи и считывания информации. ОЗУ является энергозависимой памятью: при отключении напряжения питания хранящаяся в памяти информация теряется.
Постоянное запоминающее устройство служит для хранения неизменяемой информации: различных констант, стандартных программ.и др. Из ПЗУ можно только считывать информацию, запись информации в ПЗУ выполняется однократно вне ЭВМ в лабораторных или заводских условиях. С точки зрения хранения информации ПЗУ является энергозависимым запоминающим устройством.
В последние годы в некоторых ПЭВМ стали использоваться полупостоянные, перепрограммируемые запоминающие устройства (так называемая FLASH - память), в которых перезапись информации осуществляется достаточно оперативно непосредственно с дискеты или клавиатуры.
Структурно основная память в целом состоит из отдельных ячеек памяти емкостью в 1 байт, имеющих свои уникальные (отличные друг от
214
друга) адреса. Адресное пространство основной памяти для ОЗУ и ПЗУ является единым. Оно определяет максимально возможное количество N непосредственно адресуемых ячеек памяти. Адресное пространство памяти связано с разрядностью n кодовой шины адреса (КША) системной магистрали соотношением N = 2n.
В логическом отношении основная память делится на отдельные области, имеющие общепринятые названия. Так, на рис. 10.2 приведена логическая структура ОП емкостью 16 Мбайт, включающая в себя непосредственно адресуемую память с адресами от 0 до 1024 Кбайта и расширенную память, доступ к ячейкам которой возможен с помощью специальных программ - драйверов (диспетчера памяти).
Рис 10.2. Логическая структура основной памяти
Для ПЭВМ также характерным является стандартное распределение непосредственно адресуемой памяти между ОЗУ и ПЗУ (рис. 10.3).
В диапазоне от 0 до 640 Кбайт непосредственно адресуемая память называется стандартной памятью (СМА - Conventional Memory Area). Из этого диапазона 64 Кбайт выделяются для хранения служебных программ и данных операционной системы, а остальные 576 Кбайт - для хранения программ и данных пользователей.
Рис. 10.3. Распределение непосредственно адресуемой памяти
Непосредственно адресуемая память в диапазоне адресов от 640 до 1024 Кбайт называется верхней памятью (UMA - Upper Memory Area). Верхняя память зарезервирована для памяти дисплея (видеопамяти) и постоянного запоминающего устройства.
Техническая реализация оперативных запоминающих устройств в современных ПЭВМ обычно осуществляется с использованием больших интегральных микросхем динамического типа. В этом случае информация хранится в виде наличия или отсутствия электрического заряда на конденсаторе,
215
сформированном в структуре полупроводникового кристалла. После каждого считывания разряжающийся конденсатор необходимо снова подзарядить, т.е. требуется восстанавливать (регенерировать) информацию, которая могла быть искажена при считывании. Кроме того, из - за неизбежных утечек заряда на конденсаторе время хранения информации в динамических ЗУ ограничено, поэтому требуется ее периодическое восстановление, что также уменьшает быстродействие памяти.
Более высокой скоростью работы обладают элементы памяти, выполненные на статических триггерах. Для статистической памяти не требуются циклы регенерации и операции перезарядки. Однако, если для реализации одного запоминающего элемента динамической памяти требуется 1 - 2 транзистора, то для статической - 4 - 6 транзисторов. Соответственно, стоимость статической памяти существенно выше стоимости динамической памяти. Вот почему в современных ПЭВМ обычно используется оперативная память динамического типа, а для повышения производительности ЭВМ используется сверхоперативная память относительно небольшого объема, выполненная на элементах статического типа.
Конструктивно оперативная память ПЭВМ выполняется чаще всего в виде сменных модулей типа SIMM. (Signal In Line Memory Modyle - модуль памяти с однорядным расположение выводов).
Модули SIMM имеют емкость 256 Кбайт, 1, 4, 8, 16 или 32 Мбайта; могут иметь 30 - ("короткие") и 72 - ("длинные") контактные разъемы, соответствующие разъемам на материнской плате. На материнскую плату можно установить несколько (четыре и более) модулей SIMM.
Связь модулей ОЗУ с остальными блоками ПЭВМ осуществляется через кодовые шины адреса, инструкций и данных системной магистрали.
По шине данных передается информация, записываемая в память или считываемая из нее. Разрядность шины данных (8, 16., 32 или 64 бита) определяет длину информационной единицы, которой можно обмениваться с ОЗУ за одно обращение. От этой разрядности зависит пропускная способность ОЗУ, измеряемая в Мбайтах в секунду. Например, для ОЗУ с tобр = 0,06 - 0,07 мкс и разрядностью шины данных 64 бита максимальная пропускная способность при тактовой частоте системной магистрали 50 МГц составляет 400 Мбайт/с.
По шине инструкций системной магистрали передается в ОЗУ сигнал, определяющий тип операции (запись или считывание), которую необходимо выполнить. В совокупности эти операции называются обращением к памяти.
По шине адреса системной магистрали передается адрес участвующих в обмене данными элементов памяти. Адресное обращение к ОЗУ основано на матрично - координатном принципе. Для этого весь массив запоминающих элементов объединяется в матрицы, число которых соответствует разрядности машинного слова. Адрес обращения к памяти, поступающий в ОЗУ по шине адреса, делится на две части (две координаты) - X и Y. На пересечении
216
этих координат в каждой матрице находятся элементы памяти, чья информация должна быть прочитана или изменена (рис. 10.4).
Кроме ОЗУ, в составе основной памяти имеется постоянное запоминающие устройство (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). Важнейшей функцией этой памяти является хранение BIOS (Basic Input Output System - базовая система ввода - вывода). BIOS содержит необходимый набор программ - драйверов, обеспечивающих работу периферийных устройств. Кроме программ ввода - вывода, в ПЗУ содержатся также программы начальной загрузки операционной системы, тестирования устройств компьютера и др.
Подобно ОЗУ, микросхемы ПЗУ также построены по матрично - координатному принципу. Функции элементов памяти в них выполняют перемычки между горизонтальными и вертикальными шинами матриц, выполненные в виде проводников, полупроводниковых диодов или транзисторов. В такой матрице наличие перемычки означает хранение 1, а ее отсутствие - хранение 0. Запись информации в ПЗУ обычно производится один раз при изготовлении микросхем и заключается в устранении (прожигании) перемычек по тем адресам, где должен храниться 0. В дальнейшем эта информация может многократно считываться без разрушения. ПЗУ сохраняет информацию при отключении питания, т.е. является энергонезависимой памятью.
Рис. 10.4. Структурная схема ОЗУ
217
214 :: 215 :: 216 :: 217 :: Содержание
Основные черты и характерные особенности информационного общества
Результатом процесса информатизации, как уже было отмечено, является создание информационного общества. Главной движущей силой развития такого общества становится создание и потребление информационных ресурсов, продуктов и ценностей. В этом заключается фундаментальное отличие информационного общества от традиционного индустриального, главной особенностью которого является производство и потребление материальных ресурсов.
По сравнению с индустриальным обществом, где все направлено на производство и потребление товаров, в информационном обществе "производятся и потребляются" интеллект, знания; главным предметом накопления становятся знания и другая полезная информация. Самым ценным стратегическим ресурсом становятся люди - носители знаний и лучшие передатчики технологической информации.
В информационном обществе кардинально меняется сам характер производственных процессов, повышается наукоемкость этих процессов, резко снижается материалоемкость и энергоемкость производства. Эффективность производственно - технологических процессов определяется не столько количеством переработанного вещества и энергии, сколько объемом овеществленной информации и созданием благоприятных условий для ее получения.
При переходе к информационному обществу возникает новая индустрия переработки информации на базе компьютерных и телекоммуникационных информационных технологий. Главной формой развития общества становится информационная экономика.
Эффективность реализации информационной экономики в значительной мере определяется точностью, своевременностью и обоснованностью
35
управленческих решений, принимаемых на различных уровнях сложной экономической иерархии.
Резко возрастает скорость протекания экономических процессов. Этому способствует разветвленная система накопителей информации и средств ее доставки в нужные пункты и в нужное время. Производство сравнительно быстро адаптируется к индивидуальным нуждам потребителей, экономически оправданным становится мелкосерийное и индивидуальное производство.
В информационной экономике процессы интеграции становятся доминирующими подобно тому, как процессы концентрации доминируют в индустриальной экономике. Возрастает значение горизонтальных информационных связей во всех сферах общественной деятельности, повышается взаимозависимость сфер производства и потребления.
В информационном обществе изменяется не только производство, но и весь уклад жизни, система ценностей, возрастает значимость интеллектуальных, духовных ценностей по отношению к материальным. От человека потребуется способность к творчеству, возрастает спрос на знания. В информационном обществе большинство работающих будет занято производством, хранением, переработкой и реализацией информации, особенно высшей ее формы - знаний.
Информационные технологии в таком обществе приобретают глобальный характер, охватывая все сферы деятельности человека; формируется информационное единство всей человеческой цивилизации. С помощью средств компьютерных и телекоммуникационных технологий реализуется свободный доступ каждого человека к информационным ресурсам всего мирового сообщества.
Одной из отличительных особенностей жизни в современном информационном обществе становится гигантское развитие средств массовой информации, особенно электронных средств. Поставленные на качественно новый уровень и объединенные средствами связи в мировые информационно - коммуникационные сети, они оказывают чрезвычайно сильное влияние на психологию громадной массы людей во всем мире. Позитивным при этом является то, что средства массовой информации способствуют углублению процесса информатизации общества, рекламируя новые информационные продукты и услуги, формируя общественное мнение в пользу приоритетности этого процесса по сравнению с другими.
Наряду с позитивным влиянием на общество средств массовой информации существует и негативное. Прежде всего, как отмечают многие специалисты, технический прогресс в сфере массовых коммуникаций порой способствует разрушению веками создаваемых социальных связей между людьми, что, конечно, отражается на обществе в целом.
Люди в большей степени общаются не между собой, а со всевозможными электронными приборами и компьютеризированными устройствами, которые окружают их в процессе трудовой деятельности, учебы, досуга и т.п.
36
Глобализация средств массовой информации также, к сожалению, позволяет манипулировать общественным мнением, создает необходимые психологические предпосылки для формирования не всегда полезных для общества политических решений.
В заключение нужно сказать о необходимости формирования информационной культуры как одной из составляющих общей культуры. Информационная культура - это умение целенаправленно работать с информацией и использовать для ее получения, обработки и передачи современные технические средства и методы, в том числе компьютерные и телекоммуникационные технологии.
Информационная культура связана с социальной природой человека. Поэтому уже недостаточно уметь самостоятельно осваивать и накапливать необходимую информацию, необходимо научиться работать с информацией, основанной на коллективном опыте.
Информационная культура является продуктом разнообразных творческих способностей человека и проявляется обычно в следующих аспектах:
- в конкретных умениях и навыках по использованию в своей работе различных технических устройств (от телефона до персонального компьютера и компьютерных сетей); - в способности применять в своей деятельности компьютерную информационную технологию, базовой составляющей которой являются многочисленные программные продукты; - в знании особенностей информационных потоков в своей профессиональной деятельности, в умении работать с различной информацией; - в умении извлекать информацию из различных источников: как из периодической печати, так и из электронных коммуникаций; - в умении проводить аналитический анализ полученной и переработанной информации, делать необходимые выводы и принимать обоснованные решения.
В информационном обществе необходимо овладевать информационной культурой с детства, сначала с помощью электронных игрушек, а затем привлекая персональный компьютер.Наиболее значительные приобретения в области информационной культуры человек получает в сфере образования. Именно здесь нужно так изменить содержание подготовки, чтобы обеспечить будущему специалисту не только общеобразовательные и профессиональные знания, но и необходимый уровень информационной культуры. Повсеместное внедрение персонального компьютера во все сферы народного хозяйства, широкое использование телекоммуникационных средств, обеспечивающих новые условия для совместной работы специалистов, применение информационных технологий для самой разнообразной деятельности, постоянно растущая потребность в специалистах, способных ее осуществлять - все это ставит перед государством актуальные проблемы по совершенствованию всей системы образования на новых современных принципах.
37
35 :: 36 :: 37 :: Содержание
Основные функции и структура программного обеспечения ЭВМ
При решении различных задач на ЭВМ используются как технические (аппаратурные) средства ЭВМ, так и средства программного обеспечения (ПО). Программное обеспечение значительно расширяет возможности технических средств ЭВМ при построении на их базе различных информационных систем, повышает эффективность использования ЭВМ, облегчает ее эксплуатацию и снижает трудоемкость подготовки программ пользователей.
Под программным обеспечением ЭВМ понимается совокупность программ и сопровождающей их документации, предназначенных для решения на ЭВМ различных задач. ПО дополняет ЭВМ теми возможностями, которые не всегда могут быть реализованы чисто техническими средствами. Основные функции программного обеспечения ЭВМ сводятся к следующему:
- автоматическое управления вычислительным процессом в различных режимах работы ЭВМ при минимальном вмешательстве пользователя или программиста в этот процесс;
77
- подготовка задач к решению на ЭВМ с помощью средств автоматизации программирования; - рациональное распределение ресурсов вычислительных машин (машинного времени, объемов памяти, периферийных устройств); - организация взаимодействия пользователя с ЭВМ в удобных для него формах; - контроль, диагностика и локализация неисправностей ЭВМ.
Компоненты программною обеспечения, реализующие перечисленные функции, должны удовлетворять определенным требованиям, основными из которых являются: модульность; наращиваемость и открытость; надежность; предсказуемость; удобство; гибкость; эффективность.
Модульная структура ПО требует, чтобы функционально независимые программы или их части разрабатывались и отлаживались в виде стандартных модулей. Разбиение большой программной системы на отдельные части, поддающиеся обозрению и анализу, упрощает разработку и наладку, однако, требует четкой организации проводимых работ.
Открытость системы ПО дает возможность относительно просто наращивать и совершенствовать программное обеспечение ЭВМ либо заменой программных модулей, либо их перестановкой, либо введением дополнительных модулей и т.д.
Требование надежности означает, что разрабатываемое ПО должно определять и диагностировать возможные ошибки, а также само восстанавливаться после большинства характерных ошибок пользователя. Оно должно защищать свои программы, программы пользователя и данные от ошибок или, по крайней мере, сводить до минимума вред, который они могут нанести всему программному обеспечению.
Требование предсказуемости означает, что ПО должно реагировать на действия пользователей ожидаемым образом, т.е. не должно варьироваться слишком сильно время, необходимое для выполнения одних и тех же операций, не должны различаться результаты выполнения команд при соблюдении одних и тех же условий и т.п.
Требование удобства предполагает необходимость учета основных физиологических и психологических факторов деятельности человека, создание для пользователя дружественной среды общения с ЭВМ.
Требование гибкости означает возможность настройки ПО на различные условия функционирования и классы решаемых задач.
Требование эффективности связано с возможностью (посредством ПО) своевременно и точно решать поставленные задачи при рациональном использовании ресурсов технических средств и труда пользователя.
В зависимости от функций, выполняемых различными компонентами, ПО можно разделить на системное и прикладное (рис. 4.3).
78
Рис. 4.3. Структура программного обеспечения ЭВМ
Системное ПО объединяет программные компоненты, обеспечивающие многоцелевое применение ЭВМ и мало зависящие от специфики вычислительных работ пользователей. Сюда входят программы, предназначенные для автоматизации трудоемких технологических этапов разработки алгоритмов и программ пользователей, для организации и контроля вычислительного процесса, а также для управления распределением ресурсов во время функционирования вычислительной системы. Системное ПО обычно поставляется потребителям комплектно с ЭВМ.
Прикладное программное обеспечение ориентировано на специфическое применение ЭВМ и содержит прикладные программы пользователей, а также типовые пакеты прикладных программ.
79
77 :: 78 :: 79 :: Содержание
Основные характеристики и особенности ЭВМ различных поколений
Возможности и сфера применения ЭВМ в значительной степени определяются ее техническими и эксплуатационными характеристиками. В их числе следует назвать производительность ЭВМ, емкость запоминающих устройств, точность и достоверность вычислений, скорость передачи данных между центральной частью и периферийными устройствами, эксплуатационную надежность, стоимость, потребляемую мощность, габаритные размеры и некоторые другие.
155
Рассмотрим кратко основные характеристики.
Производительность, или быстродействие, ЭВМ в широком понимании определяется объемом работ, выполняемых ЭВМ в единицу времени. Однако это определение производительности достаточно условно, так как зависит от типа решаемых задач и, следовательно, от количества и разнообразия выполняемых операций, от особенностей средств программного обеспечения, логической структуры ЭВМ в целом, характеристик ее отдельных устройств и т.д.
В этих условиях производительность ЭВМ можно оценивать скоростью выполнения отдельных операций. Однако любая ЭВМ имеет достаточно обширный выбор различных команд и соответствующих машинных операций, время выполнения которых может существенно отличаться друг от друга. В связи с этим производительность ЭВМ часто оценивается по скорости выполнения некоторого набора или "смеси команд", в которой учитывается среднестатистическая частота повторения различных команд при решении достаточно широкого класса задач. Так, например, фирма Intel для оценки быстродействия процессоров предложила тест, получивший название индекс iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). При его определении учитываются четыре главных аспекта производительности: работа с целыми числами, вещественными числами, графикой и видео. При этом данные могут иметь 16 - или 32 - разрядное представление. В результате получается восемь параметров, причем каждый из них участвует в вычислении индекса со своим весовым коэффициентом, зависящим от частоты указанных операций в реальных задачах.
По индексу iCOMP микропроцессор Pentium 100 имеет значение 810, a Pentium 133 - 1000.
Косвенной оценкой быстродействия ЭВМ может также служить тактовая частота процессора (микропроцессора). Поскольку каждая машинная операция требует для своего выполнения определенного количества тактов, то, зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции. Так. например, тактовый генератор с частотой 100 МГц обеспечивает выполнение 20 млн. коротких машинных операций (типа сложение - вычитание целых чисел) в секунду.
Емкость запоминающих устройств оценивается количеством структурных единиц данных, которые могут одновременно находиться в памяти. В первых ЭВМ емкость характеризовалась количеством многоразрядных машинных слов, хранящихся в памяти. Так как в современных ЭВМ независимой единицей адресации памяти является 8 - разрядный байт, то емкость памяти стала выражаться в байтах или в более крупных единицах, таких, как Кбайт = 210 байт, Мбайт = 210 Кбайт, Гбайт = 210 Мбайт и т.д. Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти.
Современные персональные ЭВМ могут иметь емкость ОП до 128 Мбайт и даже больше. Этот показатель определяет, какие программные
156
продукты могут одновременно обрабатываться в ЭВМ. Следует иметь в виду, что увеличение емкости ОП в 2 раза, помимо всего прочего, дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.
Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, емкость одной дискеты составляет 0,3 - 3 Мбайта в зависимости от типа дисковода и характеристик дискет. Емкость жестких магнитных дисков и оптических компакт - дисков может достигать нескольких Гбайт. Емкость внешней памяти характеризует объем программного обеспечения, которое может устанавливаться в ЭВМ. Например, для установки Windows 95 требуется объем памяти жесткого диска более 100 Мбайт и не менее 8 - 16 Мбайт оперативной памяти ЭВМ.
Точность вычислений определяется в ЭВМ количеством двоичных разрядов, используемых для представления данных. Очевидно, что для ЭВМ не существует принципиальных ограничений по точности вычислений.
Для ее повышения достаточно увеличить разрядность машинного слова или, как говорят, длину разрядной сетки. Различные модели ЭВМ оперируют данными, представленными 16 - 128 двоичными разрядами, что достаточно для решения большинства задач. Кроме того, для многих ЭВМ предусмотрена возможность работы с машинными словами различной разрядности. Например, если номинальная разрядность машинного слова составляет 32 двоичных разряда, то в зависимости от необходимой точности вычислений можно оперировать машинными словами как удвоенной или учетверенной длины (т.е. 64 или 128 разрядов), так и половинной длины (т.е. 16 разрядов).
Достоверность и надежность характеризуются вероятностью получения безошибочных результатов. Необходимый уровень достоверности и надежности обеспечивается программно - аппаратурными средствами контроля самой ЭВМ. Для оценки надежности ЭВМ используются различные показатели, например PЭBM(t) - вероятность безотказной работы ЭВМ за время t при заданных условиях эксплуатации; ТЭВМ - наработка на отказ и др.
Скорость передачи данных между центральной частью ЭВМ и периферийными устройствами определяется характеристиками интерфейса ввода - вывода, а следовательно, существенно зависит от характеристик и особенностей самих периферийных устройств. В современных ЭВМ эта скорость находится в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч Кбайт/с.
С развитием и совершенствованием ЭВМ постоянно улучшаются их технико - эксплуатационные характеристики. Однако часто такое улучшение связано с дополнительными затратами на использование новых технических и программных средств, на разработку и освоение прогрессивных технологий. В конечном счете, это отражается на стоимости ЭВМ, которая для потребителей вычислительной техники имеет также немаловажное
157
значение. Поэтому при создании новых ЭВМ следует соразмерять достигнутое улучшение характеристик с увеличением стоимости. Иными словами, нужно стремиться к неуклонному росту отношений производительность/стоимость, надежность/стоимость и др.
За относительно небольшой период своего развития (начиная с середины 40 - х г.г. прошедшего столетия) ЭВМ прошли путь нескольких поколений, отличающихся элементной базой, функционально - структурной организацией, конструктивно - технологическим исполнением, программным обеспечением, формами обслуживания пользователей и др. Возможности улучшения основных характеристик ЭВМ существенно зависят от элементов, используемых для построения электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение обычно характеризуется своей элементной базой.
Основным активным элементом ЭВМ первого поколения была электронная лампа. Промышленный выпуск и эксплуатация таких ЭВМ начались в конце 40 - х - начале 50 - х г.г. Машины первого поколения были весьма громоздки, потребляли большое количество электроэнергии и имели невысокую надежность. Их производительность не превышала 10 - 20 тысяч оп/с, а емкость основной памяти - 4 К машинных слов, где К = 210 = 1024. В ЭВМ 1 - го поколения, по существу, не было системы программного обеспечения. Программирование было детализировано до уровня машинных команд и выполнялось на машинном языке данной ЭВМ. Пользователь - программист также осуществлял ввод и отладку программ, обеспечивая управление вычислительным процессом при возникновении непредвиденных или недопустимых ситуаций.
Несмотря на указанные недостатки, ЭВМ первого поколения продемонстрировали определенные возможности для автоматизации вычислительных работ, в частности, в области ядерной физики, космических исследований и др., способствовали накоплению опыта по применению ЭВМ в других областях.
В конце 50 - х г.г. появились ЭВМ второго поколения, Их элементной базой стали полупроводниковые транзисторы, что позволило существенно повысить производительность и надежность ЭВМ при одновременном уменьшении габаритных размеров, массы и потребляемой мощности. В ЭВМ 2 - го поколения широко использовался печатный монтаж, при котором необходимые электрические соединения создавались вытравливанием металлической фольги, нанесенной на изоляционный материал.
Производительность этих ЭВМ достигла 50 - 100 тыс. оп/с, а емкость оперативной памяти - 32 К машинных слов.
В машинах второго поколения получило развитие программное обеспечение, в частности, зародилось так называемое системное программирование, позволившее установить определенное взаимодействие между разрозненными наборами различных программ в процессе их выполнения. Комплексы таких системных программ были первоначально названы операционными
158
системами. Для повышения производительности труда программиста стали применяться различные алгоритмические языки (Алгол, Фортран и др.). а также библиотечные наборы стандартных подпрограмм. В результате развития средств программного обеспечения значительно расширилась сфера применения вычислительной техники, появились ЭВМ не только для научно - технических расчетов, но и для решения планово - экономических задач, для управления различными производственно - технологическими процессами и др.
Последующее интенсивное развитие радиоэлектроники привело в 60 - х г.г. к созданию интегральных схем (ИС), а на их основе - разработке ЭВМ третьего поколения. Интегральная схема является функционально законченным блоком, эквивалентным по своим логическим возможностям достаточно сложной транзисторной схеме. Она представляет собой пластину полупроводникового материала, в поверхностном слое которого методами микроэлектронной технологии формируются области, выполняющие функции транзисторов, диодов, резисторов и других компонентов схемы.
ЭВМ третьего поколения характеризуются значительным увеличением производительности и емкости памяти, существенным повышением надежности и, вместе с тем, уменьшением потребляемой мощности, массы и занимаемой площади. Конструктивно машины третьего поколения состоят из типовых элементов и узлов, обеспечивающих высокую плотность компоновки, необходимую помехозащищенность, а также устойчивость к механическим и климатическим воздействиям.
Значительное внимание в машинах третьего поколения было уделено совершенствованию средств программного обеспечения с точки зрения наиболее эффективного использования технических возможностей ЭВМ, максимальной автоматизации вычислительного процесса, уменьшения трудоемкости разработки и отладки программ пользователей.
В результате этого, начиная с ЭВМ третьего поколения, разрозненные средства программного обеспечения превратились в целостную систему.
Отличительной особенностью ЭВМ третьего и последующих поколений стала возможность их работы в мультипрограммном режиме, при котором за счет организации параллельной работы основных устройств ЭВМ обеспечивается одновременное выполнение программ различных пользователей, повышается эффективность использования ЭВМ и уменьшаются возможные простои ее дорогостоящего оборудования. С применением мультипрограммного режима ЭВМ превратилась в вычислительный инструмент нового качества. Теперь на базе ЭВМ стало возможным создание вычислительных систем, одновременно обрабатывающих программы многочисленных пользователей, которые могут находиться от ЭВМ на значительном расстоянии и непосредственно общаться с ней независимо друг от друга.
159
В ЭВМ третьего поколения была достигнута производительность в несколько миллионов операций в секунду, а емкость оперативной памяти. - в несколько сотен Кбайт.
ЭВМ четвертого поколения стали развиваться в 70 - е годы. Конструктивно - технологической основой таких ЭВМ стали большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС). Степень их интеграции обычно оценивается величиной K = log10N, где N - общее количество компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), расположенных на полупроводниковом кристалле и неразборно соединенных между собой. Если для обычных ИС величина К < 2, то для БИС 2 < К < 3, а для СБИС К > 3.
Высокая степень интеграции способствовала дальнейшему увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, увеличению быстродействия и снижению стоимости. Производительность ЭВМ четвертого поколения достигла десятков и сотен миллионов операций в секунду, а объем основной памяти - десятков и сотен Мбайт.
В начале 80 - х г.г. были созданы принципиально новые средства обработки информации - микропроцессоры (МП). По своим логическим возможностям и структуре они напоминают упрощенный вариант процессора обычной ЭВМ, однако конструктивно реализуются всего на одной или нескольких микросхемах с высокой степенью интеграции.
На базе микропроцессоров, дополненных оперативной и постоянной памятью, а также необходимыми периферийными устройствами, стати создаваться микро - и персональные ЭВМ.
В ЭВМ четвертого поколения получил развитие начавшийся еще в третьем поколении процесс создания вычислительных систем и сетей ЭЕ5М, многомашинных и многопроцессорных вычислительных комплексов.
В последние годы определяются контуры ЭВМ пятого поколения, которые, помимо более высокой производительности и надежности, будут обладать возможностью общения с человеком на его естественном языке, способностью производить логические выводы, обучаться, формировать в своей памяти базу знаний и т.д. Наряду с дальнейшим повышением степени интеграции микросхем в ЭВМ пятого поколения найдут применение оптические и оптико - электронные средства хранения, обработки и передачи данных. Предполагается, что в ЭВМ пятого поколения будет достигнута производительность 100 млрд. оп/с, а емкость основной памяти превысит 1 Гбайт.
160
155 :: 156 :: 157 :: 158 :: 159 :: 160 :: Содержание
Основные понятия информационной технологии
Любая технология представляет собой процесс, определяемый совокупностью действий, направленных на достижение поставленной цели.
Под технологией материального производства понимают совокупность средств и методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья или материала в целях получения материального продукта.
Информация является одним из ценнейших ресурсов общества наряду с такими традиционными видами материальных ресурсов, как нефть, газ, полезные ископаемые и др., а значит, процесс ее переработки по аналогии с процессами переработки материальных ресурсов можно воспринимать как соответствующую информационную технологию (рис. 3.1)
Рис. 3.1. Информационная технология как аналог технологиипереработки материальных ресурсов
54
Информационная технология использует совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных (первичной информации) с целью получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта).
Информационная технология тесно связана с информационной системой, в которой она реализуется практически. Информационная система является организованной средой, состоящей из компьютеров, компьютерных сетей, программных продуктов, баз данных, людей, различных средств связи и т.д., в которой обеспечивается хранение, обработка и передача информации.
Информационная технология является процессом, который реализуется в этой среде и состоит из четко регламентируемых правил выполнения необходимых операций и действий над данными, циркулирующими в системе.
Информационная технология отражает современное представление о процессах преобразования информации в информационном обществе. В этом смысле она является более емким понятием, чем информационная система,
Информационная технология может существовать и вне информационной системы. Однако в настоящее время с учетом массовой компьютеризации современного общества эти понятия становятся практически неотделимыми друг от друга. Программное обеспечение компьютерных информационных систем теперь рассматривается в качестве одного из основных инструментальных средств информационной технологии.
Основные сведения из алгебры логики
В ЭВМ информация подвергается не только арифметической, но и логической обработке. Основу работы логических схем и устройств ЭВМ составляет специальный математический аппарат, называемый алгеброй логики, или исчислением высказываний. При этом под высказыванием понимается любое утверждение, о котором можно сказать истинно оно или ложно. В логике высказываний интересуются не содержанием высказываний, а только их истинностью или ложностью, никакие другие признаки высказываний в алгебре логики не рассматриваются. Одно и то же высказывание
104
не может быть одновременно истинным и ложным или не истинным и не ложным.
Если высказывание истинно, то считают, что его значение равно единице; если высказывание ложно, то считают, что его значение равно нулю. Таким образом, значения высказываний можно рассматривать как переменную величину, принимающую только два дискретных значения: 0 или 1. Это приводит к полному соответствию между логическими высказываниями в математической логике и двоичными цифрами в двоичной системе счисления.
Всякое устройство ЭВМ, выполняющее арифметические или логические операции, можно рассматривать как функциональный преобразователь, входными переменными (аргументами) которого являются исходные двоичные числа, а выходной функцией от нее - новое двоичное число, образованное в результате выполнения двоичной операции. При этом как входные переменные, так и выходные функции могут принимать лишь одно из двух возможных значений: 0 или 1.
В каждом конкретном случае количество входных переменных будет различным. В простейшем виде это одна переменная х, принимающая значение 0 или 1. В общем случае таких переменных может быть п, т.е. x1, x2, ..., хn. Так как каждая переменная х; при этом равна 0 или 1, то для n переменных образуется множество разнообразных сочетаний или наборов входных переменных.
В алгебре логики строго доказывается, что для n переменных количество различных наборов равно 2n. Так, для одной переменной х существует только два набора: или , так как 2 = 2; для двух переменных x1, x2 - четыре различных набора: , , , , так как 2 = 4; для трех переменных x1, x2, х3 - восемь различных наборов, так как 23 = 8, и т.д.
Функция f(x1, x2, ..., хn), определяемая на наборах входных двоичных переменных х1, x2, ..., хn и принимающая в качестве возможных значений 0 или 1, называется логической функцией. Примем без доказательства, что общее число различных логических функций от n аргументов равно 22n. Например, для n = 1, 2, 3 и т.д. их будет соответственно 4, 16, 256 и т.д.
Над логическими переменными в алгебре логики производятся логические операции, основными из которых являются операции отрицания, дизъюнкции и конъюнкции.
Операции отрицания соответствует логическая функция одного аргумента, которая истинна, если аргумент ложен, и ложна, когда аргумент истинен. Операцию отрицания называют также операцией НЕ или инверсией.
105
Данная операция обозначается чертой, которая ставится над аргументом, например, х.
Для представления логических операций удобно пользоваться таблицами истинности, в которых возможным наборам аргументов ставятся в соответствие значения функций. Табличное представление операции отрицания имеет вид:
Очевидным является следующее свойство операции отрицания x = х.
В отличие от операции отрицания для операций дизъюнкции и конъюнкции уже требуется, как минимум, два аргумента.
Дизъюнкцией двух высказываний х и у называется логическая операция, в результате которой образуется логическая функция F, истинная в том случае, если хотя бы одно из высказываний х или у истинно. В соответствии с этим определением таблица истинности для дизъюнкции имеет вид:
Дизъюнкция обозначается знаком ? , который читается как "ИЛИ", т.е. F = x ? y.
Часто данную операцию называют операцией логического сложения. В общем случае эта операция может быть определена для любого числа аргументов: x1 ? x2 ? x3 ? ... =
| n |
| ? |
| i = 1 |
Конъюнкцией, или логическим умножением двух высказываний х и у, называется логическая функция Р, истинная только в том случае, когда истинны одновременно х и у. Таблица истинности для конъюнкции имеет вид:
Конъюнкция обозначается знаком & , который читается как "И".
В общем случае операция конъюнкции может быть определена для любого числа аргументов: х1 & х2 & ... =
| n |
| & |
| i = 1 |
106
Для дизъюнкции, конъюнкции и отрицания справедливы следующие логические выражения:
В алгебре логики действуют четыре основных закона: переместительный (коммутативный), сочетательный (ассоциативный), распределительный (дистрибутивный) и общей инверсии (правило или формула де Моргана). Приведем соотношения, отражающие эти законы.
1. Переместительный закон:
- для дизъюнкции х1 ? х2 = x2 ? х1; - для конъюнкции х1 & х2 = х2 & х1.
2.. Сочетательный закон:
- для дизъюнкции (х1 ? x2) ? x3 = х1 ? (x2 ? x3); - для конъюнкции (х1 & x2) & x3 = х1 & (x2 & x3).
3, Распределительный закон:
- для дизъюнкции (x1 ? x2) & x3 = х1 & х3 ? x2 & х3; - для конъюнкции (x1 & x2) ? x3 = (х1 ? х3) & (x2 ? х3).
4. Закон общей инверсии (формула де Моргана):
- для дизъюнкции х1 ? х2 = х1 & х2; - для конъюнкции х1 & х2 = х1 ? х2.
Следует отметить, что все приведенные законы, кроме закона общей инверсии и распределительного закона для конъюнкции, полностью аналогичны соответствующим законам для сложения и умножения в обычной алгебре. Такая аналогия отсутствует для формулы де Моргана и для распределительного закона для конъюнкции. Их справедливость можно доказать с помощью таблиц истинности, вычисляя в них значения левой и правой частей доказываемого логического выражения для всех наборов логических переменных.
Докажем, например, справедливость формул де Моргана для дизъюнкции и конъюнкции. С этой целью составим таблицу для четырех наборов переменных x1 и х2, а затем в столбцах этой таблицы вычислим по соответствующим правилам алгебры логики значения левых и правых частей доказываемых формул. Полученные результаты сведем в таблицу.
107
| * | ** | * | ** | ||||||
| x1 | x2 | x1 ? x2 | x1 ? x2 | x1 & x2 | x1 ? x2 | x1 | x2 | x1 & x2 | x1 ? x1 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Сравнивая в этой таблице столбцы, отмеченные одной или двумя звездочками, убеждаемся в том, что они совпадают. Следовательно, справедливы формулы де Моргана для дизъюнкции и конъюнкции.
Следует также отметить, что приведенные законы алгебры логики справедливы не только для двух, но и для любого числа переменных. Например, закон общей инверсии для дизъюнкции и конъюнкции в общем случае имеет вид:
x1 ? x2 ? x3 ? … = x1 & x2 & x3 & … ; x1 & x2 & x3 & … = x1 ? x2 ? x3 ? … .
Аналогично, для распределительного закона имеют место следующие соотношения:
x1 & (x2 ? x3 ? …) = (x1 & x2) ? (x1 & x3) ? …; x1 ? (x2 & x3 & …) = (x1 ? x2) & (x1 ? x3) & ….
Из распределительного закона для дизъюнкции и конъюнкции вытекают так называемые
- формулы склеивания:
(x1 & x2) ? (x1 & x2) = x1; (x1 & x2) & (x1 ? x2) = x1;
- формулы поглощения:
x1 ? (x1 & x2) = x1; x1 & (x1 ? x2) = x1; x1 ? (x1 & x2) = x1 ? x2; x1 & (x1 ? x2) = x1 & x2.
В их справедливости можно убедиться, составив необходимые таблицы истинности.
108
104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108 :: Содержание
Особенности и структура экономической информации
Важнейшей составляющей управленческой информации, рассмотренной в предыдущем параграфе, является информация экономическая. Экономическая информация практически неотделима от информационного процесса управления, осуществляемого в производственной или непроизводственной сфере, используется во всех органах и на всех уровнях управления народным хозяйством. Говоря о понятии "экономическая информация" с кибернетических позиций, информационный процесс управления можно охарактеризовать как превращение исходных сведений о деятельности того или иного объекта управления в экономическую информацию, необходимую для принятия управленческих решений, обеспечивающих требуемое состояние и оптимальное развитие народного хозяйства.
Отличительного чертой экономической информации является ее объемность, представляемая с помощью достаточно обширной системы натуральных и стоимостных показателей. Качественное управление экономическими процессами невозможно без детальной информации о них. Для этой цели широко используются различные количественные величины и их цифровые значения. Эта особенность экономической информации предопределяет возможность широкого применения вычислительной техники для ее обработки.
Возможность и целесообразность компьютерной отработки экономической информации также обусловлена другой ее особенностью, а именно - цикличностью. Для большинства производственных и хозяйственных процессов характерна повторяемость их отдельных этапов и, следовательно, повторяемость структурно - смыслового содержания информации, отражающей эти процессы. Такая цикличность экономической информации позволяет, однажды разработав программу компьютерной обработки, многократно использовать ее в дальнейшем. Это существенно упрощает процесс проектирования экономических информационных систем.
Для повышения эффективности управления теми или иными объектами соответствующая экономическая информация должна отвечать определенным требованиям. Она должна быть:
достоверной, правдивой; своевременной, так как запоздалое поступление нужной информации часто оказывается бесполезным; юридически подтвержденной в документах необходимыми подписями (визами) соответствующих должностных лиц; актуальной, нужной для данного подразделения и лиц, принимающих решения.
Важной характеристикой экономической информации является ее структура. В структурном отношении существенными являются два взаимосвязанных аспекта:
26
- состав элементов, образующих структуру информации; - взаимосвязь между элементами этой структуры.
Для отображения свойств экономических объектов, процессов или явлений обычно используются величины, называемые реквизитами. Реквизиты являются наиболее простыми единицами информации; из них могут быть скомпонованы более сложные, составные информационные образования.
В зависимости от характера отображаемого свойства реквизиты делятся на реквизиты - признаки и реквизиты - основания.
Реквизиты - признаки характеризуют качественные свойства экономического объекта, процесса или явления. Они могут быть выражены в алфавитном, цифровом или алфавитно - цифровом виде. Реквизиты - признаки используются для логической обработки информации, например, при поиске, сортировке, группировке и т.д.
Реквизиты - основания характеризуют количественную сторону процесса. Они обычно выражаются в цифровой форме. Над ними могут выполняться логические и арифметические преобразования.
Для полноты характеристики экономического процесса, объекта или явления необходима определенная совокупность реквизитов, описывающих количественные и качественные свойства отображаемого объекта. Такая совокупность представляет собой сообщение об объекте.
Частным случаем сообщения является экономический показатель, состоящий из одного реквизита - основания и связанных с ним логическими отношениями реквизитов - признаков. Показатель можно рассматривать как минимальную смысловую единицу экономической информации, достаточную для образования самостоятельного сообщения. Например, информационная совокупность "450 кг стали" состоит из реквизита - основания "450" и двух реквизитов - признаков - "кг" и "сталь", что вполне отражает экономический смысл сообщения.
Экономические показатели, характеризующие какой - либо объект, делятся на первичные и вторичные.
Первичные показатели, отражая результаты производственно - хозяйственной деятельности экономического объекта, определяются путем измерения, подсчета, взвешивания или принимаются в виде заранее обусловленных норм, нормативов, тарифов, цен и т.п. Вторичные (производные, расчетные) показатели формируются в результате обработки известных первичных показателей. К числу вторичных показателей можно отнести, например, стоимость готовой продукции, заработную плату, потери от брака и др.
Итак, экономический показатель - это основная составная единица экономической информации, обладающая как информативностью, так и экономическим смыслом. Названные свойства показателя теряются, если из него будет исключен хотя бы один из составляющих его реквизитов.
27
Из показателей могут быть образованы еще более сложные составные структурные единицы информации: документы, массивы, информационные потоки, информационные базы.
Экономический документ представляет собой определенным образом организованную совокупность взаимосвязанных по смыслу экономических показателей. Экономический документ является основной, наиболее важной и наиболее удобной формой представления информации, так как наряду с наглядностью представления информации он содержит атрибуты, придающие ему юридический статус.
Наиболее распространенной формой представления экономических документов является табличная форма, включающая в себе общую, предметную и оформительскую части.
Общая часть содержит название документа и перечень общих по составу и значению реквизитов для всех показателей, представленных в документе.
Предметная часть содержит реквизиты, характеризующие особенности экономических показателей многострочного документа.
Оформительская часть содержит атрибуты, придающие документу юридическую силу, в частности, подписи лиц, участвовавших в подготовке документа.
В системах обработки, хранения и передачи информации основной структурной единицей является информационный массив, представляющий собой набор документов одной формы со всеми их значениями либо сочетание таких наборов, относящихся к одной задаче.
Информационный массив должен отличаться естественной целостностью своей структуры.
Массивы, в свою очередь, могут объединяться в еще более крупные структурные единицы: информационные потоки и информационные базы.
Информационный поток это совокупность информационных массивов, имеющая динамический характер и относящаяся к конкретному виду управленческой деятельности.
Информационная база - это вся совокупность информации, связанной с реальным экономическим объектом.
Итак, общая схема формирования структурных единиц экономической информации может быть представлена следующей последовательностью: реквизит - показатель - документ информационный массив - информационный поток - информационная база.
Рассмотренные структурные единицы носят исключительно логический характер и не связаны с особенностями представления данных на технических носителях при их обработке на ЭВМ. Например, при использовании магнитных дисков для хранения информации выделяются следующие структурные единицы: бит, байт, блок, сектор, дорожка, том, пакет. Физический подход при рассмотрении информационных структур позволяет достаточно строго и формализованно оценивать объемы информации, размещенной на тех или иных носителях.
28
Вместе с тем, с помощью рассмотренных в данном параграфе структурных единиц также можно, хотя и с большей трудоемкостью, оценивать объемы экономической информации. Для этого нужно подсчитать общее количество реквизитов во всех документах информационного массива, а затем, зная знаковую разрядность каждого реквизита, оценить общий объем информации количеством использованных для ее представления алфавитно - цифровых символов.
29
26 :: 27 :: 28 :: 29 :: Содержание
Постановка задачи, математическое описание и выбор метода решения
На первом этапе технологического процесса осуществляется постановка задачи, подлежащей решению на ЭВМ. На этом этапе раскрывается содержательная сущность решаемой задачи, т.е. формулируется цель ее решения; определяется взаимосвязь с другими задачами; указывается периодичность ее решения; устанавливаются состав и формы представления входной, промежуточной и результатной информации; выбирается общий подход к решению; характеризуются методы контроля достоверности информации на ключевых этапах решения задачи; рассматриваются формы взаимодействия пользователя с ЭВМ в процессе решения задачи и т.п.
Завершается постановка задачи описанием контрольного примера, демонстрирующего порядок решения задачи традиционным способом. Контрольный пример сопровождается перечислением различного рода как штатных, так и нештатных ситуаций, которые могут возникнуть при решении задачи, и описанием ответных действий пользователя в каждой конкретной ситуации.
Особенностью реализации этого этапа технологического процесса является то, что конечный пользователь разрабатываемой программы, хорошо знающий ее проблемную сторону, обычно хуже представляет специфику
69
и возможности использования ЭВМ доя решения данной задачи. В свою очередь, предметная область пользователя зачастую бывает незнакома разработчику программы, хотя он знает возможности применения ЭВМ. Эти противоречия являются основной причиной возникновения ошибок при реализации данного этапа, которые затем неизбежно отражаются на последующих этапах разработки программ.
Отсюда вся важность и ответственность данного этапа, необходимость корректной и полной постановки задачи, а также однозначность ее понимания как разработчиком программы, гак и ее пользователем, в качестве которого обычно выступает постановщик задачи.
Второй этап в технологии разработки программ - это математическое описание задачи и выбор метода ее решения. Выделение этого этапа обусловлено прежде всего неоднозначностью естественного языка, на котором дается описание постановки задачи.
В связи с этим на данном этапе осуществляется формализованное описание задачи средствами языка математики, в результате чего постановка задачи приобретает четкость и однозначное толкование.
Чтобы это осуществить, необходима математическая теория, которая описывает закономерность исследуемого явления с помощью математических формул. Такой набор формул называется математической моделью данного явления.
Математический аппарат, применяемый для описания задач, зависит от тою, к какому классу принадлежат эти задачи. При этом могут быть использованы, например, обыкновенные дифференциальные уравнения или системы таких уравнений, дифференциальные уравнения в частных производных, системы линейных алгебраических уравнений и т.п.
Следует также иметь в виду, что математическая модель лишь в очень простых случаях позволяет по имеющимся исходным данным получить требуемые результаты. Другими словами, математическая модель далеко не всегда указывает однозначную последовательность расчета. Обычно она определяет искомые величины неявно, в виде системы математических зависимостей, которым должны удовлетворять эти величины. Такая система зависимостей в большинстве случаев неполна, она оставляет исследователю некоторую свободу выбора тех или иных путей достижения поставленной цели. Этот выбор необходимо проводить так, чтобы получить оптимальное значение определенного критерия. Указание такого критерия также входит в математическую модель. Когда критерий назначен и составлена полная система уравнений, описывающих исследуемое явление, задача становится математически сформулированной.
Вслед за математическим описанием задачи должен быть выбран метод ее решения. Этот метод устанавливает зависимость искомых результатов от исходных данных и реализуется путем разбиения вычислительного процесса на последовательность элементарных арифметических и логических операций, выполняемых на ЭВМ. Современная вычислительная математика располагает большим числом методов для решения различных
70
задач науки и техники.
Если же для решения данной конкретной задачи такие методы отсутствуют, то их либо заново разрабатывают, либо несколько упрощают постановку задачи с тем, чтобы можно было воспользоваться известными математическими методами.
При выборе метода решения задачи предпочтение отдается методу, который наиболее полно удовлетворяет следующим основным требованиям:
- обеспечивает необходимую точность получаемых результатов и не обладает свойством вырождения (т.е. бесконечного зацикливания на каком - либо участке решения задачи при определенном наборе исходных данных); - позволяет использовать готовые программы для решения задачи или ее отдельных фрагментов; - ориентирован на минимальный объем исходной информации; - способствует наиболее быстрому получению искомых результатов.
Сложность и ответственность этапа математического описания задачи и выбора (разработки) соответствующего метода ее решения часто требует привлечения квалифицированных специалистов в области прикладной математики, обладающих знанием таких дисциплин, как исследование операций, математическая статистика, численный анализ, вычислительная математика и т.д.
71
69 :: 70 :: 71 :: Содержание
Предмет информатики как область человеческой деятельности
Термин "информатика" возник в 60 - х годах во Франции для названия области, занимающейся автоматизированной обработкой информации с помощью электронных вычислительных машин. Данный термин образован путем слияния слов "информация" и "автоматика" и означает "информационная автоматика, или автоматизированная переработка информации".
В нашей стране подобная трактовка термина "информатика" утверждена в 1983 г. соответствующим решением сессии годичного собрания Академии наук СССР об организации в рамках Академии нового отделения информатики, вычислительной техники и автоматизации. Информатика трактовалась в этом решении как "комплексная научная и инженерная дисциплина, изучающая все аспекты разработки, проектирования, создания, оценки, функционирования основанных на применении ЭВМ систем переработки информации".
Выделение информатики в самостоятельную область деятельности вызвано прежде всего интенсивным развитием средств вычислительной техники и основано на ее последних достижениях в разработке микропроцессорных средств и персональных компьютеров. Иначе говоря, информатика возникла в результате развития компьютерной техники, полностью базируется на ней и совершенно немыслима без нее. Вместе с тем, в последние годы термин "информатика" приобретает еще более емкое смысловое содержание. Это связано с развитием глобальных средств телекоммуникации, благодаря которым объединяются в единой сети обработки данных огромные информационные и вычислительные ресурсы и обеспечивается возможность предоставления этих ресурсов многочисленным пользователям, распределенным практически по неограниченной территории.
Таким образом, завершая изложенные соображения об информатике, можно дать ей следующее определение. Информатика - это научно - практическая область человеческой деятельности, связанная с процессами накопления, обработки и передачи информации с помощью компьютеров и телекоммуникационных средств связи.
29
В широком смысле информатика объединяет в себе разнообразные отрасли науки, техники и производства, связанные с переработкой информации.
Информатику в узком смысле можно представить как состоящую из трех взаимосвязанных частей - технических средств, программных средств и алгоритмических средств. Информатику как в целом, гак и каждую ее часть обычно рассматривают с разных позиций (рис. 1.4): как фундаментальную науку, как прикладную дисциплину и как отрасль народного хозяйства.
Рис. 1.4. Структура информатики
Информатика как фундаментальная наука занимается разработкой методологии получения обобщенных знаний о любых информационных системах, о выявлении общих закономерностей их построения и функционирования.
Информатика как прикладная дисциплина занимается разработкой информационных систем и технологий в конкретных предметных областях человеческой деятельности (например, в экономике, управлении и др.)
Информатика как отрасль народного хозяйства состоит из совокупности предприятий разных форм хозяйствования, где занимаются производством компьютерной техники, программных продуктов и разработкой современных технологий переработки информации. Во всех развитых странах мира эта отрасль является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей народного хозяйства. Дело в том, что информатика существует не сама по себе, а является комплексной научно - технической дисциплиной, призванной создавать новые информационные технологии для решения проблем в других областях. Более того, для нормального развития этих отраслей производительность труда в самой информатике должна расти более высокими темпами, так как в современном обществе именно информация все чаще выступает как предмет конечного потребления:
30
людям необходима информация о событиях, происходящих в мире, о предметах и явлениях, относящихся к их профессиональной деятельности, о развитии науки и самого общества.
31
29 :: 30 :: 31 :: Содержание
Преобразование и минимизация логических выражений
При использовании аналитических форм преобразования логических функций обычно стремятся к их упрощению, выражая сложные логические функции через более простые.
Система логических функций называется функционально полной, или базисом, если любую логическую функцию можно представить в аналитической форме через эти функции, взятые в любом конечном числе экземпляров каждая.
Возможность представления любой логической функции в ДСНФ или КСНФ означает, что логические функции конъюнкции, дизъюнкции и отрицания (И, ИЛИ, НЕ) образуют функционально полную систему, или основной базис.
Базис И, ИЛИ, НЕ является избыточным, так как из него всегда можно исключить, используя формулу де Моргана, либо функцию И, заменяя ее на ИЛИ и НЕ:
х & у = х ? у,
либо функцию ИЛИ, заменяя ее на И и НЕ:
х ? y = х & у.
Базисы функции И, НЕ и ИЛИ, НЕ называются нормальными базисами. При удалении из них хотя бы одной функции функционально полная система становится неполной.
Функциональной полнотой обладают также системы, состоящие из одной логической функции: отрицания конъюнкции х & у (И - НЕ), названной операцией Шеффера, или отрицания дизъюнкции х ? у (ИЛИ - НЕ), названной операцией Пирса. С помощью любой из этих функций, образующих универсальный базис, можно выразить основные логические функции: конъюнкцию, дизъюнкцию и отрицание, а следовательно - и любую другую логическую функцию.
Процесс упрощения аналитического выражения логических функций называют минимизацией. В результате минимизации сокращаются затраты оборудования в процессе технической реализации. Помимо минимизации, числа логических функций, участвующих в исходном выражении, стремятся к их однородности (однотипности).
Существуют различные методы минимизации, из которых мы рассмотрим два метода: метод непосредственных преобразований логического выражения и метод минимизирующих карт Карно.
Метод непосредственных преобразований основан на последовательном исключении переменных исходного выражения с использованием законов алгебры логики.
С этой целью в ДСНФ исходной логической функции выявляются соседние минтермы, т.е. такие, в которых имеется по одной несовпадающей переменной, например, х1 & х2 & х3 и х1 & х2 & х3;
113
х1 & х2 & х3 и х1 & х2 & х3. При вынесении за скобки общих множителей в
таких минтермах происходит исключение одной переменной, и они склеиваются в одну конъюнкцию. Например:
x1 & x2 & x3 ? x1 & x2 & x3 = x1 & x3 & (x2 ? x2) = x1 & x3.
Конъюнкции, образованные в результате склеивания, называются импликантами. Полученные после склеивания импликанты склеиваются повторно и так до тех пор, пока склеивание возможно. Например:
Проиллюстрируем метод непосредственных преобразований еще одним примером. Пусть задана логическая функция трех переменных F(х, у, z)табл. 5.3.
Таблица 5. 3
Логическая функция трех переменных
| x | y | z | F | x | y | z | F |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
F = х & у & z ? х & у & z ? х & у & z ? х & у & z
Здесь первая и вторая, а также третья и четвертая конъюнкции являются соседними. Склеивая эти конъюнкции, получим:
F = x & y & (z ? z) ? x & y (z ? z) = x & y ? x & y.
К полученным импликантам применим повторное склеивание:
F = x & y ? x & y = x & (y ? y) = x.
Таким образом, в результате выполнения преобразований исходная функция трех переменных оказалась инверсией лишь одной переменной х. В этом также можно убедиться, проанализировав табл. 5.3.
Рассмотренный метод минимизации путем непосредственных преобразований достаточно прост, особенно при небольшом числе переменных. Недостатком метода является то, что он не указывает строго формализованный путь минимизации. При большом числе переменных минтермы могут группироваться по - разному, в результате чего можно получить различные упрощенные формы заданной функции. При этом мы не можем быть уверены в том, что какая - то из этих форм является минимальной.
Возможно, что получена одна из тупиковых форм, которая больше не упрощается, не являясь при этом минимальной.
114
Более строгим является метод минимизации, основанный на применении карт Карно. Карты Карно представляют собой таблицы, разделенные на клетки. Число клеток равно числу различных наборов аргументов, каждая клетка соответствует определенному набору этих аргументов.
На рис. 5.5 показаны карты Карно для двух, трех и четырех аргументов, содержащие соответственно 4, 8 и 16 клеток.
Рис. 5.5. Карты Карно для двух (а), трех (б) и четырех (в) аргументов
В клетки карты Карно, соответствующие тем наборам аргументов, для которых минимизируемая функция в соответствии с заданной таблицей принимает единичное значение, заносятся единицы. При этом две конъюнкции, находящиеся в соседних клетках карты, могут быть заменены одной конъюнкцией, содержащей на одну переменную меньше. Если соседними являются две пары конъюнкций, то такая группа из четырех конъюнкций может быть заменена конъюнкцией, которая содержит на две переменные меньше. В общем случае наличие минтермов в 2n соседних клетках позволяет исключить n переменных.
Правила применения карт Карно состоят в следующем.
1. Если единица находится в двух соседних клетках строки, столбца или на противоположных концах любой строки или столбца, то соответствующие
115
этим единицам конъюнкции заменяются одной конъюнкцией на ранг ниже, причем в нее включаются переменные с одинаковыми показателями инверсии.
2. Если четыре клетки составляют большой квадрат, строку или столбец, то соответствующие им конъюнкции заменяются одной на два ранга ниже, в которую включены переменные с одинаковыми показателями инверсии.
3. Конъюнкции, соответствующие оставшимся единицам, сохраняются без изменения.
Рассмотрим применение карт Карно на примерах.
Для функции F(x1, х2, x3), заданной таблицей 5.4, ДСИФ имеет вид:
F(x1, x2, x3) = x1 & x2 & x3 ? x1 & x2 & x3 ? x1 & x2 & x3 ? x1 & х2 & х3.
Таблица 5.4
Значение функции трех аргументов
| x1 | x2 | x3 | F(x1, x2, x3) | x1 | x2 | x3 | F(x1, x2, x3) |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Рис. 5.6. Карты Карно для функции трех аргументов
В правом крайнем столбце этой карты соседним единицам соответствуют конъюнкции х1 & х2 & х3 и х1 & x2 & х3 которые заменяются одной конъюнкцией на ранг меньше с одинаковыми показателями инверсии переменных, т.е. х1 & х2. Две оставшиеся единицы находятся в соседних клетках второй строки, поэтому соответствующие им конъюнкции х1 & х2 & х3 и х1 & х2 & x3. заменяются одной х2 & x3 В результате минимизированная ДСНФ исходной функции примет вид:
F(x1, х2, х3) = х1 & х2 ? х2 & х3,
116
который значительно проще первоначальной ДСНФ, имеющий в соответствии с табл. 5.4 вид:
F(x1, x2, x3) = x1 & x2 & x3 ? x1 & x2 & x3 ? x1 & x2 & x3 ? x1 & x2 & x3.
Рассмотрим теперь пример минимизации функции четырех аргументов, ДСНФ которой задана в виде:
F(x1, x2, x3, x4) = x1 & x2 & x3 & x4 ? x1 & x2 & x3 & x4 ? x1 & x2 & x3 & x4 ? x1 & x2 & x3 & x4 ? x1 & x2 & x3 & x4 ? x1 & x2 & x3 & x4 ? x1 & x2 & x3 & x4.
По карте Карно (рис. 5.7) конъюнкции, образовавшие большой квадрат, понижаются на два ранга, конъюнкции, находящиеся в двух соседних клетках, понижаются на один ранг, а одиночная конъюнкция остается без изменения.
Рис. 5.7. Карты Карно для функции четырех аргументов
В результате получим:
F(x1, x2, x3, x4) = x1 & x2 ? x2 & x3 & x4 ? x1 & x2 & x3 & x4.
В заключение отметим, что метод карт Карно упрощает нахождение склеиваемых конъюнкций в ДСНФ исходной логической функции.
117
113 :: 114 :: 115 :: 116 :: 117 :: Содержание
Принтеры
Принтеры (печатающие устройства) - это устройства вывода текстовых данных из ЭВМ на печать, преобразующие информационные ASCII - коды в соответствующие им графические символы (буквы, цифры, знаки и т.п.) и фиксирующие эти символы на бумаге.
Принтеры являются наиболее развитой группой периферийных устройств ПЭВМ. Для их характеристики используются следующие основные признаки:
- цветность (черно - белые и цветные); - способ формирования символов (знакопечатающие и знакосинтезирующие); - принцип действия (матричные, струйные, лазерные); - способы печати (ударные, безударные) и формирования строк (последовательные, параллельные); - размер каретки (широкая и узкая каретка); - длина печатной строки (80 и 132 - 136 символов); - скорость печати; - разрешающая способность, измеряемая количеством точек на дюйм.
Рассмотрим особенности и основные характеристики наиболее распространенных принтеров, получивших в общепринятой классификации названия матричных, струйных и лазерных.
Матричные принтеры. В матричных принтерах печатаемые знаки формируются (синтезируются) из точек при помощи игольчатой матрицы (головки), двигающейся вдоль печатаемой строки по специальной направляющей и ударяющей по красящей ленте. Нужно заметить, что матричное (знакосинтезирующее) формирование символов, но безударным способом применяется и в других типах принтеров (например, в струйных и лазерных). Однако матричными обычно называют те принтеры, в которых используется ударный способ печати.
233
Для текстовой печати в общем случае существуют следующие режимы, характеризующиеся различным качеством печати:
- режим черновой печати (Draft); - режим печати, близкий к типографскому (NLQ - Near - Letter - Quality); - режим с типографским качеством печати (LQ - Letter - Quality); - сверхкачественный режим (SLQ - Super - Letter - Quality).
В матричных принтерах поддерживаются только режимы Draft и NLQ.
Качество печати матричных принтеров определяется количеством иголок в печатающей головке. Недорогие принтеры имеют 9 игл, формирующих матрицу символов размерностью 7 ? 9 или 9 ? 9 точек.
Более совершенные матричные принтеры имеют 18 игл и даже 24.
В 9 - игольчатых принтерах печать в режиме Draft выполняется за один проход печатающей головки. Это самый быстрый режим печати, но имеющий самое низкое качество. Быстрое выполнение качественной печати (NLQ) возможно только на 24 - игольчатых принтерах. Качество NLQ на 9 - игольчатом принтере достигается только при печати каждой строки за несколько проходов с небольшими смещениями. Это снижает примерно вдвое и без того невысокую скорость печати. Быстродействие матричных принтеров при печати текста в режиме Draft находится в пределах 200 - 300 символов/с, что соответствует примерно двум страницам в минуту (с учетом смены листов).
В матричные принтеры встроено, как правило, несколько шрифтов, которые можно выбирать, устанавливая соответствующие переключатели на самом принтере или программно, посылая из программы соответствующую инструкцию на принтер. Формы символов, соответствующие разным шрифтам, хранятся в ПЗУ принтера.
Для каждого шрифтового размера возможны разные начертания знаков: нормальное, полужирное, курсивное, с подчеркиванием и их различные комбинации. В пределах каждого начертания возможны три плотности печати: обычная, уплотненная и с удвоенной шириной. Обычно бывают доступны три высоты печати: обычная, двойная, а также печать верхних и нижних индексов.
Матричные принтеры различаются также шириной каретки. "Широкие" принтеры позволяют печатать на бумаге формата A3, а "узкие" - на бумаге формата А4.
Из - за невысокой скорости и относительно низкого качества печати, а также из - за довольно значительного уровня производимого при печати шума матричные принтеры имеют достаточно ограниченное применение. Более распространенными становятся в настоящее время струйные и лазерные принтеры.
Струйные принтеры. Принцип действия струйных принтеров похож на игольчато - матричные. Однако здесь вместо печатающих иголок используются
234
тончайшие трубочки - сопла, через которые на бумагу выбрасываются микроскопические капельки красителя (чернил).
Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел. В последние годы в их совершенствовании достигнут существенный прогресс.
Струйные принтеры практически бесшумны, но достаточно требовательны к качеству бумаги. По сравнению с матричными принтерами у струйных существенно более дорогими являются расходные материалы - сменные головки с красящими чернилами. Красящая жидкость для струйных принтеров производится нескольких цветов, так что простой заменой картриджа можно обеспечить печать многоцветных изображений. Ряд моделей струйных принтеров обеспечивает одновременную многоцветную печать.
В картриджах цветных струйных принтеров имеется несколько резервуаров (чернильниц) для чернил разного цвета. Наиболее распространены трех - и четырехцветные принтеры. Трехцветные принтеры моделируют цвета с помощью желтых, красных и синих чернил или близких к ним оттенков. Черный цвет в таких принтерах получается неярким, серовато - грязным. В четырехцветных принтерах, помимо вышеперечисленных базовых цветов, имеется отдельный резервуар с черными чернилами. За счет его использования качество печати черных фрагментов изображения значительно улучшается.
В различные модели струйных принтеров могут одновременно устанавливаться один, два или более картриджей. Наиболее дешевыми являются принтеры с одним одновременно используемым картриджем. Для черно - белой печати устанавливается картридж с черными чернилами, а для цветной - картридж, имеющий резервуары для чернил базовых цветов. В двухкартриджных принтерах одновременно устанавливаются картридж с черной краской и картридж с красками базовых цветов. В наиболее дорогих моделях для каждой краски используются отдельные картриджи.
Струйные принтеры обеспечивают достаточно высокую скорость печати, достигающую 500 зн/с и более, что соответствует 8 и более текстовым страницам в минуту. Их разрешающая способность также весьма высока и составляет 600 ? 600 точек/дюйм для черно - белой печати и 300 ? 300 точек/дюйм для цветной печати.
Лазерные принтеры.
Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать с разрешением до 1200 ? 1200 точек/дюйм и скорость печати до 1000 зн/с (или до 16 страниц текста в минуту).
В лазерных принтерах, как и в рассмотренных ранее типах принтеров, используется точечный принцип формирования изображения. Сверхтонкий лазерный луч сначала вычерчивает на поверхности предварительно заряженного светочувствительного барабана контуры невидимого точечного электронного изображения. При этом электрический заряд стекает с тех точек на поверхность барабана, которые были засвечены лучом лазера. Проявление электронного изображения осуществляется порошком красителя
235
(тонера), пылинки которого оседают на разряженные участки, а при вращении барабана переносятся с его поверхности на бумагу и фиксируются на ней в результате разогрева тонера до его расплавления. Таким образом, множеством точек формируется изображение на бумаге.
В последние годы появились лазерные принтеры, обеспечивающие не только черно - белую, но и многокрасочную цветную печать.
Особенно эффективны лазерные принтеры при изготовлении оригинал - макетов книг и брошюр, рекламных проспектов, деловых писем и иных материалов, требующих высокого качества. Вместе с тем, лазерные принтеры являются достаточно сложными, а потому более дорогими устройствами по сравнению со струйными и матричными принтерами. Дороги также и расходные материалы к ним, в частности тонер. Все это нужно учитывать при выборе принтера для конкретного применения.
Наиболее известным производителем современных принтеров является японская фирма Seiko Epson. К ее продукции относятся, например, 24 - игольчатые матричные монохромные принтеры LQ - 100 или цветные принтеры LQ - 860, а также струйные SQ - 870 или лазерные EPL - 5000 принтеры.
236
233 :: 234 :: 235 :: 236 :: Содержание
Проблема защиты информации в условиях информатизации и компьютеризации общества
Разработка и широкое применение компьютерных и телекоммуникационных систем, переход на их основе к созданию всеобщего информационного пространства делает в настоящее время исключительно важной и актуальной проблему защиты информации, или иначе, проблему информационной безопасности. В процессе интенсивного развития рынка информационных продуктов и услуг информация становится полноценным товаром, обладающим своими стоимостными характеристиками и потребительскими качествами.
Подобно любым другим традиционно существующим товарам, информация также нуждается в своей сохранности и, следовательно, надежной защите. Защитить информацию - это значит:
- обеспечить физическую целостность, т.е. не допускать ее искажения или уничтожения; - не допустить ее подмены (модификации); - не допустить несанкционированного получения информации лицами или процессами, не имеющими на это соответствующих полномочий; - быть уверенным в том, что передаваемые (продаваемые) информационные ресурсы будут использоваться только в соответствии с обговоренными сторонами условиями.
Приступая к разработке средств защиты для конкретной информационной системы, вначале необходимо всесторонне и комплексно проанализировать структурную и функциональную организацию данной системы, а также особенности ее взаимодействия с окружающей средой и пользователями. В результате такого анализа
43
- определяется перечень объектов и элементов системы, которые могут быть подвергнуты (косвенно или непосредственно) угрозам с целью нарушения защищенности информации; - устанавливаются возможные источники таких угроз; - исследуются формы, пути и последствия проявления и осуществления различных угроз.
При этом объектом защиты называют структурный компонент информационной системы, в котором находится или может находиться подлежащая защите информация. К числу объектов защиты можно, например, отнести терминалы пользователей, средства отображения и документирования информации, компьютерный зал и хранилище носителей информации, каналы связи и сетевое оборудование и др.
В качестве элементов зашиты выступают блоки информации, которые хранятся, обрабатываются или перемещаются в объектах защиты. Это могут быть различные данные и программы, хранящиеся в основной или внешней памяти компьютера, отображаемые на экране монитора, печатаемые принтером, передаваемые по каналам связи и др.
Процессы, вызывающие нарушение защиты информации, можно разделить на случайные и злоумышленные (преднамеренные). В первом случае источниками разрушительных, искажающих и иных процессов являются непреднамеренные, ошибочные действия людей, технические сбои и др.; во втором случае - злоумышленные действия людей.
Причинами случайного воздействия при функционировании компьютерных систем могут быть:
- отказы и сбои аппаратуры в случае ее некачественного изготовления или физического старения; - помехи в каналах связи от воздействия внешней среды; - аварийные ситуации (пожар, выход из строя электропитания и др.); - схемные и системотехнические ошибки и просчеты разработчиков или производителей; - алгоритмические и программные ошибки; - ошибки пользователя при работе с компьютером.
Злоумышленные или преднамеренные угрозы - результат воздействия человека на объекты или процессы по самым разным причинам (материальный интерес, желание навредить и др.).
Несанкционированное ознакомление с информацией подразделяется на пассивное и активное. В первом случае не происходит нарушения информационных ресурсов, и нарушитель лишь получает возможность раскрывать содержание сообщений, используя это в дальнейшем в своих корыстных целях. Во втором случае нарушитель может выборочно измерить, уничтожить, переупорядочить и перенаправить сообщения, создать поддельные сообщения и др.
Следует также отметить, что если в первые десятилетия активного использования ЭВМ основную опасность представляли хакеры, или "электронные
44
разбойники", которые подключались к компьютерам через телефонную сеть, то в последнее десятилетие нарушение защиты информации прогрессирует с использованием программных средств - компьютерных вирусов и через глобальную сеть Интернет.
Практика функционирования современных информационных систем показывает, что существует достаточно много способов несанкционированного доступа к информации:
- просмотр, копирование и подмена данных; - ввод ложных программ и сообщений путем подключения к линиям связи; - чтение остатков информации на ее носителях; - прием сигналов электромагнитного излучения и акустического характера с помощью специальных средств (условно называемых "шпионскими") и т.п.
Особо опасна ситуация, когда нарушителем является пользователь компьютерной системы, имеющий согласно своим функциональным обязанностям законный доступ к одной части информации, но обращающийся к другой за пределами своих полномочий.
При отсутствии на рабочем месте законного пользователя или при его халатном отношении к своим должностным обязанностям квалифицированный нарушитель путем ввода соответствующих команд может осуществить несанкционированный доступ к информации, может визуально наблюдать информацию на средствах отображения и документирования, а также похитить носители с информацией (дискеты, листинги и др.) либо снять с них копию.
На практике при построении системы защиты информации сложились два подхода: фрагментарный и комплексный. При фрагментарном подходе мероприятия по защите информации направляются на противодействие вполне определенным угрозам при строго определенных условиях, например обязательная проверка магнитных носителей антивирусными программами. Более эффективным является комплексный подход, при котором различные меры противодействия угрозам объединяются, формируя так называемую архитектуру безопасности систем.
Учитывая важность, масштабность и сложность решения проблемы сохранности и безопасности информации, рекомендуется разрабатывать архитектуру безопасности в несколько этапов:
- анализ возможных угроз; - разработка системы защиты; - реализация и сопровождение системы защиты.
Для обеспечения безопасности информации используется комплекс средств и мероприятий организационного, инженерно - технического, программно - аппаратного, криптографического, правового характера и др., объединяемый общим понятием "система защиты информации".
45
Организационные средства защиты сводятся к регламентации доступа к информационным и вычислительным ресурсам, функциональным процессам системы обработки данных, регламентации деятельности персонала и др. Их цель - в наибольшей степени затруднить или исключить возможность реализации угроз безопасности. Наиболее типичные организационные меры:
- создание контрольно - пропускного режима на территории, где располагаются ЭВМ и другие средства обработки информации; - изготовление и выдача специальных пропусков; - допуск к обработке и передаче конфиденциальной информации только проверенных должностных лиц; - организация учета использования и уничтожения документов (носителей) с конфиденциальной информацией; - хранение носителей информации, а также регистрационных журналов в сейфах, недоступных для посторонних лиц; - разработка должностных, инструкций и правил по работе с компьютерными средствами и информационными массивами; - разграничение доступа к информационными и вычислительным ресурсам должностных лиц в соответствии с их функциональными обязанностями и др.
Инженерно - технические средства защиты призваны создать некоторую физически замкнутую среду вокруг объектов и элементов защиты. В этом случае используются такие мероприятия, как:
- установка средств физической преграды защитного контура помещений, где ведется обработка информации (кодовые замки, охранная сигнализация - звуковая, световая, визуальная без записи или с записью на видеопленку); - ограничение электромагнитного излучения путем экранирования помещений; - обеспечение электропитания оборудования, обрабатывающего ценную информацию, от автономного источника питания или от общей электросети через специальные сетевые фильтры; - применение, во избежание дистанционного съема информации, жидкокристаллических или плазменных дисплеев, струйных или лазерных принтеров с низким электромагнитным и акустическим излучением; - использование автономных средств защиты аппаратуры в виде кожухов, крышек, шторок с установкой средств контроля вскрытия аппаратуры.
Программно - аппаратные средства применяются широко и активно в персональных компьютерах и компьютерных сетях. Этими средствами реализуются такие функции, как разграничение и автоматическая регистрация доступа пользователей к тем или иным ресурсам, регистрация и анализ протекающих процессов, событий, пользователей, применение различных
46
типов антивирусных программ, позволяющих обнаруживать и уничтожать вирусы, а также "лечить" зараженные ресурсы.
Ключевыми понятиями в системе программно - аппаратных средств защиты являются идентификация и аутентификация объектов. Объектами идентификации и аутентификации могут быть люди (пользователи, операторы и др.), технические средства (мониторы, абонентские пункты), документы, магнитные носители информации и т.д. При идентификации тому или иному объекту присваивается уникальное имя или пароль, а при аутентификации устанавливается подлинность объекта, т.е. является ли он действительно тем, за кого себя выдает. Конечная цель идентификации и аутентификации объекта - допуск данного объекта к информации ограниченного пользования в случае положительных результатов проверки или отказ в допуске в случае отрицательного исхода проверки.
Существенное повышение надежности и эффективности идентификации и аутентификации объектов и, следовательно, информационной безопасности в целом достигается применением криптографических средств защиты. Криптографическое преобразование (шифрование), известное с древнейших времен, всегда оставалось привилегией исключительно правительственных и военных учреждений. Однако в последние десятилетия сфера применения криптографии существенно расширилась, особенно за счет различных коммерческих и банковских структур и организаций.
Защита информации методом криптографического преобразования заключается в приведении ее к неявному виду с помощью специальных алгоритмов либо аппаратных средств и кодов ключей. Ключ - это изменяемая часть криптографической системы, хранящаяся в тайне и определяющая, какое шифрующее преобразование из возможных выполняется в данном случае.
С помощью каждый раз меняющегося кода ключа обеспечивается оригинальное представление информации при использовании одного и того же алгоритма или устройства. Знание ключа позволяет относительно быстро, просто и надежно расшифровать текст. Однако без знания ключа эта процедура может оказаться практически невыполнимой.
Завершая рассмотрение различных средств защиты информации (организационных, инженерно - технических и др.), следует подчеркнуть, что затраты на их реализацию неуклонно растут, доходя уже до половины всех затрат, предназначенных для создания и функционирования систем обработки данных.
Эти затраты носят вполне оправданный характер, так как защита информации - это в первую очередь защита национальных интересов страны. Вот почему приобретают исключительно важное значение действующие в стране законы и нормативные акты, обеспечивающие правовую защиту информации.
47
В США первый закон о защите информации был принят более 90 лет назад, а в настоящее время в стране действуют около 500 нормативных актов, посвященных этой проблеме.
Продвижение нашей страны по пути рыночных преобразований обусловило необходимость принятия законодательных актов, регулирующих отношения, которые возникают при формировании и использовании информационных ресурсов. Эти акты предусматривают меры, направленные на создание и охрану национальных информационных ресурсов как общероссийского национального достояния. Это нашло свое отражение в Законе РФ "Об информации, информатизации и защите информации". Закон предотвращает бесхозяйственное отношение к информационным ресурсам, обеспечивает информационную безопасность, а также права юридических и физических лиц на получение информации.
48
43 :: 44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: Содержание
Программирование задачТестирование, отладка и эксплуатация программных средств
Программирование завершает формализованное описание выбранного метода и разработанного для него алгоритма решения задачи. На этом этапе составляется и вводится в память ЭВМ программа, состоящая из отдельных команд и определяющая последовательность выполняемых операций. Система команд, используемая в данной ЭВМ, вместе с принятыми в ней способами кодирования и адресации образует так называемый машинный язык данной ЭВМ.
Наиболее полно учитывает особенности ЭВМ ее машинный язык, операторы которого состоят из машинных команд Этот язык может быть непосредственно и однозначно воспринят ЭВМ в виде последовательности выполняемых операций. Программирование для ЭВМ первого поколения велось исключительно на машинном языке. На этом языке все команды программы представляются в двоичной системе счисления, т.е. комбинацией
74
нулей и единиц. Для сокращения записи команд программы двоичная система счисления обычно заменялась восьмеричной или шестнадцатеричной.
Разнообразие существующих ЭВМ обусловило появление множества их машинных языков, специфичных для каждого типа машины. Это затрудняет работу программистов, пользующихся разными ЭВМ, осложняет создание типовых программ, которые можно использовать для большинства ЭВМ. Кроме того, программы, составленные на машинном языке, не наглядны, требуют большой и кропотливой работы для их создания, затрудняют обнаружение и устранение неизбежных ошибок, допущенных в процессе написания программ. Поэтому в настоящее время машинные языки практически не применяются при программировании задач, за ними сохраняются лишь функции внутреннего языка ЭВМ. Для целей программирования стали применять различные формальные языки, не зависящие от конкретный ЭВМ, а целиком ориентированные на особенности решаемых задач. Такие языки отражают в большей степени алгоритм решения задачи, поэтому их принято называть алгоритмическими языками.
Современный алгоритмический язык существенно отличается от внутреннего машинного языка конкретной ЭВМ, поэтому программа, составленная на алгоритмическом языке, не может быть непосредственно воспринята ЭВМ.
Для этого необходимо перевести программу с алгоритмического языка на машинный язык данной ЭВМ. Такой перевод осуществляется самой машиной с помощью специальной программы, называемой программой - транслятором.
Чтобы охарактеризовать степень близости языка программирования к машинному языку, используется понятие уровня языка. За начало отсчета уровней принимается машинный язык, уровень которого равен 0. Естественный язык человека рассматривается как язык наивысшего уровня. Остальные языки, применяемые в настоящее время для программирования, занимают промежуточные уровни.
Программа, составленная на алгоритмическом языке, вводится в ЭВМ с помощью клавиатуры, при этом осуществляется ее трансляция, в результате чего в память ЭВМ заносится программа на машинном языке.
Непосредственно к этапу программирования примыкает этап тестирования и отладки программ. Оба эти процесса функционально связаны между собой, хотя их цели несколько отличаются друг от друга.
Тестирование представляет собой совокупность действий, предназначенных для демонстрации правильности работы программы в заданных диапазонах изменения внешних условий и режимов эксплуатации программы. Цель тестирования заключается в демонстрации отсутствия ошибок в разработанных программах на заранее подготовленном наборе контрольных примеров.
Отладка подразумевает совокупность действий, направленных на устранение ошибок в программах, начинающихся с момента обнаружения
75
фактов ошибочной работы программы и завершающихся устранением причин из возникновения.
Отладка программы состоит из синтаксического контроля, выполняемого в процессе трансляции, автономной отладки и, наконец, комплексной отладки программы на машинном языке.
В процессе синтаксического контроля устраняются формальные ошибки, допущенные при записи алгоритма на языке программирования. Без устранения этих ошибок трансляция программы невозможна.
При автономной отладке программу разбивают на части, по возможности, мало связанные между собой. Затем для каждой части в отдельности проверяют правильность работы программы на данном этапе вычислительного процесса.
После устранения ошибок, обнаруженных при автономной отладке, проводят комплексную отладку всей программы. При этом выполняют для нескольких примеров так называемые контрольные просчеты, при которых все части отлаживаемой программы работают совместно. В процессе комплексной отладки не только окончательно устраняются допущенные ошибки, но и совершенствуется программа в целом.
При этом практически невозможно указать какую - то определенную систему отладки, так как она в значительной степени определяется индивидуальными особенностями программиста, его квалификацией, опытом и т.п. Для целей отладки существуют также специальные отладочные программы, дающие программисту детальную информацию о работе отлаживаемой программы, вплоть до вывода результатов выполнения каждой команды. Работа с отладочной программой намного облегчает труд программиста.
После завершения тестирования и отладки программные средства вместе с сопроводительной документацией передаются пользователю для эксплуатации. Сопроводительная документация содержит необходимые инструктивные материалы по работе с программными средствами. Состав этой документации обычно оговаривается заказчиком (пользователем) и разработчиком программного средства.
Для передачи пользователю разработанных программных средств обычно создается специальная комиссия, включающая в свой состав как представителей разработчиков, так и заказчиков (пользователей). Комиссия в соответствии с заранее составленным и утвержденным обеими сторонами планом проводит приемку - передачу программных средств и сопроводительной документации. По завершению работы комиссией оформляется акт приемки - передачи.
В процессе внедрения и эксплуатации программных средств могут выявляться различного рода ошибки, не обнаруженные разработчиком при отладке и тестировании. Поэтому при реализации достаточно сложных и ответственных программных комплексов по согласованию пользователя (заказчика) с разработчиком этап эксплуатации программных средств
76
может быть разбит на два подэтапа: экспериментальная (опытная) и промышленная эксплуатация.
Смысл опытной эксплуатации заключается во внедрении разработанных программных средств на объекте заказчика с целью проверки их работоспособности и удобства использования при решении реальных задач в течении достаточно длительного периода времени (обычно не менее года). Только после завершения периода опытной эксплуатации и устранения выявленных при этом ошибок и учета замечаний программные средства передаются в промышленную эксплуатацию.
Для повышения качества работ, оперативности исправления ошибок, выявленных в процессе эксплуатации программных средств, а также выполнения различного рода модификаций, в которых может возникнуть необходимость в ходе эксплуатации, разработчик может по договоренности с пользователем осуществлять их сопровождение. Целесообразность привлечения высококвалифицированных специалистов для сопровождения программных средств объясняется тем, что затраты на сопровождение программ значительно превосходят первоначальные затраты на их разработку (приобретение). Следует принять во внимание, что по своему характеру и последовательности выполняемых действий внесение различного рода изменений в уже функционирующие программные средства представляет в значительной степени повторение рассмотренных выше этапов, начиная с постановки задачи и кончая внесением изменений в сопроводительную документацию.
77
74 :: 75 :: 76 :: 77 :: Содержание
Программное управление работой ЭВМАдресная структура команд и способы адресации операндов
Автоматизация вычислительного процесса осуществляется в ЭВМ на основе принципа программного управления, сформулированного американским ученым Дж. фон Нейманом в 1945 г. при разработке еще первых моделей ЭВМ. Согласно этому принципу все вычисления, выполняемые ЭВМ, задаются соответствующей программой, заранее составленной и введенной в ее память. Программа состоит из последовательности управляющих команд. Каждая команда содержит указания на выполнение конкретной
166
машинной операции и адреса в памяти участвующих в ней данных (операндов). Коды команд представляют собой многоразрядные двоичные комбинации, состоящие из 1 и 0, и внешне ничем не отличаются от двоичных кодов числовых данных. В таком виде эти коды хранятся в памяти ЭВМ.
Идеи, заложенные в программе, технически реализуются процессором (микропроцессором), который считывает из памяти очередную команду программы, расшифровывает ее, а затем подключает соответствующим образом необходимые устройства и узлы ЭВМ для выполнения данной команды. По существу, процессор организует автоматическое повторение одного и того же цикла, включающего в себя следующие действия (рис.8.1.):
- формирование адреса в памяти очередной команды, при этом адрес первой команды программы формируется вне цикла специальным способом, например нажатием соответствующей клавиши; - считывание кода команды из памяти и расшифровка ее содержания; - выполнение команды путем соответствующего подключения необходимых блоков и устройств ЭВМ.
Количество таких циклов определяется количеством команд в программе.
Рис. 8.1. Цикл работы процессора ЭВМ
В многоразрядном формате кода машинной команды выделяются два гак называемых поля: операционное и адресное (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Структура кода машинной команды
В операционном поле команды размещается код той операции (КОп), которую необходимо выполнить данной командой. В адресном поле размещены
167
коды адресов тех ячеек памяти, в которых хранятся данные (операнды), участвующие в выполнении данной операции.
На рис. 8.3. приведена схема, иллюстрирующая характер и последовательность функционального взаимодействия отдельных узлов и устройств ЭВМ в процессе выполнения команд программы. На схеме цифрами указана последовательность работы узлов и устройств ЭВМ в цикле выполнения одной команды.
Рис. 8.3. Взаимодействие устройств ЭВМпри выполнении команд программы
Для формирования адреса очередной команды используется счетчик команд (СК). Считанный из памяти код команды хранится в регистре команд (РК), состоящем из регистра КОп и регистра адресов данных. Синхронное и согласованное взаимодействие узлов и устройств ЭВМ при выполнении команд программы обеспечивает блок управления операциями (БУО) процессора. Указанное взаимодействие производится в следующей последовательности:
168
По адресу, сформированному в СК, считывается из памяти код очередной команды. Код команды поступает в РК. Код операции из РК расшифровывается в БУО, в результате чего формируются необходимые управляющие сигналы для выполнения данной операции. Адреса данных из РК поступают в память ЭВМ, и по ним производится считывание необходимых операндов. Считанные коды данных (операндов) поступают в АЛУ. Производится выполнение в АЛУ требуемой операции. Результат выполнения операции передается для хранения в память ЭВМ. В счетчике команд формируется адрес следующей команды.
Если имеет место естественный порядок выполнения команд программы, то определяется адрес очередной команды (прибавление к адресу предыдущей команды ее длины в байтах). В общем случае этот адрес может быть любым другим и зависеть, например, от результата выполнения предыдущей операции (команды).
Таким образом, функциональное взаимодействие устройств ЭВМ при реализации вычислительного процесса определяется, прежде всего, машинными командами программы, хранящейся в памяти. Структура машинной команды, как уже отмечалось, состоит из отдельных полей, имеющих определенное функциональное назначение. В такой структуре представлен, с одной стороны, код операции (КОп), подлежащей выполнению, а с другой - адресный код, который содержит в том или ином виде информацию об адресах операндов, участвующих в той операции, а также указывает в явном или неявном виде адрес, по которому следует поместить результат операции в память ЭВМ.
Структура команды с жестко установленным значением каждого разряда (бита) в любом поле команды называется форматом. Обычно формат команды имеет разрядность, кратную одному биту.
Для машинных команд существуют различные варианты адресации операндов, в зависимости от которых существуют одно - , двух - , трехадресные, а также безадресные команды (рис. 8.4).
Рис. 8.4. Структура машинных команд
169
Одноадресная команда содержит код операции и адрес А одного операнда. При этом второй операнд уже подготовлен предыдущей командой к выполнению и находится в АЛУ процессора (рис. 8.4, а).
Двухадресная команда содержит код операции и адреса двух операндов - А1 и А2 (рис. 8.4, б). Большинство команд современных ЭВМ - двухадресные.
Трехадресная команда содержит код операции, адреса двух операндов - А1 и А2, а также адрес A3, по которому записывается в память результат выполнения этой операции (рис. 8.4, в).
Безадресная команда содержит только код операции, в котором неявно подразумевается вся недостающая информация (рис. 8.4, г).
В общем случае адресный код команды отличается от исполнительного адреса, т.е. адреса памяти, по которому производится фактическое обращение. Правильный выбор способа адресации, т.е. механизма формирования исполнительного адреса, имеет большое значение для эффективного использования технических средств ЭВМ.
Рассмотрим основные способы адресации, сделав при этом оговорку, что кроме этих способов возможны также их различные комбинации.
Непосредственная адресация В команде содержится непосредственно сам операнд, при этом не требуется выделения ячейки памяти для его хранения. Данный способ удобен для организации вычислений с использованием различных констант. Прямая адресация. Адрес операнда в явном виде задан в соответствующем поле команды и совпадает с исполнительным адресом. Подразумеваемая адресация. В адресном поле команды не содержатся явные сведения об адресах операндов, но они подразумеваются. Например, в двухадресной структуре команд ЭВМ результат выполнения арифметической операции обычно помещается по адресу А2. Укороченная адресация.
Суть ее заключается в использовании только младших разрядов адреса (при этом старшие разряды заранее подразумеваются нулевыми). Этот вид адресации используется лишь для фиксированных ячеек памяти с короткими (малыми) адресами. Косвенная адресация. В адресном поле команды указывается адрес ячейки памяти, в которой хранится адрес операнда или очередной команды, т.е. косвенная адресация - это адресация адреса. Косвенная адресация широко используется в персональных ЭВМ, имеющих относительно короткую разрядность, так как позволяет преодолеть ограничения короткого формата их команд. Регистровая адресация. В адресном поле команды указываются номера регистров в составе процессора (микропроцессора), в которых хранятся операнды. Это позволяет повысить производительность процессора за счет уменьшения числа обращений к ОП. Автоинкрементная и автодекрементная адресация. По сути, оба способа адресации являются косвенной регистровой адресацией и основаны на хранении в регистре косвенного адреса операнда. Если после выполнения команды производится автоматическое приращение адреса, хранящегося в регистре, то имеет место автоинкрементная адресация; если производится автоматическое уменьшение этого адреса, то - автодекрементная адресация. Эти способы наиболее эффективны при адресации больших информационных массивов.
170
Стековая адресация используется в безадресных командах обращения к стековой памяти или просто стеку. При этом за стек принимается группа ячеек памяти с последовательными адресами, а в процессе один из регистров процессора выделяется под указатель стека. Обслуживание обращений к стековой памяти строится по принципу: "первым пришел - последним вышел". При записи в стек нового слова содержимое регистра с указателем стека увеличивается, а при считывании из стека - уменьшается. Стековая адресация позволяет безадресным командам выбирать из стека операнды, а результат заносить в стек. Относительная адресация (базирование). Исполнительный адрес в этом случае определяется некоторым базовым адресом и смещением D относительно этого адреса.
При этом базовый адрес обычно задается косвенной регистровой адресацией, для чего в адресном поле команды указывается номер В регистра базы процессора, содержимое которого (В) является базовым адресом операнда. Путем суммирования базового адреса и смещения получается исполнительный адрес АИСП обращения к основной памяти., т.е. AИСП = (В) + D, где буква В, заключенная в круглые скобки, означает содержимое регистра базы с номером В. Индексная адресация. При обработке массивов однотипных данных часто требуется производить обработку различных операндов одними и теми же командами. Механизм индексирования позволяет модифицировать адресные части команд (т.е. адреса операндов). Часто индексная адресация применяется в сочетании с базированием. Для этого в составе регистров процессора выделяются два регистра: базовый регистр В и регистр индекса X. В адресном поле команды указываются номера В и X этих регистров, а также смещение D. С учетом базирования и индексирования исполнительный адрес основной памяти определяется суммой АИСП = (В) + (X) t - D, где буквы В и X, заключенные в круглые скобки, обозначают, соответственно, содержимое регистров базы и индекса, имеющих адреса (номера) В и X.
171
166 :: 167 :: 168 :: 169 :: 170 :: 171 :: Содержание
Разработка алгоритма решения задачи
Вслед за математической постановкой задачи и выбором метода ее решения требуется дать полное и однозначное описание вычислительного процесса для ЭВМ. Это описание должно содержать необходимые формулы, по которым выполняется расчет, определять последовательность их применения, условия, при которых используется та или иная формула, а также указывать правила перехода от одной части вычислительного процесса к другой. Компьютеру должны быть даны все необходимые инструкции по поводу любых обстоятельств, которые могут возникнуть в ходе вычислительного процесса.
Такое описание задается алгоритмом решения данной задачи. Поиск, разработка и описание алгоритма решения задачи называется алгоритмизацией. Алгоритмизация - это сложный процесс, носящий в значительной степени творческий характер. Сложность и ответственность реализации данного этапа объясняется тем, что для решения одной и той же задачи, как правило, существует множество различных алгоритмов, отличающихся друг от друга уровнем сложности, объемами вычислительных работ, составом необходимой исходной и промежуточной информации и другими факторами, которые оказывают существенное влияние на эффективность вычислительного процесса. Ошибки, допущенные при разработке алгоритма, искажают ход вычислительного процесса и, следовательно, приводят к неверному результату.
71
Понятие алгоритма первоначально возникло в математике в результате поиска общих методов решения однотипных задач. Название "алгоритм" происходит от латинизированного воспроизведения арабского имени узбекского математика Аль - Хорезми, жившего в конце VIII - начале IX вв., который первым сформулировал правила, позволяющие систематически составлять и решать квадратные уравнения.
Развитие ЭВМ сделало понятие алгоритма одним из центральных в прикладной математике, так как возникла необходимость в определении общих способов формирования и единообразного решения различных классов задач управления на основе разработки комплексов универсальных алгоритмов.
Наряду с трактовкой алгоритма в соответствии с принятым стандартом (по ГОСТ 19.004 - 80 "Алгоритм - это точное предписание, определяющее вычислительный процесс, ведущий от варьируемых начальных данных к искомому результату") термин "алгоритм" может быть представлен более развернутым определением как конечный набор правил, однозначно раскрывающих содержание и последовательность выполнения операций для систематического решения определенного класса задач за конечное число шагов.
Любому алгоритму присущи следующие основные свойства: определенность, массовость, результативность и дискретность.
Свойство определенности характеризует однозначность толкования указаний алгоритма. Алгоритм строго определяет необходимую последовательность выполняемых действий. Благодаря определенности процесс реализации не зависит от конкретного исполнителя и может носить чисто механический характер.
Массовость алгоритма означает применимость данного алгоритма к любым допустимым значениям исходных данных. Иными словами, алгоритм служит для решения любой задачи из некоторого класса аналогичных задач при различных сочетаниях исходных данных.
Свойство результативности алгоритма заключается в возможности получения искомого результата для допустимых значений исходных данных за конечное число достаточно простых итогов.
Дискретность алгоритма означает возможность разбиения определенною алгоритмического процесса на отдельные элементарные действия, возможность реализации которых человеком или ЭВМ не вызывает сомнения.
Существует несколько способов описания алгоритма: словесный, формульно - словесный, графический и др.
Словесный способ описания алгоритма отражает содержание выполняемых действий средствами естественного языка К достоинствам этого способа следует отнести его общедоступность, а также возможность описывать алгоритм с любой степенью детализации. Недостатками способа можно назвать достаточно громоздкое описание (и. как следствие, относительно низкая наглядность) и отсутствие строгой формализации в силу неоднозначности
72
восприятия естественного языка, вытекающего из свойств синонимии, омонимии, полисемии.
Формульно - словесный способ описания алгоритма основан на записи содержания выполняемых действий с использованием изобразительных возможностей языка математики, дополненного необходимыми пояснениями средствами естественного языка. Данный способ, обладая всеми достоинствами словесного способа, более лаконичен, а значит, и более нагляден, имеет большую формализацию, хотя и не является строго формальным.
Графический способ описания алгоритмов основан на использовании языка структурных схем. Структурная схема алгоритма представляет собой графическое изображение последовательности действий при реализации данного алгоритма. Этапы решения задачи представляются в структурной схеме отдельными блоками, которые изображаются соответствующими символами: прямоугольниками, ромбами, овалами и т.д. ГОСТ 19.003 - 80 устанавливает перечень символов, применяемых в структурных схемах алгоритмов, форму и размеры этих символов, а также отображаемые ими функции (действия). Основные символы структурных схем алгоритмов и отображаемые ими функции приведены на рис. 4.2.
Рис. 4.2. Обозначения символов структурных схем алгоритмови отображаемые ими функции
73
Внутри символов структурной схемы указывается содержание соответствующих этапов вычислений. Символы структурной схемы соединяются стрелками, показывающими направления развития вычислительного процесса. Иногда около стрелок делаются надписи, указывающие на то, при каких условиях происходит выбор данного направления.
Для сложных задач рекомендуется сначала разрабатывать укрупненную структурную схему алгоритма, а затем детализировать более подробно ее отдельные блоки. Практически любой сложный алгоритм обычно строится из комбинации трех базовых структур: линейной, разветвляющейся и циклической.
Линейным называется такой алгоритмический процесс, при котором все этапы решения задачи выполняются в естественном порядке следования записи этих этапов.Для линейной структуры характерно, что порядок выполнения этапов не зависит ни от исходных данных, ни от результатов выполнения предыдущих этапов.
Разветвляющаяся структура обычно содержит блок проверки некоторого логического условия, например, а ? 0; а < в, а ? в и т.п. В зависимости от результата проверки выполняется та или иная последовательность действий, называемая ветвью.
В циклической структуре реализуются многократно повторяющиеся этапы обработки данных. Такая структура обычно содержит несколько типовых блоков. Основной блок, называемый телом цикла, производит требуемые линейные, разветвляющиеся или другие циклические структуры, а также сочетания этих структур. Кроме тела цикла, в циклической структуре используются также вспомогательные блоки, в которых устанавливаются начальные и новые значения данных, проверяются условия окончания цикличности процесса и т.д.
74
71 :: 72 :: 73 :: 74 :: Содержание
Режимы работы ЭВМ и формы обслуживания пользователей
В современных ЭВМ могут быть обеспечены различные режимы работы, т.е. различные способы выполнения программ. При этом каждому режиму соответствует организованное определенным образом взаимодействие технических и программных средств ЭВМ. Эти режимы подразделяются на однопрограммные и многопрограммные (мультипрограммные).
171
В однопрограммном режиме все ресурсы ЭВМ (время работы процессора, емкость памяти и др.) используются для выполнения одной программы. При этом пользователь имеет прямой и непосредственный доступ ко всем техническим и программным средствам ЭВМ. С точки зрения загрузки отдельных устройств ЭВМ данный режим является наименее эффективным, так как при выполнении только одной программы устройства ЭВМ работают с неодинаковой нагрузкой, а некоторые из них вообще простаивают значительную часть машинного времени.
Более эффективным с этой точки зрения является многопрограммный (многозадачный) режим, обеспечивающий возможность запуска и параллельного выполнения нескольких программ (задач) одновременно. При таком режиме в каждый момент времени процессор выполняет команду только одной программы. Однако всякий раз, когда выполнение этой программы приостанавливается, например из - за необходимости произвести операцию ввода - вывода, процессор переходит к выполнению другой программы; не закончив ее (возможно, по той же причине), он может перейти к выполнению третьей и т.д., сохраняя при этом возможность вернуться к незаконченным программам и продолжить их выполнение. Операционная система распределяет ограниченные ресурсы ЭВМ между параллельно выполняемыми программами. При этом часть программ находится в состоянии ожидания необходимых ресурсов, другая часть - в состоянии готовности, когда программам предоставлены все ресурсы, кроме процессорного времени, и только одна программа находится в активном состоянии, т.е. обрабатывается процессором. Моменты и очередность переключения программ организуются операционной системой таким образом, чтобы обеспечить более плотную загрузку оборудования, повысить пропускную способность ЭВМ, хотя при этом время выполнения отдельных программ может даже увеличиться по сравнению с однопрограммным режимом.
На рис. 8. 5 приведена временная диаграмма работ центрального процессора ЦП при выполнении программ 1 и 2 в однопрограммном и многопрограммном режимах.
172
Рис. 8.5. Временная диаграмма работы центрального процессорав однопрограммном (а) и многопрограммном (б) режимах
В однопрограммном режиме программы 1 и 2 выполняются последовательно одна за другой. По ходу их выполнения ЦП вынужден многократно приостанавливать свою работу из - за необходимости обмена данными с периферийными устройствами ПУ1 и ПУ2. В многопрограммном режиме таких остановок нет, и общее время выполнения обеих программ сокращается, хотя для отдельной программы оно может увеличиться по сравнению с однопрограммным режимом.
Следует также отметить, что мультипрограммная обработка данных может быть инициирована не только командами процессора, но и запросами периферийных устройств, требующих прерывания текущей программы для выполнения операций ввода - вывода по другим программам.
В персональных ЭВМ с магистральной структурой построения имеется контроллер прерываний, который на приоритетной основе определяет, какому из периферийных устройств выделяется системная магистраль для обмена данными. Наивысший абсолютный приоритет имеют запросы прямого доступа к ОП. Уровень приоритета микропроцессора может изменяться программно. Однако всегда запрос прямого доступа к памяти вызывает в процессоре прерывание операции обмена данными с ОП. Приоритеты периферийных устройств фиксированы по определенным уровням, а в рамках каждого уровня они устанавливаются в зависимости от порядка
173
подключения этих устройств к линии запросов прерываний. В любом случае фиксированные приоритеты периферийных устройств конкурируют между собой, а также с приоритетом микропроцессора.
Мультипрограммный режим позволяет в значительной степени преодолеть несоответствие в быстродействии электронного оборудования процессора и электромеханического оборудования периферийных устройств, так как при этом независимо от процессора, обрабатывающего одну из программ, периферийными устройствами выполняются процедуры ввода - вывода по другим программам.
Современным развитием режима многопрограммной обработки данных стал режим многопоточности, при котором задача (программа) разбивается на несколько подзадач, решаемых независимо друг от друга. При этом под потоком здесь понимается отдельная подзадача, являющаяся частью общей задачи. Каждый поток самостоятельно претендует на процессорное время. Операционная система отслеживает процесс выполнения потока и в случае его остановки по тем или иным причинам автоматически загружает новый поток, управляет ресурсами и систематически распределяет время между потоками с учетом их приоритетов.
Операционные системы, организуя различные режимы работы ЭВМ, обеспечивают также разнообразные формы (режимы) обслуживания пользователей, среди которых можно выделить режим пакетной обработки, режим разделения времени, диалоговый режим и режим реального времени.
В режиме пакетной обработки пользователи не имеют непосредственного доступа к ресурсам ЭВМ. Подготовленные ими программы группируются в пакеты, а затем обрабатываются последовательно или по заранее составленному расписанию в мультипрограммном режиме.
Режим разделения времени обеспечивает прямой и независимый доступ пользователей к ресурсам ЭВМ. Впервые данный режим стал применяться в ЭВМ третьего поколения, работающих в мультипрограммном режиме и обеспечивающих практически одновременный и независимый доступ многочисленных пользователей к ресурсам ЭВМ (так называемый мультидоступ). Мультидоступ предполагает наличие у пользователей своего терминала, например дисплея, с помощью которого он может независимо от других пользователей обратиться к ЭВМ с запросами на обработку своих программ и получить результаты этой обработки.
Прямой и независимый доступ пользователей к ресурсам ЭВМ обеспечивается разделением времени при выполнении их запросов. Операционная система выделяет каждому пользователю строго ограниченный квант машинного времени. В течение таких циклически повторяющихся интервалов времени осуществляется обработка программ (запросов) пользователей.
В идеальном случае интервал времени между включениями в работу одной и той же программы не должен превышать обычное время реакции человека. Тогда пользователь, управляющий своей программой,
174
не будет ощущать прерывистого характера ее выполнения, и у него создается полная иллюзия работы в индивидуальном режиме.
Порядок распределения между пользователями ресурсов ЭВМ устанавливается дисциплиной квантованного обслуживания. В простейшем случае используется одна, а в общем случае несколько очередей обслуживания.
При одноочередной дисциплине обслуживания (рис. 8.6) вновь поступающие запросы (программы) ставятся в конец очереди. Для обслуживания выбирается программа из начала очереди и ей выделяется квант процессорного времени. Если за это время программа успеет завершиться, то результат выдается пользователю, а процессор переходит к обработке следующей из очереди программы. Если за выделенный квант времени программа не закончится, то ее обработка прерывается, она поступает в конец очереди и осуществляется переход к обработке следующей из очереди программы.
Рис. 8.6. Мультипрограммная ЭВМ с одноочередной дисциплинойобслуживания пользователей
При многоочередной дисциплине обслуживания организуется несколько очередей, имеющих различный приоритет. Вновь поступающий запрос устанавливается в конец очереди с наивысшим приоритетом. Если в течение выделенного кванта времени обработка данной программы не закончилась, то она переходит в конец очереди с более низким приоритетом. Такая дисциплина обеспечивает квантованное обслуживание пользователей до полного завершения обработки их программ и выдачи результатов на соответствующие терминалы.
175
Диалоговый режим обслуживания реализует взаимодействие пользователя с ЭВМ исходя не только из имеющихся у нее ресурсов, а главным образом из необходимости обеспечить такой темп взаимодействия, который позволял бы пользователю воспринимать и анализировать результаты обработки данных и на этой основе своевременно принимать необходимое решение.Диалоговый режим создает для пользователя максимальные удобства.
Режим реального времени обеспечивает такую скорость вычислительного процесса, которая соответствует скорости процессов, протекающих в реальном времени вне ЭВМ. Данный режим необходим при использовании ЭВМ для автоматизации научных экспериментов, при испытаниях сложных объектов, контроле и управлении различными технологическими процессами. Вычислительный процесс при этом должен быть организован таким образом, чтобы результаты обработки можно было своевременно использовать для воздействия на реально протекающий процесс в том или ином объекте управления.
176
171 :: 172 :: 173 :: 174 :: 175 :: 176 :: Содержание
Рынок информационных продуктов и услуг
Рынок информационных продуктов и услуг (информационный рынок) - это система экономических, правовых и организационных отношений по торговле продуктами интеллектуального труда на коммерческой основе
В отличие от торговли товарами, имеющими овеществленную форму, здесь в качестве предмета продажи или обмена выступают информационные системы, технологии, лицензии, патенты, товарные знаки, инженерно - технические ноу - хау и прочие виды информационных ресурсов. В условиях рыночной экономики люди должны знать, где находятся информационные ресурсы, сколько они стоят, кто ими владеет, кто в них нуждается, насколько они доступны и т.д.
Совокупность средств, методов и условий, позволяющих использовать информационные ресурсы, составляет информационный потенциал общества. Это не только индустрия производства современных средств обработки и передачи информации, но также сеть различных организаций, обеспечивающих информационное обслуживание общества на базе современных информационных технологий.
Формирование устойчивого рынка информационных услуг, основанных на компьютерных технологиях, началось с середины 50 - х гг. Основными поставщиками рынка являлись информационно - вычислительные службы и подразделения академических институтов, учебных заведений и различных отраслевых научно - производственных организаций и объединений. Основные потребители - ученые и специалисты в различных областях науки и техники.
С начала 60 - х гг. параллельно с рынком информационных услуг стал формироваться рынок услуг электронной обработки и передачи информации.
С середины 60 - х до середины 70 - х гг. с созданием национальных и глобальных сетей передачи данных ведущим видом информационных услуг становится диалоговый поиск информации в удаленных от пользователя базах данных.
Начиная с 80 - х гг. формируется информационная индустрия, оказывающая все большее влияние на экономическую и социальную жизнь общества.
В процессе своего развития информационный рынок постепенно структурируется в виде определенной совокупности различных секторов, каждый из которых объединяет группу людей или организаций, предлагающих однородные информационные продукты и услуги.
Так, в инфраструктуре современного информационного рынка можно, например, выделить сектора, предлагающие:
- различную деловую информацию (биржевую, финансовую, статистическую, коммерческую и др.);
41
- информацию для специалистов в различных областях профессиональной деятельности; - потребительскую информацию (новости прессы, расписания транспорта, сведения о потребительском рынке и рынке труда, заказ товаров и услуг, развлекательную информацию, различные справочники, энциклопедии и др.); - информацию об услугах в сфере образования; - информацию о современных программно - аппаратных средствах информационных систем, их разработке и сопровождении.
Необходимые динамизм и эффективность формирования информационного рынка обеспечиваются многими составляющими. Назовем основные из них.
Техническая и технологическая составляющие - это современное информационное оборудование, мощные компьютеры, развитая телекоммуникационная сеть и соответствующие им технологии переработки информации.
Информационная составляющая - это справочно - навигационные средства и структуры, помогающие находить нужную информацию о производителях и распространителях различной информации.
Организационная составляющая - это элементы государственного регулирования взаимодействия производителей и распространителей информационных продуктов. В нашей стране в силу переходных процессов в экономике и начавшейся информатизации общества организационный фактор государственной политики является достаточно актуальным.
Нормативно - правовая составляющая - это юридические документы: законы, указы, постановления, которые обеспечивают цивилизованные отношения на информационном рынке.
В нашей стране базовым юридическим документом в этой области является закон РФ "Об информации, информатизации и защите информации", принятый 25 февраля 1995 г. Закон состоит из 25 статей, сгруппированных по пяти главам: общие положения; информационные ресурсы; пользование информационными ресурсами; информатизация, информационные системы, технологии и средства их обеспечения; защита информации и прав субъектов в области информационных процессов и информатизации.
В законе определены цели и основные направления государственной политики в сфере информатизации. Информатизация определяется как важное стратегическое направление деятельности государства.
Закон создает условия для включения России в международный информационный обмен, предотвращает бесхозяйственное отношение к информационным ресурсам, обеспечивает информационную безопасность и права юридических и физических лиц на информацию. В нем комплексно решаются проблемы организации информационных ресурсов, правовые
42
положения по их использованию и предлагается рассматривать информационные ресурсы в двух аспектах:
- как материальный продукт, который можно покупать и продавать; - как интеллектуальный продукт, на который распространяется право интеллектуальной собственности, авторское право.
Закон закладывает юридические основы гарантий прав граждан на информацию, на накопленные информационные ресурсы и технологические достижения. Обеспечена защита собственности в сфере информационных систем и технологий, что способствует формированию цивилизованного рынка информационных ресурсов, услуг, систем, технологий и средств их обеспечения.
Говоря о нормативно - правовой составляющей информационного рынка, следует также заметить, что в действующем ныне Уголовном кодексе РФ глава 28 посвящена компьютерным преступлениям.
43
41 :: 42 :: 43 :: Содержание
Сетевые адаптеры и модемы
Чтобы обеспечить передачу информации из ЭВМ в передающую среду или, наоборот, принять информацию из этой среды, необходимо согласовать сигналы внутреннего интерфейса ЭВМ с параметрами сигналов, передаваемым по каналам связи. Необходимость соединения ЭВМ с каналами связи возникла достаточно давно, например при сопряжении между собой нескольких территориально - рассредоточенных ЭВМ или при организации взаимодействия ЭВМ с терминалами удаленных от ЭВМ многочисленных пользователей.
Технические устройства, выполняющие функции сопряжения ЭВМ с каналами связи, называются адаптерами, или сетевыми адаптерами. Один адаптер обеспечивает сопряжение с ЭВМ одного канала связи. Кроме одноканальных адаптеров, используются и многоканальные устройства - мультиплексоры передачи данных (МПД) (или просто мультиплексоры). В основе мультиплексирования каналов лежит дешифрирование с помощью МПД адресных кодов данных как на передающей, так и приемной стороне каналов.
238
Среди различных каналов передачи данных наиболее распространенными являются выделенные для этой цели телефонные линии связи. Цифровые данные (комбинации нулей и единиц) передаются при этом по одному проводу в последовательном коде, т.е. бит за битом. Такая передача, хотя и менее быстродействующая, чем параллельная, является экономически более выгодной, особенно при передаче сообщений на большие расстояния.
Сетевой адаптер осуществляет переформатирование данных из параллельной формы представления в последовательную, и наоборот.
Цифровые данные, полученные из ЭВМ и подлежащие передаче по каналу связи, физически представляются, как известно, дискретными уровнями электрического напряжения (например, 1 - высокий, а 0 - низкий уровень). Дискретный способ передачи обеспечивает высокую скорость обмена данными (до 10 Мбит/с), однако, он позволяет использовать передающую среду в каждый данный момент времени только двумя абонентами и допускает нормальную работу только на ограниченном расстоянии (длина линии связи не более 1000 м).
В телефонных линиях связи обычно применяется аналоговый способ передачи данных, основанный на использовании аналогового (непрерывного) сигнала так называемой несущей частоты. В общем случае сигнал несущей частоты представляет собой гармоническое колебание, которое описывается выражением:
? = ?max sin (?t - ?0),
| где | ?max - амплитуда колебаний; |
| ? - частота колебаний; | |
| t - время; | |
| ?0 - начальная фаза колебаний. |
Аналоговый способ передачи данных позволяет одновременно использовать один телефонный канал связи многими абонентами, работающими на различных несущих частотах.
Преобразование цифровой последовательности информационных битов в аналоговые сигналы и обратное преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму осуществляет специальное устройство - модем (сокращенно от слов модулятор и демодулятор).
Модем выполняет следующие основные функции:
- при передаче - преобразование импульсного цифрового кода в аналоговые сигналы (т.е. модуляцию);
239
- при приеме - фильтрацию принятого аналогового сигнала от помех и его преобразование в цифровой код (т.е. демодуляцию).
В состав типичного модема входят: специализированный микропроцессор для управления его работой, оперативная память для хранения содержимого регистров модема и буферизации передаваемых (получаемых) данных, электрически перепрограммируемая постоянная память для хранения коммуникационных программ, а также другие вспомогательные элементы.
По конструктивному исполнению модемы бывают внутренние (встроенные) и внешние. Внутренний модем выполняется в виде отдельной (дочерней) платы, вставляемой в разъем (слот) на материнской плате компьютера. Внешний модем представлен в виде отдельного устройства, подключенного к последовательному порту компьютера.
К телефонной линии связи модем подключается либо непосредственно, либо при помощи микрофона и динамика к обыкновенной телефонной трубке (акустические модемы).
Важнейшей характеристикой модема является максимальная обеспечиваемая им скорость приема/передачи данных, измеряемая количеством бит в секунду. В качестве единицы измерения этой скорости используется также бод. Бод - это число изменения состояния передающей среды в единицу времени. Поскольку каждое такое изменение может происходить через несколько переданных (принятых) битов данных, реальная скорость в битах в секунду может превышать скорость в бодах.
Большинство современных модемов может работать с максимальной скоростью от 28 Кбод и выше. Однако максимально доступная модему скорость обмена данными не всегда может быть обеспечена в реальных каналах связи. На плохих телефонных линиях скорость обмена может быть существенно ниже: 9600, 4800, 2400 и даже 1200 бод.
Для компенсации дефектов качества каналов связи многие модемы используют протоколы коррекции ошибок стандарта MNP (Microcom Networking Protocol), обеспечивающие аппаратными средствами автоматическую коррекцию ошибок и компрессию (сжатие) передаваемых данных. Так, по российским телефонным сетям практически невозможно передавать данные со скоростью выше 2400 бод без наличия у модема функции MNP - коррекции.
Большинство современных модемов реализуют также функции приема/передачи факсимильных сообщений (так называемые факс - модемы).
В отечественной практике наиболее распространенными являются модемы фирм U.S.Robotics, ZyXEL, GVC.
240
238 :: 239 :: 240 :: Содержание
Системное и прикладное программное обеспечение
Системное программное обеспечение непосредственно связано с ЭВМ и является, в сущности, ее неотъемлемой частью. Системное ПО обеспечивает надежную и эффективную работу компьютера, проводит диагностику работоспособности его технических средств, поддерживает функционирование других программ, предоставляет пользователю набор всевозможных услуг и т.д. Благодаря системному ПО значительно расширяются функциональные возможности ЭВМ, улучшаются их эксплуатационные характеристики.
В составе системного ПО можно выделить следующие основные компоненты (рис. 4.4): операционную систему; операционные оболочки и среды; систему автоматизации программирования; систему технического обслуживания.
79
Рис. 4.4. Структура системного программного обеспечения
Дадим им краткую характеристику.
Операционная система (ОС) занимает центральное место в системном ПО и реализует следующие основные функции:
- управление всеми программами и данными в ходе вычислительного процесса; - планирование и управление распределением вычислительных ресурсов ЭВМ; - увеличение пропускной способности ЭВМ. т.е. увеличение общего объема работ, выполняемых ЭВМ в единицу времени; - уменьшение времени реакции системы, т.е. сокращение интервала времени между моментами поступления заданий в ЭВМ и моментами получения результатов; - помощь пользователям при использовании ими технических и программных средств, облегчение их работы; - обеспечение адаптации ЭВМ, заключающейся в способности изменяться, пополняться новыми техническими и программными средствами.
Первая и наиболее простая операционная система ОС СР/М для персональных ЭВМ была разработана в 1974 г., которая фактически стала стандартом для 8 - разрядных микропроцессоров.
До недавнего времени на большинстве персональных компьютеров была установлена 16 - разрядная операционная система MS DOS, разработанная в 1981 г. фирмой Microsoft. Последняя версия 6.22 данной ОС, а также ее разновидности других фирм - разработчиков (DR DOS, PS DOS), несмотря на свою простоту и экономичность, к настоящему времени уже морально устарели, и на смену им пришли операционные системы нового поколения.
Главными отличительными особенностями современных ОС являются:
80
- более полное использование всех возможностей, предоставляемых современными микропроцессорами, например, с точки зрения их разрядности (32 и более); - многозадачность, т.е. способность обеспечивать одновременное выполнение нескольких программ; - многопоточность, т.е. возможность разделения выполняемой программы на несколько не связанных друг с другом частей; - развитый графический пользовательский интерфейс; - полная независимость от аппаратуры (поддержка всех видов дисплеев и принтеров); - развитые средства защиты информации и разграничения доступа; - расширенные возможности сетевого использования ЭВМ; - совместимость со всеми видами приложений операционной системы MS DOS.
К числу таких ОС прежде всего относятся: Windows 95, 98, 2000, Windows NT, OS/2, Unix и некоторые другие. Каждая из перечисленных ОС наделена теми или иными сетевыми возможностями. Вместе с тем, существуют также сетевые операционные системы. Наиболее распространенная среди них ОС NetWare предоставляет пользователю широкие возможности для обработки, передачи и хранения данных в вычислительной сети.
Операционные оболочки и среды. Работа с операционной системой требует в общем случае знания большого количества управляющих команд, что создает для пользователя определенные трудности. Поэтому для облегчения диалога пользователя с персональным компьютером и создания удобств при работе с операционной системой были разработаны специальные программные средства, выполняющие роль промежуточного звена между пользователем и операционной системой, делающие пользовательский интерфейс более комфортным. Такие программные надстройки к операционной системе получили название операционных оболочек.
Весьма распространенной в настоящее время является программа - оболочка Norton Commander (NC). В нашей стране применяются, в основном, русифицированные версии 4.0 и 5.0. Оболочка Norton Commander совместно с операционной системой MS DOS позволяет получать в наглядном виде информацию о компьютере, оперативной памяти и ее загрузке, осуществлять поиск файлов и каталогов, редактировать текстовые файлы, работать с архивными файлами и т.д.
Следующим шагом на пути совершенствования диалога пользователя с персональным компьютером было создание операционной среды MS Windows, предоставляющей пользователю интуитивно понятный и универсальный графический интерфейс. Наиболее распространенной является ее версия Windows 3.1.
Различия между операционными оболочками и операционными средами достаточно условны. И те, и другие функционируют только совместно
81
с соответствующей операционной системой (в данном случае MS DOS). Операционную среду можно назвать полнофункциональной надстройкой над ОС, поскольку она, в отличие от оболочки, может самостоятельно формировать новую среду выполнения программ. Под управлением Windows работают как программные средства, созданные для среды MS DOS, так и специально разработанные прикладные программы (Windows - приложения).
Наряду с совершенствованием операционных систем постоянно совершенствуются программные оболочки и среды. Так, в настоящее время созданы и используются такие средства, как NC for Windows, Norton Navigator for Windows и др.
Системы автоматизации программирования (САП) предназначены для совершенствования процесса разработки и отладки программ, т.е. для повышения эффективности и производительности труда программистов. Системы программирования включают в свой состав языки программирования, трансляторы с этих языков, а также различные вспомогательные программы (редактор, библиотекарь, загрузчик и др.), используемые в процессе подготовки рабочих программ к выполнению.
Все языки программирования подразделяются на машинно - зависимые (низкого уровня) и машинно - независимые (высокого уровня) (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Классификация языков программирования
Средства машинно - зависимых языков отражают (учитывают) специфику функционирования определенного класса ЭВМ. При программировании задач с помощью таких языков требуется знание не только сущности реализуемого алгоритма решения задачи, но и технических особенностей конкретной ЭВМ. В их составе выделяются машинные и машинно - ориентированные.
Машинный язык является внутренним языком ЭВМ и в настоящее время не используется для программирования даже программистами - профессионалами из - за чрезмерной трудоемкости и детализации процесса разработки программ.
82
К машинно - зависимым языкам программирования также относятся машинно - ориентированные языки (ассемблеры, автокоды и др.), которые, как и машинные языки, позволяют учитывать особенности архитектуры определенной ЭВМ, но вместе с тем, допускают использование выразительных средств, присущих языкам высокого уровня. Они требуют предварительной трансляции на машинный язык программ, составленных с их помощью. Использование языка ассемблера, как правило, ограничено областью системного программирования. Такими языками пользуются профессиональные системные программисты, особенно в тех случаях, когда разрабатываемые программы должны быть максимально компактными и быстродействующими.
К машинно - независимым языкам высокого уровня относятся процедурно - , проблемно - и объектно - ориентированные языки. Все они не требуют от программиста (пользователя) полного знания специфики ЭВМ, на которой реализуется программа решения задачи.
Процедурно - ориентированные являются наиболее универсальным классом языков программирования, используются для решения широкого класса задач, для которых имеется возможность описания программы как совокупности процедур. Из этого класса наиболее распространенными являются языки Бейсик, Фортран, Паскаль, Кобол, Пл/1 и др.
Обособленное, промежуточное положение между машинно - и процедурно - ориентированными языками занимает язык СИ, создание которого явилось результатом попытки объединения достоинств, присущих языкам обоих классов. Этот язык используется главным образом для создания системных и прикладных программных продуктов, в которых решающее значение отводится факторам быстродействия и минимизации объема памяти. Так, например, на языке СИ практически полностью разработана операционная система UNIX.
Проблемно - ориентированные языки предназначены для описания процессов обработки информации в более узкой, специфической области.
В этих языках имеется возможность описывать алгоритмы обработки информации более крупными конструкциями. Наиболее известными языками этой группы являются:
РПГ - язык для создания и обработки файлов и формирования выходных документов; АПЛ - язык для решения задач, связанных со статистической обработкой больших информационных массивов; GPSS - язык, ориентированный на моделирование систем и некоторые другие возможности.
В последнее время отмечается интенсивное развитие объектно - ориентированных языков программирования (СИ++, Delphi, Visual Basic и др.). Эти языки основаны на выделении и описании классов объектов, имеющих общие характерные свойства и методы обработки.
83
Основное достоинство всех языков высокого уровня заключается в возможности описания программ решения задач в форме, максимально удобной для восприятия человеком. Но так как каждое семейство ЭВМ имеет свой собственный внутренний (машинный) язык и может выполнять лишь те команды, которые записаны на этом языке, то для перевода исходных программ на машинный язык используются специальные программы - трансляторы.
Различают трансляторы двух типов: интерпретаторы и компиляторы.
Трансляторы - интерпретаторы осуществляют последовательное пооператорное преобразование каждого предложения исходной программы в блок машинных команд с одновременным их выполнением. Машинная программа в полном объеме при этом не создается, решение задач пользователей происходит замедленными темпами. Этот вид транслятора рекомендуется использовать при отладке новых программных продуктов.
Трансляторы - компиляторы сначала полностью переводят исходную программу на машинный язык, после чего оттранслированная программа может неоднократно исполняться. Для одной и той же программы трансляция методом компиляции обеспечивает более высокую производительность вычислительной системы при сокращении требуемого объема оперативной памяти.
Программы, составленные на любом языке программирования (кроме машинного), перед своим выполнением проходят несколько стадий предварительной обработки.
Для этого используются различные обслуживающие программы, имеющиеся в составе САП (рис. 4.6).
84
Рис. 4.6. Стадии обработки программ перед их выполнением
После ввода программы в ЭВМ формируется исходный модуль, составленный на входном языке программирования. Этот модуль с помощью программы - транслятора преобразуется в так называемый объектный модуль, который представляется в виде набора программ, имеющих промежуточный формат, общий для всех трансляторов. Специфика исходных языков программирования при этом теряется; однако, это еще не рабочая машинная программа, а некоторый промежуточный вид ее записи. Фаза программы, или загрузочный модуль получается после этапа редактирования объектного модуля. Загрузочный модуль представляется на внутреннем машинном языке и содержит готовые к выполнению программы.
85
Все программы в зависимости от того, в какой стадии подготовки они находятся (исходный, объектный или загрузочный модуль), могут храниться в соответствующей системной библиотеке. В библиотеке загрузочных модулей в виде программных фаз содержатся компоненты операционной системы, а также готовые к выполнению рабочие программы пользователей. Наличие этой библиотеки является обязательным, так как только из нее поступают программы в оперативную память для последующего выполнения. Для обслуживания всех библиотек используются специальные сервисные программы - утилиты, которые создают и корректируют библиотеки, отображают их содержание или оглавление.
Системы технического обслуживания в составе ПО ЭВМ (рис. 4.4) содержат программы, предназначенные для контроля работоспособности и диагностики неисправностей технических средств ЭВМ на стадиях наладки, эксплуатации и профилактики. Они являются инструментом специалистов, занятых эксплуатацией и ремонтом технических средств ЭВМ.
Контрольно - наладочные программы используются для проверки правильности функционирования отдельных устройств и ЭВМ в целом в процессе наладки. Диагностические программы служат для контроля работы устройств ЭВМ в процессе эксплуатации, для обнаружения и локализации возможных неисправностей.
Часть этих программ работает независимо от операционной системы, а другая часть работает под ее управлением.
Системное программное обеспечение ЭВМ, состоящее из рассмотренных компонентов, является инструментарием разработки и базовой платформой для установки прикладного программного обеспечения.
Прикладное программное обеспечение состоит из прикладных программ пользователей и пакетов прикладных программ.
Прикладные программы, создаваемые пользователями, разрабатываются и отлаживаются с использованием средств автоматизации программирования, имеющихся в их распоряжении, а также с учетом особенностей других компонентов системного ПО, на базе которых эти программы будут применяться.
Пакеты прикладных программ (ППП) являются наиболее представительным классом средств программного обеспечения, значительно расширяющим сферу и возможности применения вычислительной техники. ППП делятся на пакеты общего назначения, методо - ориентированные, проблемно - ориентированные и интегрированные пакеты.
ППП общего назначения поддерживают преимущественно информационные технологии конечных пользователей, обеспечивая их необходимыми средствами для управления базами данных, обработки текстовой, графической, табличной и др. информации.
Проблемно - ориентированные ППП направлены на решение определенного круга задач в конкретных предметных областях деятельности. В их числе можно, например, отметить ППП автоматизированного бухгалтерского
86
учета, финансовой деятельности, управления персоналом, автоматизированного проектирования, управления материальными запасами и др.
Интегрированные ППП представляют собой набор нескольких программных продуктов, функционально дополняющих друг друга, поддерживающих единые информационные технологии, реализованные на общей вычислительной и операционной платформе. Достаточно широкое распространение получил в настоящее время ППП MS Office, обеспечивающий организационное управление деятельностью офиса и включающий в себя такие пакеты, как табличный процессор, текстовый редактор, систему управления базами данных (СУБД), графический редактор и др.
Программное обеспечение современных ЭВМ и вычислительных систем строится по модульному принципу, обеспечивающему возможность адаптации ЭВМ к конкретным условиям применения, способность систем к совершенствованию, наращиванию мощности и т.д. Модули ПО предоставляют для пользователя своеобразную иерархию программных компонентов, используемую им при решении своих задач (рис. 4.7).
Рис. 4. 7. Иерархия программных средств ЭВМ
Нижний уровень этой иерархии образуют программы операционной системы, которые играют роль посредника между техническими средствами ЭВМ и пользователем. Доступ пользователя к техническим средствам ЭВМ осуществляется с помощью команд операционной системы или с применением необходимых операционных оболочек и сред.
87
С помощью ОС или операционных сред пользователь может активизировать любую нужную ему программу. В настоящее время практически на любой вид деятельности существуют, разрабатываются и совершенствуются ППП, позволяющие пользователям, даже не имеющим специальной компьютерной подготовки, эффективно решать специфические задачи обработки информации.
Программисты и квалифицированные пользователи, разрабатывающие собственные программные продукты, используют компоненты системы автоматизации программирования (САП).
Программы системы технического обслуживания непосредственного участия в организации вычислительного процесса не принимают, они только обеспечивают его средствами контроля и диагностики.
88
79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: Содержание
Системы счисления, применяемые в ЭВМ
Способ представления (записи) чисел с помощью цифровых знаков называется системой счисления. В любой системе счисления используется некоторый конечный алфавит цифр a1, a2, ..., аn. При этом каждой цифре ai в записи числа ставится в соответствие определенный количественный эквивалент, ее "вес". Если количественное значение цифры зависит не только от вида этой цифры, но и от ее позиции (местоположения) в записи числа, то такая система счисления называется позиционной. Благодаря наглядности и сравнительной простоте выполнения арифметических операций в ЭВМ применяются только позиционные системы счисления.
Количество различных цифр в алфавите позиционной системы счисления называется основанием S этой системы. Любое число А в позиционной системе можно представить суммой последовательных целых степеней основания S, взятых с коэффициентом ai из алфавита данной системы счисления:
Сокращенная запись числа As имеет вид:
При этом позиции цифр ai в этой записи называются разрядами, причем старшие разряды, соответствующие более высоким степеням основания S, располагаются обычно слева, а младшие - справа. Разряды целой части числа отделяются от дробной точкой (запятой).
Алфавит привычной для нас десятичной системы счисления состоит из десяти арабских цифра 0, 1, 2, ..., 9. Любое число в этой системе счисления можно представить суммой последовательных степеней десяти (S = 10), взятых с соответствующими коэффициентами а; (0, 1, ..., 9):
где а0, а1, а2, ... - количество единиц, десятков, сотен и т.д.; а- 1, а- 2, ... - количество десятых, сотых и т.д. долей единицы.
Например, 26,4810 = 2 · 101 + 6 · 100 + 4 · 10- 1 + 8 · 10- 2.
В вычислительной технике для физического представления чисел, подлежащих обработке, необходимы элементы, способные находиться в одном из нескольких устойчивых состояний. Число этих состояний должно быть равно основанию принятой системы счисления. Тогда каждое состояние
89
будет представлять соответствующую цифру из алфавита данной системы счисления.
Наиболее простыми с точки зрения технической реализации являются так называемые двухпозиционные элементы, способные находиться в одном из двух устойчивых состояний, например: электромагнитное реле замкнуто или разомкнуто, ферромагнитная поверхность намагничена или размагничена, магнитный сердечник намагничен в одном направлении или в противоположном, транзисторный ключ находится в проводящем состоянии или в запертом и т.д. Одно из этих устойчивых состояний может представлять цифру 0, а другое - цифру 1.
Простота технической реализации двухпозиционных элементов обеспечила наибольшее распространение в ЭВМ двоичной системы счисления, основание которой S = 2; в ней используются лишь две цифры: 0 и 1, Любое действительное число в двоичной системе счисления представляется в виде суммы целых степеней основания S = 2, умноженных на соответствующие коэффициенты (0 или 1). Например, двоичное число 11011,012 = 1 · 24 + 1 · 23 + 0 · 22 + 1 · 21 + 1 · 20 + 0 · 2- 1 + 1 · 2- 2 = 16 + 8 + 2 + 1 + 0,25 = 27,2510 соответствует десятичному числу 27,2510.
Вместе с тем применение двоичной системы счисления связано с некоторыми неудобствами. Во - первых, следует отметить, что двоичное число имеет по сравнению с десятичной записью большее количество разрядов. Число n двоичных разрядов, необходимое для записи m - разрядного десятичного числа, определяют из условия: 2n ? 10m. Отсюда nlg 2 m, или n/m 1/lg2 ? 3,32, т.е. двоичная запись числа в 3,32 раза длиннее десятичной.
Другое неудобство двоичной системы счисления состоит в том, что требуется предварительно переводить все исходные данные из общепринятой десятичной системы в двоичную, а после решения задачи необходимо перевести полученный результат из двоичной системы в десятичную. Впрочем, для большинства машин процент операций по преобразованию исходных и конечных данных оказывается невелик по сравнению с общим объемом операций.
Технические трудности создания многопозиционных элементов, обладающих необходимым быстродействием, достаточно высоким уровнем надежности и экономичности пока не позволяют использовать в современных ЭВМ непосредственное представление цифр с основаниями больше двух.
Реализация же существующих систем с основаниями больше двух обычно достигается представлением цифр этой системы группой двоичных цифр. Наибольшими возможностями в этом направлении обладают системы счисления с основанием, представляющим целую степень двух. Среди них наиболее применяемыми являются восьмеричная (8 = 23) и шестнадцатеричная (16 = 24) системы счисления. Они обычно используются в процессе программирования для более компактной записи кодов команд программы.
90
В восьмеричной системе счисления используются восемь цифр - от 0 до 7, а любое число представляется суммой целых степеней основания S = 8, умноженных на соответствующие коэффициенты аi = 0, 1, ..., 7. Например, десятичное число 215 записывается в восьмеричной системе счисления следующим образом:
В шестнадцатеричной системе счисления алфавит цифровых знаков состоит из 16 символов, причем в качестве первых десяти символов используются арабские цифры от 0 до 9, а дополнительно к ним применяются буквенные символы: 10 - А, 11 - В, 12 - С, 13 - D, 14 - Е, 15 - F. С помощью данного алфавита можно записать все десятичные числа от 0 до 15 включительно, а затем и т.д.
Число 215 в шестнадцатеричной системе счисления запишется следующим образом:
Для восьмеричной и шестнадцатеричной систем счисления весьма просто осуществляется перевод в двоичную систему, и наоборот. При переводе в двоичную систему счисления достаточно заменить каждую восьмеричную (шестнадцатеричную) цифру, соответственно, трех или четырехразрядным числом, отбрасывая при этом крайние ненужные нули. Например:
При переводе из двоичной системы в восьмеричную (шестнадцатеричную) поступают также достаточно просто: двоичное число влево и вправо от запятой разбивают на группы по три (четыре) разряда, дополняя при необходимости крайние группы нулями. Затем каждую группу из трех (четырех) разрядов заменяют соответствующей восьмеричной (шестнадцатеричной) цифрой. Приведем примеры:
91
Помимо рассмотренных систем счисления в ЭВМ также применяется промежуточная двоично - десятичная система, которая используется в операциях ввода - вывода данных.
Основой этой системы является десятичная запись числа, в которой каждую ее цифру (от 0 до 9) представляют четырехразрядной двоичной тетрадой. Например:
При обратном переводе двоично - десятичное число влево и вправо от запятой разбивают на четверки цифр - тетрады, а затем каждую тетраду заменяют соответствующей десятичной цифрой. Приведем пример:
Рассмотрим теперь общие правила перевода из одной позиционной системы счисления в другую.
1. Перевод целого числа из системы счисления с основанием S в другую систему с основанием q осуществляется последовательным делением его на основание q новой системы счисления до тех пор, пока не получится частное, меньшее q. Число в новой системе запишется в виде остатков деления, начиная с последнего. Указанное деление выполняется в исходной системе счисления.
Выполним по этому правилу перевод десятичного числа 37710 сначала в двоичную, а затем в восьмеричную и шестнадцатеричную системы.
Аналогично выполним перевод в восьмеричную и шестнадцатеричную системы счисления:
92
Остатки от соответствующих делений дают записи в новых системах счисления, т.е. 37710 = 1011110012 = 5718 = 17916. Эти результаты можно легко проверить, если использовать промежуточные переводы, например, из восьмеричной или из шестнадцатеричной системы в двоичную.
2. Перевод правильной дроби из одной позиционной системы счисления в другую осуществляется последовательным умножением ее на основание новой системы счисления; при этом перемножаются только дробные части. Дробь в новой системе счисления записывается в виде целых частей полученных произведений, начиная с первого.
Проиллюстрируем это правило на примере перевода десятичной дроби 0,6875 в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную системы счисления.
В шестнадцатеричной системе счисления целая часть произведения 11 представится символом В, поэтому окончательно получим 0,687510 = 0,10112 = 0,548 = 0,B16.
При переводе дробей в новую позиционную систему счисления последовательное умножение на основание этой системы выполняют до получения дробной части, равной нулю (как было в рассмотренных примерах), или до получения необходимого количества разрядов после запятой.
3. Для перевода неправильных дробей в новую позиционную систему необходимо, пользуясь рассмотренными правилами, выполнить отдельно перевод целой и дробной частей.
4. Обратный перевод в десятичную систему счисления из других позиционных систем выполняется с использованием позиционного разложения в степенной ряд исходного числа. Для этого данное число представляется в виде суммы степеней своего основания, вычисляются значения десятичных эквивалентов отдельных разрядов, которые затем суммируются.
93
Приведем примеры,
94
89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: Содержание
Список литературы
Информатика: Учебник / Под редакцией Н.В. Макаровой. - М.: Финансы и статистика, 2001, Введение в информационный бизнес: Учебное пособие / Под ред. В.П.Тихомирова, А.В.Хорошилова. - М.: Финансы и статистика, 1996. Майоров С.И. Информационный бизнес: коммерческое распространение и маркетинг. - М.: Коринф, 1992. Мелюхин И.С. Рынок электронных информационных продуктов и услуг в России: состояние и тенденции развития // НТИ. Серия 1. ВИНИТИ. 1994. №2. Федеральный закон "Об информации, информатизации и защите информации". Принят Государственной Думой 25 января 1995 г. Пономарева К.В., Кузьмин Л.Г. Информационное обеспечение АСУ. - М.: Высшая школа, 1991. Информатика: данные, технология, маркетинг / В.П. Божко, В.В. Брага и др. - М.: Финансы и статистика, 1992. Информационные системы в экономике / Под ред. В.В. Дика. - М.: Финансы и статистика, 1996. Мишенин А.И. Теория экономических информационных систем. - М.: Финансы и статистика, 1993. Экономическая информатика и вычислительная техника: Учебник / Под ред. В.П. Косарева, А.Ю. Королева. - М.: Финансы и статистика, 1996. Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириенко А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник / Под ред. А.П. Пятибратова. - М.: Финансы и статистика, 1998. Айден К., Фибельман X., Крамер М. Аппаратные средства PC. - СПб: BHV, 1996. Борзенко А.Е. IBM PC: устройство, ремонт и модернизация. - М.: КомпьютерПресс, 1995. Гукин Д. IBM - совместимый персональный компьютер: устройство и модернизация. - М.: Мир, 1993. Холидей К. Секреты ПК. - Киев: Диалектика, 1996. Кручинин С., Озерецковский С. Векторные суперкомпьютеры // Computer Week, 1995. № 17. Пискарева Т.В. Универсальные ЭВМ и основные направления их совершенствования // Информатика и вычислительная техника за рубежом. 1991. Вып. 2. Пискарева Т.В. Мини и супермини - ЭВМ: современное состояние и перспективы развития // Информатика и вычислительная техника за рубежом. 1991. Вып. 3.
270
Локальные вычислительные сети: Справочник в 3 - х кн. - М: Финансы и статистика, 1995. Нанс Б.
Компьютерные сета. - М.: БИНОМ, 1996. 21.Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы: Справочная книга. - М.: Финансы и статистика, 1996. Брябрин В.М. Программное обеспечение персональных ЭВМ. 2 - е изд., стер. - М.: Наука, гл. ред. физ. - мат. лит., 1989. Липаев В.В. Проектирование программных средств. - М.: Высшая школа, 1990. Чижов А.А. Системные программные средства ПЭВМ: Справочник. - М,: Финансы и статистика, СП ПараГраф, 1990. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. Изд. 6 - е. - М.: ИНФРА - М, 1995. Фролов А.В., Фролов Г.В. Компьютер IBM PC/AT, MS DOS и WINDOWS. Вопросы и ответы. - М.: ДИАЛОГ - МИФИ, 1994. Мостовой Д.Ю. Современные технологии борьбы с вирусами //Мир ПК. 1993. №8. Богумирский Б. Эффективная работа на IBM PC в среде WINDOWS. - СПб.: Питер, 1997. Компьютерные технологии обработки информации / Под ред. С.В. Назарова. - М.: Финансы и статистика, 1995. Фратер Г. Excel 5.0 (русифицированная версия). - Киев: BHV, 1995. Диго С.М. Проектирование и использование баз данных. - М.: Финансы и статистика, 1995. Титоренко Г.А., Черняк Н.Г., Еремин Л.В. Экономическая информатика и вычислительная техника: Учебник / Под ред. В.П. Косарева, А.Ю. Королева. - М.: Финансы и статистика, 1996. Семененко В.А., Балтрушевич А.В. Электронные вычислительные машины: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 1985. Семененко В.А., Ступин Ю.В. Основы программирования. - М.: Машиностроение, 1986. Семененко В.А., Величкин A.M., Ступин Ю.В. Операционные системы. - М.: Высшая школа, 1990. Семененко В.А., Айдинян В.М., Липовой А.Д. Электронные вычислительные машины: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 1991. Семененко В.А., Ступин Ю.В. Справочник по электронной вычислительной технике. - М.: Машиностроение, 1993. Семененко В.А., Скуратович Э.К. Арифметико - логические основы компьютерной схемотехники. - М.: Изд - во МГИУ, 1998. Семененко В.А., Скуратович Э.К., Федоров Н.В. Функциональная и структурная организация вычислительных машин и систем. - М.: Изд - во МГИУ, 1999.
271
Электронные вычислительные машины: Учебное пособие: В 8 - ми кн. / Под ред.А.Я. Савельева. Кн.1: Ведение в ЭВМ / А.Я. Савельев, Б.А. Сазонов, Э.К. Скуратович и др. - М.: Высшая школа, 1991. Электронные вычислительные машины: Учебное пособие: В 8 - ми кн. / Под ред. А.Я. Савельева. Кн.2: Основы информатики / А.Я. Савельев, Б.А. Сазонов, Э.К. Скуратович и др. - М.: Высшая школа, 1991.
272
270 :: 271 :: 272 :: Содержание
Структура построенияи функциональная организация ПЭВМ
В основе построения современных персональных ЭВМ лежит общая системная магистраль или системная шина, обеспечивающая сопряжение и связывающая между собой все центральные и внешние (периферийные) устройства машины. Состав и назначение основных устройств ПЭВМ рассмотрим по структурной схеме, приведенной на рис 9.1.
Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПЭВМ, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения соответствующих программе машинных арифметических и логических операций.
В состав микропроцессора входят:
- устройство управления (У У), которое формирует в нужные моменты времени и подает в соответствующие блоки машины необходимые сигналы управления, обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти операндов, участвующих в этой операции, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ. УУ получает от генератора тактовых импульсов опорную последовательность импульсов;
195
Рис. 9.1. Структурная схема персональной ЭВМ
- арифметико - логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения различных арифметических и логических операций (в некоторых моделях ПЭВМ для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);
196
- микропроцессорная память (МПП) служит для кратковременного хранения, записи и считывания данных, непосредственно участвующих в вычислениях в ближайших тактах работы машины. МПП реализуется на регистрах, которые обеспечивают высокую скорость записи и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора; - интерфейсная система микропроцессора реализует сопряжение и связь микропроцессора с другими устройствами ПЭВМ; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры, а также схемы управления системной шиной и портами ввода - вывода (ПВВ). ППВ являются соответствующие регистры, через которые микропроцессор обменивается данными с другими, главным образом периферийными, устройствами.
Системная шина - это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.
Все блоки, а точнее их порты ввода - вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.
Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена данными с другими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
ПЗУ служит для хранения неизменяемой информации (постоянных программ, различных констант, справочных данных и др.) и позволяет ее оперативно только считывать (изменить информацию в ПЗУ нельзя).
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания данных, непосредственно участвующих в вычислительном процессе, реализуемом ПЭВМ в текущий период времени. ОЗУ отличается достаточно высоким быстродействием, а также возможностью прямого адресного доступа к каждой ячейке памяти.
Внешняя память относится к внешним устройствам ПЭВМ и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда - либо потребоваться для решения задач. В ней, в частности, хранится все программное обеспечение компьютера. Наиболее распространенными видами устройств внешней памяти являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках. Применяются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стриммеры), накопители на оптических дисках (CD - ROM - Compact Disk Read Only Memory - компакт - диск с памятью, только читаемой) и др.
Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов, устанавливающих тактовую частоту компьютера.
197
Данная частота во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.
Источник питания - это блок, содержащий системы автономного и сетевого электропитания ПЭВМ.
Таймер - это внутримашинные электронные часы, указывающие текущий момент времени (год, месяц, день, часы, минуты, секунды и доли секунд). При отключении машины от сети таймер продолжает работать, так как подключается к автономному источнику питания - аккумулятору.
Внешние устройства (ВУ) - важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. От состава и характеристик ВУ во многом зависит эффективность практического применения ПЭВМ. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления, другими ЭВМ, вычислительными сетями. По своему назначению можно выделить следующие основные виды ВУ:
- внешние запоминающие устройства или внешняя память, уже названная ранее; - диалоговые средства пользователя; - устройства ввода информации; - устройства вывода информации; - средства связи и телекоммуникуции.
Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи) и устройства речевого ввода - вывода информации.
К устройствам ввода информации относятся клавиатура, графические планшеты (диджитайзеры), сканеры (читающие автоматы), манипуляторы (устройства указания), сенсорные экраны.
Устройства вывода информации представлены различными типами печатающих устройств (принтеров) и графопостроителей (плоттеров).
Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с различными приборами и средствами промышленной автоматики (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро - аналоговые и аналого - цифровые преобразователи и т.п.), а также для подключения ПЭВМ к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, мультиплексоры передачи данных, модемы). Так, например, показанный на рис. 9.1 сетевой адаптер служит для подключения ПЭВМ к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе локальной вычислительной сети. В глобальных сетях функции сетевого адаптера выполняет модем.
Многие из названных выше устройств можно также отнести к условно выделенной группе - средствам мультимедиа. Средства мультимедиа - это комплекс технических и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.
198
К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода - вывода информации, видео - и звуковые платы, высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами. Но, пожалуй, еще с большим основанием к средствам мультимедиа относятся внешние запоминающие устройства на оптических дисках (CD ROM) с записанной на них звуковой и видеоинформацией. На компакт - дисках поставляется большинство программных средств различного назначения; организуются обширные базы данных, целые библиотеки; представлены словари, справочники, энциклопедии; обучающие программы по различным общеобразовательным и специальным предметам. Все это сопровождается текстами и рисунками, речевой информацией и мультипликацией, музыкой и видео. Таким образом, CD ROM открывает доступ к огромным объемам разнообразной и по функциональному назначению, и по среде воспроизведения информации.
Дополнительные схемы. К системной шине и микропроцессору ПЭВМ наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы, расширяющие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода - вывода, контроллер прерываний и др.
Математический сопроцессор используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей точкой, над двоично - кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых функций, в том числе тригонометрических. Он имеет свою систему команд, работает параллельно с центральным МП, но под его управлением. Последние модели МП, начиная с 180486, в свою структуру включают сопроцессор.
Контроллер прямого доступа к памяти освобождает МП от прямого управления накопителями на магнитных дисках.При его использовании данные непосредственно передаются между внешней памятью и ОЗУ, минуя микропроцессор.
Сопроцессор ввода - вывода за счет' параллельной работы с центральным МП значительно ускоряет выполнение процедур ввода - вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (видеомонитор, принтер, НЖМД, НГМД и др.).
Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в микропроцессор. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы, соответствующей данному типу прерывания. После завершения программы обслуживания прерывания восстанавливается выполнение прерванной программы.
199
195 :: 196 :: 197 :: 198 :: 199 :: Содержание
Сущность информатизации и компьютеризации общества
Деятельность отдельных людей, групп, коллективов и организаций сейчас все в большей степени начинает зависеть от их информированности и способности эффективно использовать имеющуюся информацию. Прежде чем предпринять какие - то действия, необходимо провести большую работу по сбору и переработке информации, ее осмыслению и анализу. Поиск рациональных решений в любой сфере требует обработки больших объемов информации, что подчас невозможно без привлечения специальных технических средств.
Можно сказать, что информатизация общества становится одной из закономерностей современного социального прогресса. Закон РФ "Об информации, информатизации и защите информации", принятый 25 января 1995 г., определяет информатизацию общества как "организованный социально - экономический и научно - технический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации прав граждан, органов государственной власти, органов местного самоуправления, организаций, общественных объединений на основе формирования и использования информационных ресурсов".
Этот термин все настойчивее вытесняет широко используемый до недавнего времени термин "компьютеризация общества".
При компьютеризации общества основное внимание уделяется развитию и внедрению компьютерной техники, обеспечивающей оперативное получение и накопление результатов обработки информации. Компьютер выполняет роль усилителя интеллектуальных возможностей человека, а
33
средства телекоммуникации, используемые компьютерами, служат для оперативной связи и передачи информации. Появление и развитие компьютерных и телекоммуникационных технологий - это необходимая составляющая процесса информатизации общества.
Информатизация общества является более широким понятием, чем компьютеризация общества. В понятии "информатизация общества" акцент делается не столько на технических средствах, сколько на сущности и цели социально - технического прогресса. Компьютеризация является базовой технической составляющей процесса информатизации общества.
На ее основе информатизация рассматривается как процесс преобразования всех производственно - хозяйственных, научных и социально - бытовых структур общества таким образом, чтобы обеспечить этим структурам достижение качественно новых результатов.
Несмотря на различие процессов информатизации в различных областях человеческой деятельности, их объединяют в единую систему три составляющие: единство основных средств производства (средства компьютерной и телекоммуникационной техники), единство сырья (данные, подлежащие анализу и обработке), единство выпускаемой продукции (информация, используемая для совершенствования управленческой деятельности человека).
История развития информатизации началась в США с 60 - х гг., затем с 70 - х гг. - в Японии, а с конца 70 - х - в Западной Европе, В настоящее время все страны мира в той или иной степени осуществляют процесс информатизации. Неправильно выбранная стратегия информатизации или ее недостаточные динамизм и мобильность могут привести к существенным, а подчас драматическим последствиям во всех сферах жизни страны. В большинстве развитых стран понимают, что без чрезвычайных усилий отставание в области информационных и телекоммуникационных технологий может стать необратимым для их развития в целом. Руководители некоторых стран "третьего мира" с нарастающей тревогой наблюдают за все большим отставанием их от стран, осуществляющих информатизацию, что может превратить такие страны в сырьевой придаток информационно и промышленно развитых стран. Это в определенной степени относится и к России.
Нужно сказать, что в любой стране, независимо от уровня ее развития, в той или иной мере понимают неизбежность и необходимость претворения в жизнь идей информатизации общества. Многие страны имеют национальные программы информатизации с учетом местных особенностей и условий. Для успешной реализации таких программ информатизации желательно следовать некоторым общим для всего мирового сообщества принципам:
- отказ от стремления в первую очередь обеспечить экономический рост страны;
34
- необходимость замены экономической структуры, основанной на тяжелой промышленности, структурой, базирующейся на наукоемких технологиях; - признание приоритетного характера информационного сектора как основы успешного развития экономики в целом; - широкое использование достижений мировой науки и техники; - вложение значительных финансовых средств в информатизацию, как в государственную, гак и в частную; - обеспечение роста благосостояния страны и ее граждан за счет совершенствования средств коммуникации и обработки информации.
Если рассматривать человечество в целом, то в настоящее время оно переходит от индустриального этапа развития к информационному. Для каждой страны такой переход определяется степенью информатизации общества.
35
33 :: 34 :: 35 :: Содержание
Сверхоперативная память
Сверхоперативные ЗУ (СОЗУ) используются для хранения относительно небольших объемов информации и имеют значительно меньшее, чем основная память, время записи - считывания. СОЗУ предназначено для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, необходимой для реализации вычислительного процесса в ближайшие такты работы машины. Высокая скорость работы СОЗУ, соизмеримая с быстродействием микропроцессора, достигается использованием элементов памяти статического типа в виде различных регистров и регистровых структур.
В составе ПЭВМ сверхоперативная память обычно представлена внутренней микропроцессорной памятью и буферной регистровой КЭШ - памятью.
Микропроцессорная память (МГ1П) состоит из быстродействующих регистров различного назначения с разрядностью не менее машинного слова (т.е. 16, 32 или 64 бита). Количество таких регистров зависит от типа микропроцессора и может достигать нескольких десятков.
Регистровая КЭШ - память является буфером между оперативной памятью и микропроцессором. Благодаря высокому быстродействию КЭШ - память позволяет существенно сократить время выполнения очередных команд программы. Для избежания "простоя" микропроцессора в ожидании выборки из ОГТ необходимых команд и данных они с небольшим опережением считываются из ОП и записываются в буферную КЭШ - память. В некоторых случаях для повышения эффективного быстродействия ЭВМ применяется разделенная КЭШ - память, в которой команды программы и обрабатываемые данные хранятся в разных местах (областях памяти).
КЭШ - память может быть размещена в кристалле микропроцессора (так называемая КЭШ - память 1 - ого уровня) или выполнена в виде отдельной микросхемы (внешняя КЭШ - память, или КЭШ - память 2 - го уровня). При этом КЭШ - память 1 - го уровня имеет относительно небольшой объем (порядка 16 Кбайт), а емкость КЭШ - памяти 2 - го уровня может достигать нескольких мегабайт.
Для сверхоперативных ЗУ является весьма распространенным безадресный способ доступа к нужным регистрам.
Безадресные регистровые структуры могут образовывать два вида устройств памяти: магазинного типа и память с выборкой по содержанию (ассоциативные ЗУ).
Память магазинного типа образуется из последовательно соединенных регистров (рис. 10.5).
218
Рис. 10.5. Регистровая структура магазинного типа:а) типа очереди; б) типа стека
Если запись в регистровую структуру (рис. 10.5, а) производится через один регистр, а считывание - через другой, то такая память является аналогом очереди или линии задержки и работает по принципу "Первым вошел - первым вышел " (FIFO - first input, first output).
Если же запись и считывание осуществляются через один и тот же регистр (рис. 10.5, б), такое устройство называется стековой памятью, работающей по принципу "Первым вошел - последним вышел" (FILO - first input, last output). При записи числа в стековую память сначала содержимое стека сдвигается в сторону последнего, К - го регистра (если стек был полностью заполнен, то число из К - ro регистра теряется), а затем число заносится в вершину стека - регистр 1. Считывание осуществляется тоже через вершину стека. После того, как число из вершины прочитано, содержимое стека сдвигается в сторону регистра 1. Стековая память, получившая широкое распространение, реализуется специально разработанными микросхемами.
Е$ ряде случаев работа стековой памяти эмулируется в основной памяти ЭВМ: с помощью программ операционной системы выделяется область памяти под стек (в IBM PC для этой цели выделяется 64 Кбайта). Специальный регистр микропроцессора (указатель стека) постоянно хранит адрес ячейки ОП, выполняющей функции вершины стека. Чтение числа всегда производится из вершины стека, после чего указатель стека изменяется и указывает на очередную ячейку стековой памяти (т.е. фактически стек остается неподвижным, а перемещается вершина стека). При записи числа в стек сначала номер ячейки в указателе стека модифицируется так, чтобы он указывал на очередную свободную ячейку, после чего производится
219
запись числа по этому адресу. Такая работа указателя стека позволяет реализовать принцип "Первым вошел - последним вышел".
Регистровая память с выборкой по содержанию также является безадресной. Обращение к ней осуществляется по специальной маске, содержащей поисковый образ. Из памяти считывается та информация, которая соответствует поисковому образу, зафиксированному в маске.
Ассоциативные ЗУ используются в составе КЭШ - памяти для хранения адресной части команд и операндов исполняемой программы. При этом нет необходимости обращаться к ОП за следующей командой или требуемым операндом: достаточно поместить в маску необходимый адрес, если искомая информация имеется в СОЗУ, то она будет сразу выдана. Обращение к ОП будет необходимо лишь при отсутствии требуемой информации в СОЗУ. За счет этого сокращается число обращений к ОП, что позволяет существенно экономить микропроцессорное время, так как обращение к СОЗУ требует в 5 - 10 раз меньше времени, чем обращение к ОП.
220
218 :: 219 :: 220 :: Содержание
Типовые примеры информационных технологий
Рассмотрим назначение и особенности реализации некоторых информационных технологий, получивших в настоящее время достаточно широкое распространение.
Технология обработки данных. Данная технология используется для решения хорошо структурированных задач, т.е. таких, содержание которых описано математической моделью, имеющей точный и однозначный алгоритм решения. Подобные задачи носят рутинный характер, обычно приходится их решать многократно. К числу таких задач относятся, например, следующие:
- обработка данных об операциях, производимых фирмой; - создание периодических контрольных отчетов о состоянии дел в - фирме; - получение ответов на всевозможные текущие запросы и оформление их в виде соответствующих документов и др.
Данная технология обычно используется на уровне исполнительной деятельности персонала невысокой квалификации для более полной автоматизации управленческого труда.
При реализации технологии обработки данных обычно выполняются следующие типовые процедуры:
- сбор данных как о деятельности фирмы, так и тех, которые поступают из внешней среды; - обработка данных путем выполнения необходимых вычислений, а также их классификации, группировки и сортировки; - хранение данных для последующего использования в соответствующих базах; - создание документов (отчетов) для руководства и работников фирмы, а также для внешних партнеров.
60
Технология управления. Целью данной технологии является удовлетворение информационных потребностей сотрудников фирмы, имеющих дело, с принятием управленческих решений. Она может быть полезна на любом уровне управления.
Для принятия управленческого решения на том или ином уровне соответствующему менеджеру предоставляется информация в виде регулярных или специальных управленческих отчетов. Регулярные отчеты создаются в соответствии с установленным графиком, например месячный анализ продаж компании. Специальные отчеты формируются по запросам управленцев или в тех случаях, когда в компании произошло что - то незапланированное.
Использование отчетов для поддержки управления оказывается особенно эффективным при реализации так называемого управления по отклонениям.
Управление по отклонениям предполагает, что главным содержанием получаемых менеджером данных должны являться именно отклонения состояния хозяйственной деятельности фирмы от некоторых установленных стандартов (например, от их запланированных значений).
База данных, формируемая данной технологией, должна состоять из двух компонентов:
- данных, накапливаемых по результатам операций, проводимых фирмой; - планов, стандартов, бюджетов и других нормативных документов, определяющих планируемое состояние объекта управления.
Содержимое этой базы при помощи соответствующего программного обеспечения преобразуется в периодические или специальные отчеты, поступающие к специалистам, участвующим в принятии соответствующих решений.
Технология поддержки принятия решений. Данная технология появилась в конце 70 - х - начале 80 - х гг. Главной ее особенностью является качественно новый метод организации взаимодействия человека и компьютера. Выработка решения, что является основной целью этой технологии, происходит в результате итерационного процесса (рис. 3.3), в котором участвуют:
- система поддержки принятия решений в роли вычислительного звена и объекта управления; - человек как управляющее звено, задающее входные данные и оценивающее полученный на компьютере результат вычислений.
61
Рис. 3.3. Информационная технология поддержки принятия решенийкак итерационный процесс
В этом процессе информационная система совместно с пользователем вырабатывает необходимую информацию для принятия решений. Окончание итерационного процесса происходит по воле человека.
В состав системы поддержки принятия решений входят три основные компонента: база данных, база моделей и программная подсистема, состоящая из системы управления базой данных (СУБД), системы управления базой моделей (СУБМ) и системы управления интерфейсом между пользователем и компьютером (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Основные компоненты информационной технологииподдержки принятия решений
База данных содержит различные сведения, используемые пользователем для расчетов на основе математических моделей. Большинство данных поступает из внутренних источников, отражая основные показатели
62
деятельности фирмы. Для поддержки принятия решений на верхних уровнях используются также данные из внешних источников, например данные о конкурентах, национальной и мировой экономике и др. Внешние данные обычно приобретаются у организаций, специализирующихся на их сборе.
Система управления базой данных составляет необходимые комбинации данных, получаемых из различных источников, структурирует их в терминах пользователя, обеспечивает полную логическую независимость этой базы от других баз данных, функционирующих в рамках фирмы.
База моделей служит основой для проведения необходимого анализа в системах принятия решений. Модели, базируясь на математической интерпретации проблемы, при помощи определенных алгоритмов способствуют нахождению информации, полезной для принятия правильных решений. Например, модель линейного программирования дает возможность определить наиболее выгодную производственную программу выпуска нескольких видов продукции при заданных ограничениях на ресурсы.
Система управления базой моделей позволяет создавать новые модели или изменять существующие, поддерживать и обновлять параметры моделей и т.д.
Система управления интерфейсом определяет язык пользователя; язык сообщений компьютера, организующий диалог на экране дисплея, и знания пользователя.
Язык пользователя - это те действия, которые пользователь производит в отношении системы путем использования возможностей клавиатуры, электронных карандашей, "мыши", команд, подаваемых голосом, и т.п.
Язык сообщений - это то, что пользователь видит на экране дисплея (символы, графика, цвет, мультипликации), а также данные, полученные на принтере, звуковые выходные сигналы и т.п.
Знания пользователя - это то, что пользователь должен знать, работая с системой.
К ним относятся не только план действий, находящийся в голове у пользователя, но и учебники, инструкции, справочные данные, выдаваемые компьютером, и др.
Используемый интерфейс определяет выбранную форму диалога между пользователем и системой. В настоящее время наиболее распространены следующие формы диалога: запросно - ответный режим, командный режим, режим меню, режим заполнения пропусков в выражениях, предлагаемых компьютером, и др.
Технология автоматизированного офиса. Автоматизация офиса не исключает традиционно существующую систему коммуникации персонала (с ее совещаниями, телефонными звонками и приказами), а лишь дополняет ее различными компьютерными технологиями (рис. 3.5).
63
Рис. 3.5. Основные компоненты технологии автоматизации офиса
Используемые совместно, обе эти технологии обеспечивают рациональную автоматизацию управленческого труда и наилучшее обеспечение управленцев всех уровней необходимой информацией. Они позволяют повысить производительность труда секретарей и конторских служащих, дают им возможность справляться с возрастающим объемом работ. Однако это преимущество является второстепенным по сравнению с возможностью использования автоматизированного офиса в качестве инструмента для решения управленческих проблем.
Информационная технология автоматизированного офиса - это организация и поддержка коммуникационных процессов как внутри организации, так и с внешней средой на базе компьютерных сетей и других современных средств передачи информации.
64
В настоящее время известно несколько десятков программных продуктов, реализующих компьютерные офисные технологии. Назовем наиболее распространенные из них.
Текстовый процессор - вид программного обеспечения, предназначенный для создания и обработки текстовых документов.
Электронная почта дает возможность пользователю получать, хранить и отправлять сообщения своим партнерам по компьютерной сети.
Аудиопочта позволяет передавать сообщения не путем набора на клавиатуре компьютера, а по телефону голосом.
По телефону пользователь получает и присланные сообщения.
Табличный процессор - это пакет прикладных программ, обеспечивающих выполнение многочисленных операций над данными, представленными в табличной форме.
Электронный календарь дает возможность использовать сетевой вариант компьютера для формирования, хранения и манипулирования рабочего расписания управленцев и других работников организации.
Видеотекст - это отображение текстовых и графических данных на экране монитора. В форме видеотекста может, например, производиться обмен между компаниями каталогами и ценниками своей продукции. С его помощью можно также получать необходимые сведения из газет и журналов, текущие сводки биржевой информации и др.
Хранение изображений - это операция офисной технологии, обеспечивающая хранение не самих документов, как это делалось прежде с помощью микрофильмов и микрофиш, а их изображений, преобразованных специальным устройством в цифровую форму, которая записывается на оптический диск. Сохраненное в памяти изображение может быть в любой момент выведено на экран монитора или принтер.
Компьютерные конференции используют компьютерные сети для обмена информацией между участниками группы, решающей определенную проблему.
В офисных технологиях, наряду с компьютерными средствами, применяются также современные некомпьютерные средства, обеспечивающие, например, аудио - и видеоконференции, факсимильную связь и др.
Аудиоконференции предполагают использование двухсторонней аудиосвязи между территориально удаленными работниками или подразделениями. Наиболее простым техническим средством реализации аудио - конференций является телефонная связь, оснащенная дополнительными устройствами, дающими возможность участвовать в разговоре более чем двум абонентам.
Видеоконференции предназначены для тех же целей, что и аудио - конференции, но с применением видеоаппаратуры и соответствующих каналов связи. Все участники конференции получают изображение на телевизионном экране вместе со звуковым сопровождением.
65
Применение компьютерных, а также аудио - и видеоконференций позволяет сократить транспортные и командировочные расходы, а главное - дает возможность привлечь к решению проблем максимальное количество менеджеров, территориально удаленных от главного офиса фирмы.
Факсимильная связь основана на использовании факс - аппарата, способного читать документ на одном конце коммуникационного канала и воспроизводить его изображение на другом.
Применяются и другие некомпьютерные средства оргтехники, механизирующие или автоматизирующие различные этапы офисной технологии.
66
60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: 66 :: Содержание
Типы схемотехники, используемойдля преобразования данных в ЭВМ
Операционные блоки ЭВМ, преобразующие двоичную информацию, можно в. общем виде представить в виде многополюсника с n входами и m выходами. На его входы поступают входные двоичные сигналы хi (i = 1, 2, ..., n), a с выходов снимаются выходные сигналы yj (j = 1, 2, ..., m). В любой момент времени наборы этих сигналов образуют, соответственно, входное слово X (х1, х2, ..., хn) и выходное слово Y (у1, у2, ..., уm).
Необходимое преобразование данных в операционных блоках ЭВМ производится логическими устройствами двух типов: комбинационными схемами и цифровыми автоматами с памятью.
В комбинационной схеме (КС) набор выходных сигналов (выходное слово Y) в любой момент времени полностью определяется набором входных сигналов (входным словом X), поступающих в тот же момент времени (рис. 61).
Рис. 6.1. Структура комбинационной схемы
Результат обработки данных в комбинационной схеме зависит только от комбинации входных сигналов и формируется одновременно с их поступлением. Эта зависимость может быть задана в виде соответствующей таблицы, а также с использованием аналитических форм представления логических функций (например, ДСНФ или КСНФ). Техническая реализация комбинационных схем осуществляется с использованием логических элементов, каждый из которых воспроизводит ту или иную логическую функцию двоичных переменных. Набор таких элементов должен обеспечивать реализацию функционально полной системы логических функций. При синтезе комбинационных схем необходимо стремиться к минимальному числу и однородности используемых элементов.
119
В цифровых автоматах с памятью набор выходных сигналов Y (y1, у2, уm) зависит не только от набора входных сигналов X (х1, y2, ..., хn), но и от внутреннего состояния Q (q1, q2, qk) данного устройства (рис. 6.2).
Рис. 6. 2. Структура цифрового автомата с памятью
Такие устройства всегда имеют память, которая фиксирует их внутренние состояния. Наборы двоичных переменных X, Y и Q, называемые соответственно входным, выходным и внутренним алфавитами, полностью отражают процесс функционирования автомата.
Фиксация и изменения этих алфавитов обычно происходят в определенной тактовой последовательности t = 0, 1, 2, .... В такой же последовательности задаются в виде таблицы или в аналитической форме функции переходов и выходов: Qt + 1 = ? (Qt, Xt) и Yt = ? (Qt, Xt), которые определяют, соответственно, состояние автомата Qt + 1 и выходное слово Yt в зависимости от состояния Qt и входного слова Xt. При этом указывается начальное состояние автомата Q0.
Автомат, для которого выходное слово Yt в такте t зависит только от состояния автомата Qt, называется автоматом Мура. Для него функция выходов имеет вид Yt = ? (Qt).
При построении узлов и устройств ЭВМ, являющихся цифровыми автоматами с памятью, наряду с комбинационными логическими элементами применяются элементы памяти, в качестве которых обычно используются элементарные автоматы Мура с двумя устойчивыми состояниями. Электронная схема, реализующая такой элементарный автомат, называется триггером.
120
119 :: 120 :: Содержание
Триггеры
В качестве запоминающего элемента в составе узлов и устройств ЭВМ обычно применяется триггер, представляющий собой электронную схему с двумя устойчивыми состояниями равновесия. Одному из этих состояний ставится в соответствие значение "1", а другому - значение "0.
Для установки триггера в то или иное состояние имеются соответствующие входы: R (Reset - сброс) - для установки в "0; S (Set - установка) - для установки в "1". При R = S = 0триггер сохраняет состояние, в котором он находился до поступления нулевых сигналов. При R = 1 и S = 0триггер устанавливается в "0, а при R = 0 и S = 1 - в "1". Состояние, при котором R = S = 1, является недопустимым, так как после прекращения этих сигналов триггер может установиться в любое состояние.
Состояние триггера идентифицируется его выходами: единичным выходом Q и нулевым выходом Q. Если на выходе Q высокий уровень напряжения,
127
то триггер находится в состоянии "1", если низкий уровень, то в состоянии "0". На нулевом выходе Q - все наоборот.
Работа триггера как элементарного автомата с памяти, может быть представлена в виде таблицы переходов (табл. 6.2), отражающей зависимость его состояния Qt + 1 в такте (t + 1) от предшествующего состояния Qt и входных сигналов Rt, St.
Таблица 6.2
Переходы триггера
| Режим работы | Rt | St | Qt | Qt + 1 |
| Хранение "0" | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Хранение "1" | 0 | 0 | 1 1 | 1 |
| Установка "1" | Го | 1 | 0 | 1 |
| Подтверждение "1" | 0 | 1 | 1 | 1 |
| Подтверждение "0" | 11 | 6 П | 0 | 0 |
| Установка "0" | 1 | 0 | 1 | 0 |
| Недопустимое состояние | 1 | 1 | 0 | ? |
| Недопустимое состояние | 1 | 1 | 1 | ? |
По табл. 6.2 можно получить аналитическую форму зависимости Qt + 1 от Qt, Rt, St. После соответствующих преобразований эта зависимость имеет вид:
Таким образом, триггер может быть образован из двух логических элементов: либо ИЛИ - НЕ, либо И - НЕ.
Если хотя бы по одному из входов информация в триггер заносится только с приходом синхронизирующего тактового сигнала, то такой триггер называется синхронизируемым.
Если занесение информации в триггер по любому входу происходит без синхронизирующего сигнала, то триггер называется асинхронным.
На рис. 6.7 приведена функциональная схема (а), условное обозначение (б) и временная диаграмма работы (в) асинхронного RS - триггера, построенного на логических элементах ИЛИ - НЕ.
128
Рис. 6. 7. Функциональная схема (а), условное обозначение (б) и временнаядиаграмма работы (в) асинхронного RS - триггера
В синхронизируемых RS - триггерах (рис. 6.8) запись информации производится только при поступлении на синхронизирующий вход С тактового сигнала Т. Здесь управление состоянием RS - триггера, реализованного на элементах И - НЕ, осуществляется через дополнительные элементы И - НЕ, подключенные к его входам. Запись информации в триггер возможна только при поступлении тактового (синхронизирующего) сигнала. При отсутствии такого сигнала триггер может быть установлен в состояние "1" или "0" подачей на дополнительные несинхронизируемые входы Sg и Rg сигналов, соответствующих логическому нулю.
Из временной диаграммы (рис. 6.8, в) видно, что триггер, предварительно установленный в состояние "1" (Q = 1) сигналом по входу Sg может изменить свое состояние на нулевое (Q = 0) только при одновременном поступлении сигналов R и Т. Затем при одновременном воздействии сигналов S и Т триггер снова переходит в единичное состояние (Q = 1) и т.д.
129
Рис. 6.8. Функциональная схема (а), условное обозначение (б) и временнаядиаграмма (в) работы синхронного RS - триггера
Более устойчивую работу обеспечивает синхронизируемый двухтактный RS - триггер, состоящий из двух однотактных триггеров (рис.6.9). Занесение информации в триггер производится после того, как информация о его прежнем состоянии передана во второй триггер. Синхросигналы С на каждый из триггеров поступают в противофазе, При С = 1 информация через входы R и S заносится в первый однотактный триггер, при этом второй триггер не меняет прежнего состояния, так как на него поступает инверсное значение сигнала синхронизации С = 0.
После окончания действия сигнала синхронизации, когда С = 0, а С = 1, первый RS - триггер перейдет в режим хранения, а второй триггер примет то же состояние, что и первый. В итоге к следующему такту (С = 1, С = 0) на выходе двухтактного триггера будет присутствовать сигнал нового состояния триггера, а первый однотактный триггер будет готов к приему следующей информации.
Для асинхронной установки триггера в состояние "0" или "1" могут использоваться дополнительные входы, на которые поступают инверсные значения входных сигналов R и S. При подаче на эти входы сигналов R = 0 и S = 1 триггер установится в состояние "0", а при R = 1 и S = 0 - в состояние "1".
130
Рис. 6.9. Функциональная схема (а) и условное обозначение (б)двухтактного RS - триггера
Кроме RS - триггеров, с раздельными входами R и S применяются также триггеры с более сложной логикой работы. Рассмотрим принцип работы некоторых из них.
Т - триггер (Toggle - релаксатор) является триггером со счетным входом Т. Для его реализации можно использовать двухтактный RS - триггер, в котором выходы Q и Q соединены, соответственно, с нулевым R и единичным S входами (рис. 6.10).
Рис. 6.10. Функциональная схема (а) и временная диаграмма (б)работы Т - триггера
131
При Т = 1 в первый триггер записывается состояние, противоположное ранее хранимому. После окончания счетного импульса (Т = 0) это состояние будет передано во второй триггер, на выходе которого появится сигнал Q, соответствующий его новому состоянию (рис. 6.10, б). С приходом следующего счетного импульса (Т = 1) первый однотактный триггер вновь изменит свое состояние на противоположное, а после окончания его (Т - 0) это состояние будет передано во второй триггер, при этом изменится соответствующим образом его выходной сигнал Q. Таким образом, на выходе Т - триггера формируются сигналы Q с частотой, в два раза меньшей частоты входных счетных импульсов.
D - триггер (Delay - задержка) выполняет функцию временной задержки входного сигнала D.
Применяются только синхронизируемые D - триггеры как однотактные (рис. 6.11, а), так и двухтактные (рис. 6.11, б).
Рис. 6.11. Синхронизируемый D - триггер:а) однотактный; 6) двухтактный
132
Синхронизируемый однотактный D - триггер задерживает сигнал D на полпериода следования синхросигналов Т, а двухтактный D - триггер - на период синхросигналов.
Наиболее сложным и универсальным по своим возможностям является JK - триггер, имеющий два информационных входа J и К, синхронизирующий вход С и два выхода Q и Q. В зависимости от соединения его входов такой триггер может работать как двухтактный синхронный RS - , Т или D - триггер (рис. 6.12).
Рис. 6.12. Схемы включения JK - триггера в качествеRS - (а), Т - (б) и D - триггеров (в)
В функциональном отношении входы JK - триггера эквивалентны входам синхронного RS - триггера (рис. 6.12, а). Использование JK - триггера в режиме Т - триггера достигается объединением входов J и К и подачей на них счетных импульсов (рис. 6.12, б). В режиме D - триггера вход J используется как вход D, а на вход К подается сигнал D после его инверсии (рис. 6.12, в).
133
127 :: 128 :: 129 :: 130 :: 131 :: 132 :: 133 :: Содержание
Устройства ввода - вывода графической информации
Наиболее распространенным устройством, обеспечивающим ввод в ЭВМ информации непосредственно с бумажного носителя, является сканер. С его помощью можно вводить тексты, схемы, рисунки, графики, фотографии и другую графическую информацию. Сканеры являются важнейшим звеном электронных систем безбумажного делопроизводства.
Сканеры весьма разнообразны, их можно классифицировать по различным признакам. Сканеры бывают черно - белые и цветные.
Черно - белые сканеры могут считывать штриховые или полутоновые изображения. Штриховые передают только два уровня яркости: черный и белый, а полутоновые позволяют распознавать полутона или, иначе, различные уровни серого. В последнем случае число таких уровней может быть 16, 64 или 256.
Цветные сканеры могут работать как с черно - белыми, так и с цветными оригиналами, причем в первом случае они позволяют считывать штриховые и полутоновые изображения. В цветных сканерах используется цветовая модель RGB (красный - зеленый - синий). В результате наложения трех базовых цветов с различной интенсивностью удается передать от 256 до 65536 и даже до 16,7 млн. цветовых оттенков. Разрешающая способность цветных сканеров достигает 1600 точек на дюйм.
Конструктивно сканеры бывают ручные и настольные. Настольные, в свою очередь, делятся на планшетные, роликовые и проекционные.
Ручные сканеры наиболее просты по своей конструкции. Они вручную перемещаются по изображению. За один проход вводится небольшое
236
количество строчек изображения (их захват обычно не превышает 105 мм). Скорость сканирования также невысока и составляет 5 - 50 мм/с в зависимости от разрешающей способности.
Примером ручных сканеров могут быть сканеры Mustek: черно - белый полутоновый GS - 400L и цветной CG - 8400T.
В планшетных сканерах обеспечивается автоматическое перемещение сканирующей головки относительно оригинала. Они позволяют сканировать как листовые, так и сброшюрованные документы со скоростью 2 - 10 с на страницу (формат А4). Примером таких сканеров являются цветные сканеры Mustek Paragon 1200, Epson ESI200.
Роликовые сканеры наиболее автоматизированы; в них оригинал автоматически перемещается относительно сканирующей головки, часто имеется автоматическая подача документов, но сканируемые документы только листовые. Примером является сканер Mustek SF - 630, работающий со скоростью К) с на страницу.
Проекционные сканеры внешне напоминают фотоувеличитель. Внизу лежит сканируемый документ, а наверху находится сканирующая головка, которая оптическим образом считывает информационный документ и вводит полученную информацию в память ЭВМ в виде соответствующего файла. Создаваемый при этом в памяти машины файл называется битовой картой.
В общем случае битовая карта представляет собой мозаичный набор (растровый формат) множества точек (единиц и нулей), соответствующих сканируемому изображению. Это требует большого объема памяти для своего хранения. Так, битовая карта с 1 листа документа формата А4 с разрешением 10 точек/мм и без передачи полутонов (штриховое изображение) занимает около 1 Мбайта памяти, она же при воспроизведении 16 полутонов - 4 Мбайта, а при сканировании цветного изображения с отображением 65536 цветовых оттенков - 16 Мбайт. Кроме того, при сканировании текстовых форматов мозаичное представление символов не позволяет использовать для их обработки стандартные программные средства (текстовые редакторы).
В этом случае предпочтительнее использовать сканер совместно с программными средствами систем распознавания образов, например типа OCR (Optical Character Recognition). Система OCR распознает считанные сканером с документа битовые (мозаичные) контуры символов (букв и цифр) и кодирует их ASCII - кодами, переводя в удобный для текстовых редакторов формат.
Помимо рассмотренных сканеров, к графическим устройствам ввода следует отнести также дигитайзеры, представляющие собой устройства поточного координатного ввода графических изображений.
Конструктивно дигитайзер состоит из планшета, на рабочую плоскость которого нанесена координатная сетка, и светового пера. При вводе изображения пером отмечаются точки на рабочей плоскости дигитайзера,
237
их координаты вводятся в компьютер и с помощью специального программного обеспечения отображаются на экране. Разрешающая способность дигитайзеров от 100 до 400 точек на дюйм.
Основным устройством вывода графической информации на бумажный носитель является плоттер (графопостроитель). Достоинством плоттера по сравнению с обычным принтером является возможность использования для печати крупноформатной бумаги (вплоть до формата АО). Плоттеры широко применяются в системах автоматизированного проектирования, в картографии, архитектуре и др.
По своей конструкции плоттеры бывают двух типов - планшетные и рулонные (барабанные).
В планшетных плоттерах лист бумаги фиксируется горизонтально на плоском столе, а пишущий узел (одно или несколько разноцветных перьев) может перемещаться по нему в любом из двух направлений - осям X и Y.
В более компактных рулонных плоттерах пишущий узел перемещается только в одном направлении, а бумажный носитель протягивается в перпендикулярном направлении с помощью специального транспортирующего валика.
Скорость вычерчивания изображений в плоттерах составляет 100 - 1000 мм/с, у лучших моделей плоттеров возможны цветное изображение и передача полутонов. Наибольшая разрешающая способность и четкость изображения достигается у лазерных плоттеров, но они являются и самыми дорогими.
238
236 :: 237 :: 238 :: Содержание
Узлы ЭВМ, использующие схемы с памятью
К числу узлов ЭВМ, обладающих памятью, относятся регистры и счетчики.
Регистр представляет собой функциональный узел, предназначенный для приема, временного хранения и выдачи многоразрядных кодов машинных слов. Он состоит из отдельных триггеров, число которых соответствует разрядности машинного слова.
Если триггеры дополнить необходимыми комбинационными схемами, то соответствующие регистры могут выполнять некоторые операции преобразования данных, например, сдвиг кода вправо или влево на требуемое число разрядов, преобразование параллельного кода в последовательный, и наоборот, и др.
Прием кода и передача его в другой регистр реализуются схемой, показанной на рис. 6.13. Она содержит Рг1 для приема n - разрядного кода x1, х2, ..., хn, который затем передается в регистр Рг2. Информация поступает в Рг1, передается в Рг2 парафазным кодом, при котором на одном из входов (R или S) любого триггера всегда присутствует сигнал "1", устанавливающий его в требуемое состояние независимо от того, в каком состоянии триггер находится. При парафазной передаче информации либо хi = 1, а хi = 0, либо хi = 0, а хi = 1. Под действием сигнала Пр Рг1 n - разрядный код принимается в регистр Рг1, а сигналом Пр Рг2 передается в Рг2.
В регистре можно также реализовать операцию сдвига кода путем перемещения его разрядов влево или вправо. Сдвиг кодов требуется при выполнении операций умножения и деления. На рис. 6.14 приведена схема сдвигающего регистра, выполненная на двухтактных D - триггерах. С приходом каждого тактового сигнала Т хранящийся в регистре код перемещается вправо разряд за разрядом. При этом разряды, вышедшие за пределы разрядной сетки, теряются, а в освобождающиеся в процессе сдвига левые разряды записываются нули.
134
Рис. 6.13. Функциональная схема на регистрах для приемаи передачи двоичного кода
135
Рис. 6.14. Функциональная схема сдвигающего регистрана двухтактных D - триггерах
Дополнив данную схему соответствующей логикой, можно на ее основе реализовать сдвиг кода не только вправо, но и влево, а также осуществлять преобразование последовательного кода в параллельный и наоборот.
Счетчик - функциональный узел ЭВМ. предназначенный для подсчета поступающих на его вход сигналов и фиксации результата соответствующими триггерами в виде многоразрядного двоичного кода.
Число разрядов счетчика определяет количество его различных устойчивых состояний, которое называется коэффициентом пересчета Ксч.
В зависимости от значения Ксч счетчики бывают двоичные и с произвольным коэффициентом пересчета. В n - разрядном двоичном счетчике коэффициент пересчета равен 2", а в счетчиках с произвольным коэффициентом пересчета значение Ксч может быть любым целым числом, не равным 2".
По назначению счетчики делятся на суммирующие, вычитающие и реверсивные.
Суммирующий счетчик производит суммирование сигналов, поступающих на его вход. В основу построения счетчика положено свойство Т - триггера изменять свое состояние при поступлении очередного сигнала на счетный вход.
На рис. 6.15 приведена функциональная схема и временная диаграмма работы трехразрядного суммирующего счетчика, построенного на Т - триггерах. Логика его работы представлена в табл. 6.3.
136
Рис. 6.15. Функциональная схема (а) и временная диаграмма (б) работытрехразрядного суммирующего счетчика
Таблица 6.3
Логика работы трехразрядного счетчика
| Номера счетных им пульсов | Состояния триггеров | ||
| Q1 | Q2 | Q3 | |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 1 | 0 |
| 3 | 1 | 1 | 0 |
| 4 | 0 | 0 | 1 |
| 5 | 1 | 0 | 1 |
| 6 | 0 | 1 | 1 |
| 7 | 1 | 1 | 1 |
| 8 | 0 | 0 | 0 |
В начальный момент времени все триггеры устанавливаются сигналом Уст 0 в состояние "0". После прихода первого счетного импульса триггер Тр1 перейдет в состояние "1", а в счетчике зафиксируется код 001. Второй импульс, пришедший на вход, переведет Тр1 снова в состояние "0". При этом возникает импульс переноса, который устанавливает Тр2 в состояние "1", и в счетчике зафиксируется код 010. После третьего входного сигнала Тр1 вновь перейдет в состояние "1", а остальные триггеры останутся в прежнем состоянии, Так будет продолжаться до тех пор, пока счетчик не просуммирует максимальное для трех разрядов число 710 = 1112.
Восьмой импульс переведет Тр1 в состояние "0", возникший перенос поступит на Тр2 и также переведет его в состояние "0". В свою очередь, импульс переноса от второго разряда счетчика переведет в нулевое состояние и Тр3, в результате чего счетчик установится в исходное состояние (000).
В вычитающем счетчике перенос от разряда к разряду берется не с единичных, а с нулевых выходов триггеров. Можно убедиться в том, что при такой коммутации перенос образуется при переходе соответствующего триггера в состояние "1", а не в "0", как это было в суммирующем счетчике. В вычитающем счетчике каждый поступающий на вход сигнал не увеличивает, а уменьшает содержимое счетчика на единицу.
Реверсивный счетчик содержит дополнительные логические схемы, управляющие переключением его либо на суммирование, либо на вычитание.
В рассмотренном счетчике (рис, 6.15) единица переноса передается последовательно из разряда в разряд. Например, при комбинации 110 единица в старшем разряде зафиксируется только после того, как установятся в "0" триггер сначала первого, а затем второго разряда. Если при этом количество разрядов в счетчике относительно велико (не три, как в данном примере), то задержка поступления переноса в старшие разряды существенно возрастет. Для устранения этого недостатка применяется так называемый сквозной перенос. Его идея состоит в том, что импульс, подаваемый на счетный вход триггера, одновременно поступает на логический элемент И, управляемый от единичного выхода данного триггера (рис. 6.16).
Рис. 6.16. Схема организации сквозного переноса
138
В такой схеме импульс переноса формируется лишь в том случае, если данный триггер находится в состоянии "1". Пройдя через элемент И, этот импульс переключает триггер в состояние "0". Следующий счетный импульс на выход уже не пройдет, а только переключит триггер в состояние "1". Таким образом, импульс переноса проходит по сквозной цепочке переноса до того разряда, который находится в состоянии "0" и который он переключает в состояние "1".
Проходя при этом разряды, находящиеся в состоянии "1", импульс переноса одновременно воздействует на счетные входы триггеров, переводя их в состояние "0". Скорость работы счетчика со сквозным переносом значительно выше, чем с последовательным.
Как отмечалось ранее, в двоичных счетчиках коэффициент пересчета, т.е. число различных устойчивых состояний, равен 2n. В зависимости от числа разрядов n такой счетчик может отсчитать 2, 4, 8, 16, ... сигналов и сформировать на выходе перенос. Однако в ряде случаев требуется, чтобы коэффициент пересчета счетчика был отличным от 2n. Широкое распространение получили, например, десятичные счетчики, для которых Ксч = 10. Такой счетчик после каждого десятого импульса возвращается в исходное состояние, формируя при этом на выходе импульс переноса. Разрядность n счетчика с произвольным коэффициентом пересчета определяется из условия 2n - 1 < Ксч < 2n. Очевидно, что Ксч = 10 требуемое число разрядов n = 4. Обычный двоичный четырехразрядный счетчик имеет 24 = 16 различных устойчивых состояний. Следовательно, для Ксч = 10, имеется N = 16 - 10 = 6 избыточных состояний, которые необходимо исключить. Обычно это достигается путем введения обратных связей с выхода счетчика на единичные входы триггеров тех разрядов, которые в двоичном представлении числа N содержат единицы. Так, для N = 610 = 01102 сигнал обратной связи следует подать на единичные входы триггеров второго и третьего разрядов.
На рис. 6.17 представлена функциональная схема десятичного счетчика, а в табл. 6.4 - логика его работы.
Рис. 6.17. Функциональная схема десятичного счетчика
139
Таблица 6.4
Логика работы десятичного счетчика
| Номер импульса | Состояние триггеров | Номер импульса | Состояние триггеров | ||||||
| Q1 | Q2 | Q3 | Q4 | Q1 | Q2 | Q3 | Q4 | ||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 6 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 2 | 0 | 0 | 0 | 1 | 7 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 3 | 1 | 0 | 0 | 1 | 8 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 4 | 0 | 1 | 0 | 1 | 9 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 5 | 1 | 1 | 0 | 1 | 10 | 0 | 1 | 1 | 0 |
140
134 :: 135 :: 136 :: 137 :: 138 :: 139 :: 140 :: Содержание
Узлы ЭВМ на основе комбинационной схемотехники
Комбинационная схемотехника получила широкое распространение при реализации таких узлов ЭВМ, как дешифраторы и сумматоры.
Дешифратор представляет собой логическую схему, преобразующую поступающий на ее входы двоичный код в сигнал на одном из выходов. Если разрядность дешифрируемого кода обозначить через л. то число выходов дешифратора должно быть 2n.
В ЭВМ с помощью дешифраторов осуществляются выборка необходимых ячеек запоминающих устройств, расшифровка кодов машинных операций и т.д.
Логика работы дешифратора, имеющего n = 3 входа и 23 = 8 выходов, приведена в табл. 6.5, из которой следует, что каждому набору входных переменных x1, х2, х3 соответствует сигнал "1" только на одном выходе fi дешифратора.
Таблица 6.5
Логика работы дешифратора на три входа
| Входы | Выходы | |||||||||
| x1 | x2 | x3 | f0 | f1 | f2 | f3 | f4 | f5 | f6 | f7 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
140
Логические функции, реализуемые каждым выходом fi дешифратора, можно записать в следующем виде:
Рис. 6.18. Функциональная схема одноступенчатого дешифраторана три входа
Функциональная схема дешифратора, построенного по этим выражениям приведена на рис. 6.18. Такой тип дешифратора по принципу действия является одноступенчатым (однокаскадным). Он обладает достаточно высоким быстродействием, однако при большом числе входов становится неэкономичным с точки зрения аппаратурных затрат.
141
Для дешифрации многоразрядных кодов используются многоступенчатые (каскадные) дешифраторы. На рис. 6.19 в качестве примера показана схема двухступенчатого дешифратора на три входа, в которой в отличие от схемы, приведенной на рис. 6.18, используются не трехвходовые, а более простые двухвходовые элементы И.
Экономичность многоступенчатых дешифраторов существенно возрастает по сравнению с одноступенчатыми схемами с увеличением числа входов.
К числу узлов ЭВМ, реализуемых на основе комбинационной схемотехники, относятся также сумматоры.
Операция суммирования двоичных кодов чисел осуществляется в них поразрядно с использованием одноразрядных суммирующих схем. При этом в каждом разряде выполняется сложение трех двоичных цифр: цифры данного разряда хi первого слагаемого, цифры этого же разряда уi второго слагаемого и цифры переноса Pi из соседнего младшего разряда.
Рис 6.79. Функциональная схема двухступенчатого дешифраторана три входа
142
Иногда такое суммирование разбивают на две аналогичные операции: суммирование двух цифр слагаемых и суммирование полученного результата с переносом из соседнего младшего разряда. Каждая из этих операций выполняется по схеме, называемой полусумматором. В табл. 6.6 приведена логика работы сумматора на два входа. На его выходах образуется сумма Si данного разряда и перенос Pi + 1 в следующий старший разряд.
Таблица 6.6
Логика работы сумматора на два входа
| xi | yi | Si | Pi + 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 |
Si = xi & yi ? xi & уi; Рi + 1 = хi & уi.
Преобразуем выражение для суммы Si к виду:
Si = хi & yi ? xi & уi = хi & yi ? xi & yi ? xi & xi ? yi & уi = xi & (xi ? yi) ? yi & (xi ? yi) = (xi ? yi) & (xi ? yi) = (xi ? yi) & xi & yi.
На рис. 6.20 приведена построенная по этим выражениям функциональная схема полусумматора и его условное обозначение.
Рис. 6.20. Функциональная схема (а) и условное обозначение(б) полусумматора
Логика работы одноразрядного сумматора на три входа или полного сумматора приведена в табл. 6.7, где xi, yi - суммируемые двоичные цифры
143
в i - м разряде, Рi - перенос из младшего разряда, Si - образующаяся сумма в данном разряде, Pi + 1 - перенос в соседний старший разряд.
Таблица 6.7
Логика работы сумматора на три входа
| xi | yi | Pi | Si | Pi + 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Si = хi & уi & Рi ? xi & yi & Pi ? xi & уi & Рi ? xi & yi & Pi; Рi + 1 = xi & уi & Рi ? xi & уi & Рi ? хi & уi & Pi ? xi & yi & Pi.
По этим выражениям также можно составить функциональную схему комбинационного сумматора с использованием соответствующих логических элементов. Однако вначале следует эти выражения преобразовать так, чтобы в формулах для S; и pj + i были по возможности одинаковые члены, что естественно сократит количество необходимых элементов. Один из вариантов такого преобразования дает следующие выражения:
Si = xi & yi & Pi ? (xi ? yi ? Pi) & (xi & yi ? xi & Pi ? yi & Pi); Pi + 1 = xi & yi ? xi & Pi ? yi & Pi,
которым соответствует функциональная схема сумматора, приведенная на рис. 6.21.
Комбинационный сумматор можно также реализовать с использованием двух полусумматоров и логического элемента ИЛИ, как показано на рис. 6.22.
144
Рис. 6.21. Функциональная схема (а) и условное обозначение(б) одноразрядного комбинационного сумматора
Рис. 6. 22. Функциональная схема комбинационного сумматора,состоящего из двух полусумматоров
145
Рис. 6.23. Функциональная схема сумматора последовательного действия
Суммирование многоразрядных кодов осуществляется с помощью одноразрядных сумматоров. При этом в зависимости от характера ввода - вывода кодов и организации переносов многоразрядные сумматоры бывают последовательного и параллельного принципа действия.
В последовательном сумматоре (рис. 6.23) сложение кодов осуществляется поразрядно, начиная с младшего разряда, с помощью комбинационного сумматора на три входа. Образующийся в данном разряде перенос Рi + 1 задерживается на время tзд и поступает на вход Рi сумматора в момент поступления следующего разряда слагаемых. Таким образом, последовательно разряд за разрядом производится сложение кодов чисел. Достоинством последовательного сумматора является простота аппаратурной реализации, а недостатком - достаточно большое время суммирования.
В параллельном сумматоре (рис. 6.24) достигается более высокое быстродействие. Суммируемые коды поступают на входы сумматора одновременно по всем разрядам. Для этого в каждом разряде используется комбинационный сумматор на три входа, на выходах которого образуется значение суммы Si данного разряда и переноса Рi + 1 в старший разряд.
В процессе распространения сигнала переноса устанавливается окончательное значение суммы в каждом разряде. Очевидно, что в течение этого времени на входах сумматора присутствуют сигналы хi, уi, соответствующие суммируемым кодам. Максимальное по времени суммирование получается в том случае, когда перенос, возникший в первом разряде, распространяется по всем разрядам (например, при сложении кодов 11...11 и 00...01). В параллельных сумматорах обычно применяются различные способы ускорения переноса (параллельный перенос, групповой и т.п.).
146
Рис. 6.24. Функциональная схема параллельногокомбинационного сумматора
147
140 :: 141 :: 142 :: 143 :: 144 :: 145 :: 146 :: 147 :: Содержание
Видеотерминальные устройства
Видеотерминальное устройство ПЭВМ состоит из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера (адаптера). Видеомонитор служит для визуального отображения текстовой и графической информации на экране электронно - лучевой трубки (в стационарных ПЭВМ) или на плоском жидкокристаллическом экране (в портативных ПЭВМ). Видеоконтроллер обеспечивает управление видеомонитором и входит в состав системного блока ПЭВМ (находится на видеокарте, устанавливаемой в разъем материнской платы).
Видеомониторы. Видеомонитор, или просто монитор, выполненный на электронно - лучевой трубке, характеризуется размером экрана, который задается обычно величиной его диагонали в дюймах: от 10 до 21 дюйма (наиболее типичное значение - 14 дюймов).
Важной характеристикой монитора является частота его кадровой развертки. Для большей устойчивости изображения и снижения усталости глаз у качественных мониторов поддерживается частота смены кадров на уровне 60 - 80 Гц.
Мониторы могут работать в двух видеорежимах: текстовом и графическом. Видеомонитором может также обеспечиваться цветное или только монохромное изображение.
В текстовом режиме осуществляется посимвольное изображение данных на экране монитора. Текстовый формат характеризуется числом символов в строке и числом текстовых строк на экране. Стандартным считается формат, в котором может отображаться 25 строк по 80 символов в каждой. Возможны и нестандартные форматы отображения: 25 ? 40, 50 ? 30 и др. С использованием символов псевдографики возможно отображение в текстом режиме простейших рисунков, гистограмм, таблиц и др.
В графическом режиме осуществляется поточечное отображение информации на экране с помощью мозаичных элементов - пикселей (pixel - picture element). За счет этого становится возможным отобразить не только обычную текстовую информацию, но и произвольные изображения и надписи с различными шрифтами и размерами букв.
При работе в графическом режиме особенно важной является разрешающая способность монитора, измеряемая максимальным количеством точек (пикселей) по горизонтали и вертикали экрана.
Стандартное значение разрешающей способности современных мониторов для режима VGA
227
(Video Graphic Array - массив графической информации) составляет 640 х 480 точек, а для режима Super VGA (SVGA) стандартными являются разрешения 640 ? 480, 800 ? 600, 1024 ? 768, 1280 ? 1024 или 1600 ? 1280 точек. Первое число соответствует числу точек по горизонтали, а второе - по вертикали. Чем больше точек на экране, тем четче изображение. Большинство 14 - и 15 - дюймовых мониторов, работающих в графических средах, имеют разрешающую способность, не превышающую 1024 х 768 точек. Разрешение 1600 ? 1280, как правило, применяется только при профессиональной работе в системах автоматизированного проектирования или при изготовлении высококачественных изображений (например, географических карт).
Разрешающая способность и, соответственно, качество изображения существенно зависят от физических размеров элементов изображения (пикселей) или, иначе, от размера зерна монитора, напыляемого на экран монитора. Этот размер измеряется в миллиметрах, образующих ряд: 0,42; 0,39; 0,31; 0,28; 0,27; 0,26; 0,25; 0,22; 0,18. Фактически, приведенные цифры характеризуют не диаметр точек монитора, а расстояние между центрами этих точек.
Мониторы, имеющие достаточно большие размеры зерна люминофора, не могут обеспечить высокую разрешающую способность. Так, например, для экрана с диагональю 14" и шириной 265 мм можно получить разрешающую способность 1024 точки по горизонтали только при размере зерна менее, чем 265/1024 = 0,22 мм; в противном случае точки сливаются и изображение становится нечетким.
На качество изображения также влияет, как уже отмечалось ранее, частота кадровой развертки экрана. Дело в том, что из - за постепенного угасания свечения зерен люминофора изображение на экране нужно регенерировать с определенной частотой. Чем больше зерно, тем оно дольше "разжигается" электронным лучом трубки, но оно и дольше светится. Поэтому в мониторах с большим размером зерна частота регенерации может быть не слишком высокой (порядка 25 - 30 кадров в секунду).
При уменьшении размеров зерна из - за их более быстрого "угасания" регенерацию экрана приходится производить чаще (60 - 100 раз в секунду). Если кадр содержит, например, 1000 строк по 1000 точек в каждой строке, то для его регенерации с частотой 100 раз в секунду потребуется частота кадровой развертки 100 ? 1000 = 105 Гц = 0,1 МГц и частота строчной развертки 100 ? 1000 ? 1000 = 108 Гц = 100 МГц.
В монохромном мониторе на экране распыляется один люминофор, определяющий цвет экрана: белый, зеленый и др. В цветном мониторе на экран последовательно напыляются три различных люминофора, каждый из которых под воздействием электронного луча светится своим цветом. Цветные мониторы получили также название RGB - мониторов, так как в них в качестве основных применяются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) цвета. Люминофоры наносятся в виде точек, образующих
228
цветные триады на месте каждого пикселя. В цветных электронно - лучевых трубках используются три электронные пушки, каждая из которых может подсвечивать точку только одного цвета. Глаз воспринимает цвет пикселя в целом, и этот цвет зависит от яркости отдельных компонентов точечной триады. Изменяя в этой композиции яркости отдельных цветов, можно получить для каждого пикселя большое число различных цветовых оттенков.
В современных ПЭВМ используются различные типы видеомониторов, например, CD (Color Display - цветной дисплей), ECD (Enhanced CD - улучшенный цветной дисплей), PGS (Professional Grafics System - профессиональная графическая система) и др.
Видеоконтроллеры. Видеоконтроллеры, или видеоадаптеры, являются внутрисистемными устройствами. Они осуществляют связь монитора с центральными устройствами ЭВМ и непосредственно управляют выводом данных на экран.
В соответствии с общепринятым стандартом существуют следующие видеоадаптеры:
- Hercules - монохромный графический адаптер; - MDA (Monochrome Display Adapter) - монохромный дисплейный адаптер; - MGA (Monochrome Graphics Adapter) - монохромный графический адаптер; - CGA (Color Graphics Adapter) - цветной графический адаптер; - EGA (Enhanced Graphics Adapter) - улучшенный графический адаптер; - VGA (Video Graphics Adapter) - видеографический адаптер, иногда называемый видеографической матрицей (Video Graphics Array); - SVGA (Super VGA) - улучшенный видеографический адаптер; - PGA (Professional GA) - профессиональный графический адаптер.
Основными характеристиками видеоадаптера являются следующие; режим работы (текстовый и графический); воспроизведение цветов (монохромный и цветной); число цветов или число полутонов (в монохромном); разрешающая способность (число адресуемых на экране монитора пикселей по горизонтали и вертикали); емкость и число страниц в буферной памяти (число страниц - это число запоминаемых текстовых экранов, любой из которых путем прямой адресации может быть выведен на монитор для отображения); размер матрицы символа (количество пикселей в строке и столбце матрицы, формирующей символ на экране монитора); разрядность шины данных, определяющая скорость обмена данными с системной шиной и др.
Основой любого видеоадаптера является буферная видеопамять, емкость которой соответствует количеству хранимых в ней пикселей и их атрибутов. Атрибутивный признак представляется (моделируется) n - разрядной двоичной комбинацией, которая определяет максимально возможное число полутонов или цветовых оттенков, которыми может быть
229
отображен на экране каждый пиксель. Если атрибут одноразрядный, то монитор может работать только в монохромном режиме (пиксель может быть либо ярким, либо темным). При n = 4, 8, 16 и т.д. моделируется, соответственно, 16, 256, 65536 и т.д. цветовых оттенков. Необходимая емкость видеопамяти определяется путем умножения числа байтов атрибута на максимальное количество пикселей экрана. Например, при разрешающей способности экрана 800 х 600 пикселей и 8 - разрядном (однобайтовом) атрибуте каждого требуется 800 ? 600 ? 1 байт = : 480 Кбайт видеопамяти.
В таблице 11.1 приведены основные характеристики видеоадаптеров, применяемых в IBM PC.
Таблица 11.1
Основные характеристики видеоадаптеров для IBM PC
| Параметры | MGA | CGA | EGA | VGA | SVGA |
| Разрешающая способность, пикселей по горизонтали х по вертикали | 720 ? 350 | 640 ? 200 320 ? 200 | 640 ? 350 720 ? 350 | 720 ? 350 640 ? 480 | 800 ? 600 1024 ? 768 |
| Число строк х столбцов (в текстовом режиме) | 25 ? 80 | 25 ? 80 | 25 ? 80 | 25 ? 80 (50 ? 80) | 25 ? 80 (50 ? 80) |
| Число цветов | 2 16 | 16 | 16 256 | 16 256 | |
| Размер матрицы символов, пикселей по горизонтали х по вертикали | 14 ? 9 | 8 ? 8 | 8? 8 14 ? 8 | 8 ? 8 14 ? 8 | 8 ? 8 14 ? 8 |
| Емкость видеобуфера, Кбайт | 64 | 128 | 128/512 | 256/51 2 | 512/1024 |
| Число страниц в буфере (в текстовом режиме) | 1 | 4 | 4 - 8 | 8 | 8 |
| Частота кадров, Гц | 50 | 60 | 60 | 60 | 60 |
227 :: 228 :: 229 :: 230 :: Содержание
Внутримашинный системный интерфейс
Внутримашинный системный интерфейс - это система связи и сопряжения узлов и блоков ПЭВМ между собой. Он представлен совокупностью электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.
В современных ПЭВМ в качестве системного интерфейса используется системная магистраль, или системная шина, к которой параллельно подключены различные устройства и блоки компьютера, конкурирующие между собой за возможность передавать свои данные по ее шинам. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых устройств и пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи данных. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8 - , 16 - , 32 - и 64 - разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.
Системная шина физически представляет собой параллельные проводники, расположенные на материнской плате Эти проводники включают в себя:
- кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда; - кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода - вывода внешнего устройства; - кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов) во все блоки машины; - шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПЭВМ к системе электропитания.
Системная шина обеспечивает три направления передачи данных:
- между микропроцессором и основной памятью; - между микропроцессором и портами ввода - вывода внешних устройств; - между основной памятью и портами ввода - вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
В качестве системной шины в разных ПЭВМ использовались и могут использоваться:
- шины расширений - шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств; - локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного типа.
Шины расширений. Исторически первой шиной данного класса была шина Multibus J, имеющая две модификации: PS/XT bus (Personal Computes
200
extended Technology - ПК с расширенной технологией) и PC/AT bus (PC Advanced Technology - ПК с усовершенствованной технологией).
Шина PC/XT bus - 8 - разрядная шина данных и 20 - разрядная шина адреса, ограничивающая адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт; рассчитана на тактовую частоту 4,77 МГц и использовалась с микропроцессорами i8086,18088.
Шина PC/AT bus использовалась с микропроцессором i80286, имела рабочую тактовую частоту до 8 МГц, 16 - разрядную шину данных и 24 - разрядную шину адресов.
Для IBM PC позднее был разработан стандарт шины ISA (Industry Standard Architecture - архитектура промышленного стандарта) с тактовой частотой 8 МГц, 16 - разрядной шиной данных и 24 - разрядной шиной адреса. По сравнению с шинами PC/XT и PC/AT было увеличено количество линий аппаратных прерываний с 7 до 15 и каналов прямого доступа к памяти с 7 до 11. При 24 - разрядной шине адреса адресное пространство памяти составило 16 Мбайт. Теоретически пропускная способность шины достигла 16 Мбайт/с, хотя реально она (ввиду ряда причин) составляет 4 - 5 Мбайт/с. Число подключаемых устройств 6 шт.
Шина EISA (Extended ISA) явилась жестко стандартизованным расширением шины ISA. Она содержит 32 - разрядную шину данных и 32 - разрядную шину адреса. Адресное пространство шины - 4 Гбайта, пропускная способность 33 Мбайт/с. Число подключаемых устройств - 15 шт. Из - за относительно высокой стоимости данная шина применяется в высокоскоростных компьютерах, сетевых серверах и рабочих станциях.
Шина MCA (Micro Channel Architecture) была разработана фирмой IBM в 1987 г. для машин PS/2, имеет 32/64 - разрядную шину данных и 32 - разрядную шину адреса. При более высокой тактовой частоте (до 10 МГц) увеличена пропускная способность шины до 76 Мбайт/с. По своим прочим характеристикам близка к шине EISA, но не совместима ни с ISA, ни с EISA.
Поскольку ПЭВМ PS/ 2 не получила широкого распространения, в первую очередь ввиду отсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина МСА так и не стала настоящим стандартом и используется не очень широко.
Локальные шины. Современные вычислительные системы характеризуются:
- значительным увеличением быстродействия микропроцессоров (например, МП Pentium может выдавать данные со скоростью более 500 Мбайт/с по 64 - разрядной шине) и некоторых внешних устройств (для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность интерфейса 22 Мбайт/с); - появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например, программы обработки графики, работа в среде мультимедиа).
201
В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно. Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП и обеспечивающих связь микропроцессора с некоторыми скоростными устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и др.
В настоящее время существуют два основных стандарта универсальных локальных шин: VLB и PCI.
Шина VLB (VESA Local Bus - локальная шина VESA) была разработана в 1992 г. Ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA - Video Electronics Standarts Association), поэтому часто ее называют шиной VESA. Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины микропроцессоров i80386, i80486. Предназначена для связи с видеоадаптером и реже с винчестером или сетевым адаптером. Имеет 32/64 - разрядную шину данных и 32 - разрядную шину адреса. Реальная пропускная способность - 80 Мбайт/с, теоретически достижимая - 132 Мбайт/с. Она позволяет подключать до 4 различных устройств. Вместе с тем, из - за отсутствия арбитража шины могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect - соединение внешних устройств) была разработана в 1993 г. фирмой Intel.
Шина PCI является намного более универсальной, чем VLB, имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП: 80486, Pentium, Pentium Pro и др.; возможно подключение до 10 устройств самой разной конфигурации, для которых имеется свой арбитраж. Теоретическая пропускная способность шины в 32 - разрядном варианте равна 132 Мбайт/с, а в 64 - разрядном варианте - 263 Мбайт/с (реальная вдвое ниже).
Следует иметь в виду, что практическое использование в ПЭВМ шин VLB и PCI возможно только при наличии соответствующей VLB - или PCl - материнской платы. Также выпускаются материнские платы с мультишинной структурой, позволяющей использовать комбинации системных шин расширения ISA/EISA и локальных шин VLB и PCI. Варианты конфигурации систем с шинами VLB и PCI показаны на рис. 9.2 и 9.3.
202
Рис. 9.2. Конфигурация системы с шиной VLB
Рис. 9.3. Конфигурация системы с шиной PCI
Основные технические характеристики рассмотренных шин расширения и локальных шин приведены в табл. 9.1.
203
Таблица 9.1
Основные характеристики шин
| Характеристика | ISA | EISA | МСА | VLB | PCI |
| Разрядность шины, бит | |||||
| - данных | 16 | 32 | 32/64 | 32/64 | 32/64 |
| - адреса | 24 | 32 | 32 | 32 | 32 |
| Рабочая частота, МГц | 8 | до 33 | 10 - 20 | до 33 | до 33 |
| Пропускная способность, Мбайт/с | |||||
| - теоретическая | 4 | 33 | 76 | 132 | 132/264 |
| - практическая | 2 | 8 | 20 | 80 | 50/100 |
| Число подключаемых устройств, шт. | 6 | 15 | 15 | 4 | 10 |
204
200 :: 201 :: 202 :: 203 :: 204 :: Содержание
Современное развитие человеческой цивилизации, вступившей
Современное развитие человеческой цивилизации, вступившей в XXI век, характеризуется интенсивным использованием информационных технологий во всех сферах общественной жизни. В настоящее время уже трудно назвать те области человеческой деятельности, успехи в которых не были бы связаны с применением таких технологий. Информация все в большей мере становится стратегическим ресурсом общества, его движущей производительной силой.
На смену индустриальному этапу развития общества пришла эволюционная фаза, названная информатизацией, при которой все социально - экономические структуры преобразуются таким образом, чтобы обеспечить этим структурам и обществу в целом наиболее эффективное и динамичное развитие на основе максимально полного использования имеющихся информационных ресурсов.
Благодаря информатизации общества формируется достаточно мощная информационная инфраструктура, изменяющая не только процесс и характер трудовой деятельности, но и сам образ жизни и систему ценностей человека.
Оглядываясь в прошлое с позиций сегодняшнего дня, можно с уверенностью констатировать, что уже с древнейших времен сама информация, т.е. различные сведения о событиях и явлениях окружающей действительности, становятся предметом человеческого труда, в процессе которого информацию нужно было получать, хранить, передавать, обрабатывать и т.д.
С развитием цивилизации масштабы информационных процессов в обществе неуклонно росли, что постоянно требовало создания тех или иных технических средств, облегчающих труд людей, занятых информационной деятельностью.
Поистине революционным этапом на этом пути стало появление в середине XX века электронных вычислительных машин (ЭВМ), или компьютеров. Реализуемые на их основе информационные технологии позволили универсальными средствами системно и комплексно решить проблемы, связанные с получением, накоплением и обработкой информации. Компьютеризация является технической и технологической базой информатизации общества. Благодаря развитию и совершенствованию ЭВМ вторая половина XX века стала эпохой новых информационных технологий.
При этом прилагательное "новая" подчеркивает не столько эволюционный характер этой технологии, сколько ее новаторский содержательный смысл.
В основе работы ЭВМ лежит цифровая форма представления информации. Любая информация, подлежащая обработке на ЭВМ, представляется многоразрядной комбинацией двух цифровых знаков: 0 и 1. Исходные данные задачи, представленные в двоично - кодированной форме, преобразуются
6
в искомый результат путем выполнения определенной последовательности элементарных машинных операций (сложения, умножения и др.).
Основой автоматизации вычислительного процесса в ЭВМ является принцип программного управления, согласно которому требуемая последовательность операций определяется соответствующей программой, предварительно составленной и введенной в память ЭВМ. Хранимая в памяти программа позволяет достаточно гибко "перенастраивать" ЭВМ на решение различных задач путем записи в память соответствующих программ.
Достоинствами современных ЭВМ являются высокая скорость выполнения арифметических и логических операций, возможность хранения большого объема различной информации, высокая точность вычислений, универсальность применения для решения разнообразных задач.Созданию современных автоматических ЭВМ с хранимой в памяти программой предшествовала достаточно длительная история.
Так, еще в XVII веке немецким ученым В. Шиккардом была построена вычислительная машина, выполняющая четыре арифметических действия и накапливающая промежуточные результаты вычислений.
Примерно в то же время были созданы подобные вычислительные машины французским физиком Б. Паскалем и немецким математиком Г.Лейбницем.
Общим недостатком этих машин было то, что они не были автоматическими и требовали постоянного участия человека в управлении вычислительным процессом.
Основой преодоления этого недостатка стали работы английского математика Ч. Бэббиджа, который в 1833 г. высказал идею программного управления для построения технических устройств, выполняющих требуемую последовательность арифметических действий.
В сконструированной им "аналитической машине" программа задавалась в виде системы пробивок (перфораций) на специальных перфокартах. Такие перфокарты были впервые предложены в начале XIX в. французским изобретателем Ж. Жаккаром для управления ткацкими станками. Позднее они были усовершенствованы Г. Голлеритом (США) и использовались в перфорационных вычислительных машинах при обработке результатов переписи населения США в 1890г.
Следует назвать также имена английских математиков Дж. Буля и А.Тьюринга. Их работы в области математической логики и теории алгоритмов стали основой разработки сложных логических устройств и программных средств вычислительной техники. Так, Дж. Булем в книге "Законы мышления" (1854 г.) были сформулированы основные законы алгебры логики, получившей в дальнейшем название булевой алгебры.
Большой вклад в разработку средств вычислительной техники внесли отечественные ученые и инженеры.
7
К 1874 г. относится изобретение русским инженером В. Однером механического арифмометра, который до середины XX в. не претерпел существенных изменений. В 1878 г. академик П. Л. Чебышев создал современную для того времени вычислительную машину, а в 1911 г. академик А.Крылов построил вычислительную машину для решения дифференциальных уравнений. В эти же годы в России, помимо вычислительных машин, были созданы многочисленные оригинальные счетно - вычислительные инструменты, приборы и механизмы.
Вместе с тем, во всех этих вычислительных машинах и механизмах (как отечественных, так и зарубежных) по - прежнему не был практически реализован принцип программного управления, предложенный Ч. Бэббиджем еще в XIX веке.
Лишь в 1937 г. фирмой IBM (США) по проекту Г. Айткена была создана первая вычислительная машина Марк - 1 с программным управлением. Она была выполнена на электромеханических реле, а программа в ней набиралась вручную на коммутационных досках. Это еще не была машина с гибко изменяющейся программой, однако она уже показала принципиальную возможность построения автоматических вычислительных машин, состоящих из большого числа логических и запоминающих элементов.
Развивая идеи Ч. Беббиджа, американский математик Дж. Фон Нейман в 1945 г. окончательно сформулировал принцип программного управления. Сущность этого принципа заключается в том, что вычислительная машина способна автоматически решить поставленную задачу, если ей в виде программы, состоящей из отдельных команд и хранящейся в памяти, указано то, какие именно операции необходимо выполнить, над какими данными и в какой последовательности.
Основой построения машин с автоматическим программным управлением стали бесконтактные элементы, выполненные на электронных лампах.
Первой электронной вычислительной машиной принято считать машину ЭНИАК, созданную в США в 1945 г. под руководством П. Эккерта и Д. Моугли. Именно с этой даты ведется отсчет истории развития ЭВМ. В 1946 - 49 гг. были разработаны близкие по конструкции ЭВМ - ЭДВАК, СЕАК (США) и ЭДСАК (Англия).
В СССР в 1947 - 1951 г.г. разработана малая электронная счетная машина (МЭСМ), которая стала первой ЭВМ в континентальной Европе. Работа проводилась под руководством академика С. А. Лебедева, с именем которого тесно связано дальнейшее развитие электронной вычислительной техники в нашей стране.
В 1953 г. под руководством инженера Ю. Базилевского была разработана ЭВМ "Стрела". В том же году была создана быстродействующая электронная счетная машина БЭСМ - 1, которая соответствовала уровню лучших машин того времени. В 1954 г. под руководством инженера Б. Рамеева была разработана ЭВМ "Урал - 1". В 50 - х гг. в нашей стране были
8
созданы также другие вычислительные машины на электронных лампах: БЭСМ - 2, Урал - 2, М - 1, М - 3, М - 20 и др.
Дальнейший прогресс электронной вычислительной техники неразрывно связан с совершенствованием ее электронной базы. На смену электронным лампам в конце 50 - х гг. пришли полупроводниковые транзисторы, а в середине 60 - х гг. - интегральные микросхемы.
Одновременно с этим проводилась стандартизация и унификация типовых элементов и узлов ЭВМ, а также средств программного обеспечения, что позволило перейти к созданию семейств ЭВМ, обладающих программной совместимостью и построенных на единых принципах и единой конструкторско - технологической основе.
Примером таких семейств стали разработанные в 60 - х гг. в США системы IBM/360 и IBM/370. В 70 - 80 - х гг. и в нашей стране разрабатывались подобные системы: Единая система ЭВМ (ЕС ЭВМ) и система малых ЭВМ (СМ ЭВМ).
Развитие вычислительной техники на этом этапе сопровождается не только улучшением ее технических характеристик (производительности, объемов памяти и др.), но и стремлением создать максимально возможные удобства для использования ресурсов ЭВМ. Формируется устойчивая категория так называемых пользователей ЭВМ, которые, не являясь профессиональными специалистами в области вычислительной техники, тем не менее, успешно применяют ее для решения своих конкретных задач. Умение пользоваться ЭВМ становится неотъемлемым показателем квалификации современного специалиста.
Благодаря стандартизации и унификации технических и программных средств ЭВМ создаются необходимые условия для создания информационных вычислительных систем, сетей ЭВМ, многомашинных и многопроцессорных вычислительных комплексов. С появлением вычислительных систем ЭВМ превращается в вычислительный инструмент принципиально нового качества. Теперь на базе технических и программных средств становится возможной одновременная обработка программ многочисленных пользователей, распределенных на неограниченной территории и имеющих прямой и независимый друг от друга доступ к ресурсам ЭВМ.
В последние десятилетия в результате интенсивного развития микроэлектроники вычислительная техника практически полностью перешла на использование микропроцессорных средств, реализуемых на больших и сверхбольших интегральных схемах. Микропроцессор представляет собой устройство обработки информации, аналогичное по структуре и выполняемым функциям процессору предыдущих поколений ЭВМ. На базе микропроцессоров создаются новые по характеру использования вычислительные устройства - персональные ЭВМ, что способствует дальнейшему вовлечению в активную работу с ЭВМ широкого круга пользователей. Они становятся эффективным средством повышения производительности труда инженеров, технологов, конструкторов, работников сферы управления, экономики, образования, бизнеса, бытового обслуживания и др.
9
Персональным ЭВМ и микропроцессорам по праву принадлежит одно из ведущих направлений научно - технического прогресса. Их уникально малые размеры, относительная дешевизна и высокая'надежность в сочетании с огромными вычислительными и логическими возможностями практически беспредельно расширили сферу применения электронной вычислительной техники, открыли новые возможности для высокоэффективной автоматизации производственных процессов, научно - исследовательских и проектно - конструкторских работ, обработки информации в сфере экономики и управления. Во всех промышленно развитых странах производство микропроцессорных средств становится одной из наиболее динамично развивающихся отраслей, по существу определяющей уровень производительных сил общества в целом.
Расширение и углубление процессов компьютеризации и информатизации общества закономерно привели к формированию соответствующей области человеческой деятельности, получившей название "информатика". В широком смысле информатика представляет собой комплексное единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных с разработкой, производством и эксплуатацией компьютерных, и телекоммуникационных информационных систем. Современный специалист любого профиля с помощью таких систем должен уметь получать, обрабатывать и использовать необходимую ему информацию.
Массовое применение персональных ЭВМ, внедрение компьютерных систем распределенной обработки данных, создание на этой основе всеобщего информационного пространства закономерно привели к необходимости решения комплексной проблемы защиты информации. В результате системного применения соответствующих средств защиты не только обеспечивается надежность передаваемой, хранимой и обрабатываемой информации, но и создаются условия, препятствующие ее несанкционированному распространению и использованию.
В настоящее время, в условиях стремительной динамики эволюционных процессов в обществе, приобретает важное значение подготовка квалифицированных специалистов, отвечающих современным требованиям социально - экономического и научно - технического прогресса.Именно этой цели служит предлагаемое учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 0753 "Организация и технология защиты информации". В пособии представлен необходимый материал для изучения одноименных дисциплин: "Информатика" и "Вычислительная техника", предусмотренных Государственным образовательным стандартом для студентов названной специальности.
10
6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: Содержание
Вычислительные сети
Поиск наиболее эффективных путей использования средств вычислительной техники привел в конце 60 - х гг. к разработке вычислительных (компьютерных) сетей, представляющих собой территориально рассредоточенную систему ЭВМ и терминальных устройств, связанных между собой каналами передачи данных. Основой функционирования таких сетей является распределенная обработка данных, реализуемая на автономных, но связанных между собой ЭВМ.
Вычислительные сети являются высшей формой многомашинных систем (ассоциаций). Вместе с тем, вычислительные сети имеют определенные отличия от рассмотренных ранее многомашинных вычислительных систем и комплексов.
Первое отличие - размерность. В состав многомашинного вычислительного комплекса входят обычно две - три ЭВМ, расположенные преимущественно в одном помещении. Вычислительная сеть может состоять из десятков и даже сотен ЭВМ, расположенных на расстоянии друг от друга от нескольких метров до десятков, сотен и даже тысяч километров.
Второе отличие - разделение функций между ЭВМ. Если в многомашинном вычислительном комплексе функции обработки данных, передачи данных и управления системой могут быть реализованы в одной ЭВМ, то в вычислительных сетях эти функции распределены между различными ЭВМ.
Третье отличие - необходимость решения в сети задачи маршрутизации сообщений от одной ЭВМ к другой в зависимости от текущего состояния каналов связи, соединяющих ЭВМ друг с другом.
С появлением вычислительных сетей удалось в значительной степени разрешить две стратегически важные проблемы, стоящие на пути информатизации современного общества, а именно:
- объединение и перемещение на любые расстояния гигантских объемов информации; - обеспечение доступа многочисленных пользователей, расположенных на практически неограниченной территории, к огромным вычислительным и информационным ресурсам.
По сравнению с централизованной обработкой данных распределенная сетевая обработка имеет также ряд других преимуществ:
- дальнейшее углубление принципа параллелизма в организации функционирования вычислительных средств, что существенно улучшает их суммарные технические характеристики, в том числе производительность; - значительное снижение стоимости обработки данных за счет коллективного использования дорогостоящих технических и программных ресурсов вычислительной сети;
259
- возможность создания обширных баз данных, размещенных в памяти многочисленных ЭВМ; - предоставление большого перечня услуг, в том числе таких, как электронная почта, телеконференции, электронные доски объявлений, дистанционное обучение; - возможность оперативного перераспределения вычислительных мощностей между пользовал елями сети в зависимости от их потребностей, а также резервирование этих мощностей и средств для повышения достоверности обработки данных; - повышение эффективности использования средств вычислительной техники за счет более интенсивной и равномерной их загрузки; - облегчение работ по развитию и совершенствованию технических, программных и информационных средств.
В обобщенном виде любую вычислительную сеть можно рассматривать как совокупность многочисленных абонентских систем и передающей среды (телекоммуникационной системы), как показано на рис. 12.14.
Абонентами сети могут быть отдельные ЭВМ, комплексы ЭВМ, терминалы пользователей, генерирующие или потребляющие информацию в сети.
Любой абонент сети подключается к станции, которая выполняет функции, связанные с передачей и приемом информации. Совокупность абонента и станции принято называть абонентской системой (АС).
Рис. 12.14. Обобщенная структура вычислительной сети
Передача данных между абонентскими системами обеспечивается телекоммуникационной системой, выполняющей функции передающей среды.
Взаимодействие абонентских систем вычислительной сети носит в общем случае сложный многоуровневый характер. Такое взаимодействие устанавливается не только на уровне физического соединения абонентских систем, а главное - на уровне взаимодействия прикладных процессов, протекающих в этих системах.
При этом под прикладным процессом здесь понимается прикладная программа, инициированная пользователем, вместе с необходимыми наборами данных и выделенными ей ресурсами вычислительной сети.
260
Необходимое взаимодействие названных прикладных процессов обеспечивается, в свою очередь, реализацией целого ряда специальных процессов, например, процессов ввода сообщений, управления передачей, маршрутизации, интерпретации принятых сообщений и др.
Данное обстоятельство закономерно приводит к многоуровневости (иерархичности) функций, реализуемых различными техническими и программными средствами вычислительной сети.
В 1978 г. Международная организация по стандартизации (МОС) предложила 7 - уровневую эталонную модель взаимодействия открытых систем (БОС), которая стала для вычислительных сетей наиболее распространенной и признанной. Функциональные уровни, представленные в данной модели (рис. 12.15), рассматриваются как составные независимые части процессов взаимодействия абонентских систем. На каждом из этих уровней реализуются определенные функции, обеспечивающие необходимое взаимодействие.
Рис. 12.15. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем
Три верхних уровня данной модели отражают взаимодействие соответствующих процессов в абонентской системах и объединяются под общим названием - прикладные процессы. Предшествующие уровни 1 - 4 обеспечивают сетевой доступ к этим процессам. Точки, через которые осуществляется логическая связь с процессами, получили название портов (рис. 12.15).
Дадим краткую характеристику каждому уровню представленной модели взаимодействия.
Прикладной уровень обеспечивает поддержку прикладных программ пользователей в рамках реализации вычислительных, справочных, информационно - поисковых и других работ, которые для них выполняются.
261
Представительский уровень занимается синтаксисом данных, т.е. их представлением в кодах и форматах, принятых в данной системе, в ее прикладных процессах.
Сеансовый уровень устанавливает и поддерживает сеансы взаимодействия прикладных процессов (программ) пользователей через коммуникационную сеть. Он производит обмен данными по запросу процесса пользователя, переданному через прикладной и представительный уровни.
Транспортный уровень обеспечивает сопряжение (интерфейс) между прикладными процессами и коммуникационной сетью. Он устанавливает логические каналы между процессами и производит по этим каналам передачу пакетов данных. Логические каналы, устанавливаемые транспортным уровнем, называются транспортными каналами.
Сетевой уровень реализует функции буферизации и маршрутизации пакетов данных в коммуникационной сети. На этом уровне осуществляется прокладка в каждом физическом канале совокупности логических транспортных каналов.
Канальный уровень реализует процесс передачи данных в виде кадров, являющихся контейнерами, в которых транспортируются информационные пакеты. Канальный уровень обеспечивает управление потоком данных в виде информационных кадров, устанавливает необходимый информационный канал между абонентскими системами, соединенными физическим каналом, обнаруживает ошибки передачи и реализует алгоритм восстановления информации в случае обнаружения сбоев или потерь данных.
Физический уровень непосредственно связан с каналом передачи данных, обеспечивает физический путь для электрических сигналов, несущих информацию.
Каждому из названных функциональных уровней в архитектуре вычислительной сети соответствуют определенные технические и (или) программные модули, реализующие необходимые виды обработки и передачи данных. Так, на уровнях 1 и 2 используются технические средства в виде программируемых контроллеров, мультиплексоров передачи данных, сетевых адаптеров и др. Остальным уровням соответствуют, главным образом, средства сетевого и прикладного программных обеспечений.
Функциональное взаимодействие 7 - уровневых абонентских систем А и В (рис. 12.16) сводится в конечном счете к взаимодействию соответствующих прикладных процессов.
При передаче информации от прикладного процесса абонентской системы А происходит ее обработка в соответствующих уровнях. Смысл этой обработки заключается в том, что каждый уровень добавляет к информации процесса свой заголовок - служебное обрамление, необходимое для адресации передаваемого сообщения. Сообщение, обрамленное заголовками, уходит в коммуникационную сеть и поступает в абонентские системы.
262
Каждая абонентская система, принявшая сообщение, дешифрирует адреса и определяет, предназначено ли ей данное сообщение. При этом в абонентской системе В (рис. 12.16) происходит обратный процесс - чтение и отсечение "а каждом уровне соответствующих заголовков.
Каждый уровень реагирует только на свой заголовок. Таким образом, перемещаясь по уровням, информация поступает в прикладной процесс, для которого она была предназначена.
Рис. 12.16. Взаимодействие абонентских систем сетина базе эталонной модели
Можно утверждать, что передача сообщений, обрамленных соответствующим заголовком, напоминает по своей процедуре вложение в конверт с адресными реквизитами почтовой корреспонденции.
Взаимодействие между соседними уровнями одной абонентской системы регламентируется межуровневыми интерфейсами. Они определяют структуру данных и правила обмена ими между соседними уровнями. Этим обеспечивается относительная независимость уровней друг от друга, при которой модернизация любого из уровней не влечет за собой необходимость внесения изменений в другие уровни. Вычислительная сеть как система становится открытой.
Организация взаимодействия между одноименными уровнями различных абонентских систем также выполняется по определенным правилам, которые определяются соответствующими протоколами П1, П2, ..., П7 (рис. 12.16).
263
Концепция открытых систем предусматривает разработку стандартов для протоколов различных уровней. Легче всего поддаются стандартизации протоколы трех нижних уровней рассмотренной ранее модели, так как они определяют действия и процедуры, свойственные вычислительным сетям любого класса.
Для протоколов физического уровня стандарты определены рекомендациями МККТТ (Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии). Цифровая передача предусматривает использование протоколов Х.21 и Х.21 - бис. Канальный уровень определяют протокол HDLC (High - level Data Link Control - высший уровень управления каналом связи) и его подмножества, а также протокол Х.25/3.
Труднее всего стандартизировать протоколы верхних уровней, особенно прикладного, из - за множественности прикладных задач и в ряде случаев их уникальности. Действительно, в зависимости от характера и сущности функциональных задач практически нет пределов, ограничивающих многообразие существующих вычислительных сетей.
Для систематизации таких сетей могут быть использованы различные классификационные признаки. Пожалуй, наиболее общей является классификация в зависимости от территориальной рассредоточенности элементов сети. По этому признаку вычислительные сети можно разделить на три основных класса:
- локальные сети (LAN - Local Area Network); - региональные сети (MAN - Metropolitan Area Network); - глобальные сети (WAN - Wide Area Network). Дадим им краткую характеристику.
Локальная вычислительная сеть (ЛВС) объединяет абонентов, расположенных в пределах относительно небольшой территории (ограниченной примерно 2 - 3 км). К классу ЛВС обычно относятся вычислительные сети предприятий, фирм, банков, офисов и т.д.
Локальную вычислительную сеть можно рассматривать как совокупность серверов и рабочих станций. При этом рабочей станцией является персональный компьютер, подключенный к сети, через который пользователь получает доступ к ее ресурсам, а сервер - это компьютер, подключенный к сети и обеспечивающий ее пользователей определенными услугами.
Серверы и рабочие станции вычислительной сети часто называют просто узлами сети. Усредненная геометрическая схема соединения таких узлов определяет топологию сети. Для ЛВС типичными являются всего три типа топологий: кольцевая, шинная и звездообразная (рис. 12.17 - 12.19). Иногда для их упрощенного обозначения используются термины - кольцо, шина и звезда.
264
Рис. 12.17. Вычислительная сеть кольцевой топологии
Рис. 12.18. Вычислительная сеть шинной топологии
Рис. 12.19. Вычислительная сеть звездообразной топологии
Кольцевая топология (рис. 12.17) предусматривает последовательное соединение узлов сети замкнутым проводящим кабелем, в качестве которого используется либо витая пара из двух изолированных проводов, либо коаксиальный, либо оптоволоконный кабель. Информация по кольцу передается от узла к узлу. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения. Последовательная дисциплина обслуживания
265
узлов снижает быстродействие сети, а выход из строя одного из узлов нарушает целостность кольца.
Шинная топология - одна из наиболее простых и наиболее распространенных в настоящее время (рис. 12.18). Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны, а принимает их только тот узел, которому они адресованы. Благодаря параллельному обслуживанию узлов, ЛВС с шинной топологией обладает высоким быстродействием. Такую сеть легко наращивать и конфигурировать, она устойчива к возможным неисправностям отдельных узлов.
Сети с кольцевой и шинной топологиями являются одноранговыми. В них нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций. Сетевая операционная система распределена по всем рабочим станциям. Каждая станция сети может выполнять функции как клиента, так и сервера. Это усложняет управление сетью и затрудняет обновление и изменение программного обеспечения.
Иначе обстоит дело в ЛВС со звездообразной топологией (рис. 12.19), имеющей центральный узел, который выполняет функции выделенного сервера. В такой сети выделенный сервер обеспечивает хранение данных, предназначенных для использования всеми периферийными узлами (рабочими станциями). Взаимодействие между рабочими станциями сети осуществляется через сервер, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети. На нем устанавливается сетевая операционная система, к нему подключаются общие для всех рабочих станций внешние устройства - жесткие диски, принтеры и др. Звездообразная топология значительно упрощает взаимодействие узлов ЛВС друг с другом, однако, ее работоспособность целиком зависит от центрального сервера.
Локальные вычислительные сети в последние годы получили широкое распространение в самых различных областях науки, образования, техники и производства. Для дальнейшего расширения их функциональных и информационных возможностей ЛВС могут быть объединены друг с другом или подключаться к сетям более высокого уровня - региональным или глобальным. Такое соединение осуществляет, как показано на рис. 12.20, специальное устройство, названное маршрутизатором, или роутером.
266
Рис. 12.20. Подключение ЛВС к другим сетям
Маршрутизатор с помощью двух адресов - адреса сети и адреса узла однозначно выбирает необходимую рабочую станцию пользователя. При этом он может выбрать наилучший путь для передачи сообщения абоненту, а также обеспечить балансировку нагрузки в сети, перенаправляя потоки сообщений по свободным каналам связи.
Региональная вычислительная сеть связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга (десятки - сотни километров) внутри большого города, экономического региона или отдельной страны. Для организации постоянного обмена большими потоками информации используются постоянно действующие выделенные каналы (телефонные, оптические, спутниковые или радиоканалы). Региональная сеть организации, в которой создана специальная коммуникационная система обмена сообщениями (электронная почта, факс, совместная работа над документами), называется корпоративной. Доступ к таким сетям ограничен определенным кругом лиц, для которых этот доступ связан с выполнением их должностных обязанностей.
Глобальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на различных континентах. Такая сеть содержит гигантский объем разнообразной информации, доступной на коммерческой основе всем желающим. Наиболее известным представителем таких сетей является Интернет (Internet).
Интернет объединяет более 40 тыс. различных локальных сетей. Само ее название означает "между сетей", "сеть сетей". Каждая локальная
267
сеть, подключенная к Internet, называется сайтом, а юридическое лицо, обеспечивающее такое подключение, - провайдером. Сайт может содержать несколько серверов, каждый из которых предназначен для хранения информации определенного типа и в определенном формате. Каждый сайт и сервер на сайте имеют уникальные имена, посредством которых они идентифицируются в Internet.
С собственного компьютера любой абонент сети Internet может передавать сообщения в другой город, просматривать каталоги крупнейших библиотек, знакомиться с уникальными музейными экспонатами, участвовать в различных Международных конференциях и даже в играх с абонентами сети из различных стран.
С помощью Internet можно не только получать информационные услуги, но и совершать покупки и коммерческие сделки, оплачивать счета, заказывать билеты на различные виды транспорта, бронировать места в гостиницах и др.
На базе Internet организовано несколько информационных систем, предоставляющих в распоряжение своих пользователей множество всевозможных ресурсов. Отметим наиболее популярные из них.
Всемирная информационная паутина (WWW - World Wide Web) является наиболее развивающейся в настоящее время информационной системой. Информация в ней представлена так называемыми Web - страницами. Посредством WWW можно обращаться к разнообразным информационным источникам, смотреть видеофильмы, слушать музыку, играть в компьютерные игры и т.д.
Электронная почта (E - mail) выполняет функции обычной почты. Она позволяет пересылать и получать текстовые сообщения и двоичные файлы произвольного вида (в том числе графические и звуковые). Главным ее преимуществом является независимость от времени. Посланная абоненту информация приходит сразу же после ее отправления и хранится в его "почтовом ящике" на специальном почтовом сервере сайта, к которому подключен абонент.
Система телеконференций (UseNet Newsgroups) обеспечивает возможность перемещения новостей между компьютерами по всему миру. Эта система содержит совокупность документов (статей), сгруппированных по определенным темам. В настоящее время имеется более 15 тыс. таких групп по самым различным темам.
Система удаленного управления любым компьютером в сети (Telnet) дает возможность работать с удаленным компьютером, как со "своим", т.е. теоретически получать в свое распоряжение все ресурсы, если к ним разрешен доступ. Следует заметить, что из соображений безопасности намечается тенденция сокращения числа узлов Internet, позволяющих использовать Telnet для подключения к ним.
268
259 :: 260 :: 261 :: 262 :: 263 :: 264 :: 265 :: 266 :: 267 :: 268 :: Содержание
