Файл: Локальные и глобальные сети эвм основы компьютерной коммуникации. Принципы построения сетей. Компьютерная сеть.pdf

7
Рассматривают общее содержание информационных процессов и структуры предметной области.

Логический;
Происходит формализация информационных процессов и разработка модели предметной области и системообработки информации.

Физический;
Рассматриваются способы реализации информационных процессов, аппаратные, программные средства, средства связи, которые реализуют процессы, методы и модели, выделенные на концептуальном и логическом уровне.
Кроме основных уровней определяют также следующие:

на уровне информационных потоков;

на уровне инструментальных средств;

и другие.
Общая схема цикла информационного процесса, который должен охватываться соответствующими технологиями, приведена на рисунке 1.
Результатом развития информационных технологий стали процессы глобальной информатизации общества.
Основной задачей информационных технологий является систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники. Цель систематизации состоит в выделении, внедрении и развитии передовых, наиболее эффективных технологий, в автоматизации этапов работы с данными, а также в методическом обеспечении новых технологических исследований.

8
Рисунок 1 - Структурная схема цикла информационного процесса
Итак, информационные технологии составляют следующие понятия:

Аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;

Программное обеспечение средств вычислительной техники;

Средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;

Средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.
Как видно в информационных технологиях особое внимание уделяется вопросам взаимодействия. Для этого даже введено специальное понятие –
интерфейс.
Методы и средства взаимодействия отдельных компонентов вычислительной среды называются интерфейсом. Выделяют следующие виды интерфейсов в вычислительной среде.
Пользовательский
интерфейс
– взаимодействие человека с аппаратными и программными средствами.
Аппаратный
интерфейс – взаимодействие отдельных аппаратных компонентов между собой.
Программный
интерфейс – взаимодействие отдельных программных средств.
Входная
Внутренняя
Выходная
Осведомляющая
Директивная
Плановая
Нормативно- справочная
Учетн ая
Управляющая
Отчетная
(статистическая)
Первичная

9
Аппаратно
-программный интерфейс – совокупность взаимодействия программных и аппаратных средств.
Основной задачей информационных технологий является систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники. Цель систематизации состоит в выделении, внедрении и развитии передовых, наиболее эффективных технологий, в автоматизации этапов работы с данными, а также в методическом обеспечении новых технологических исследований.

1
Логические
основы ЭВМ
Изучив
материал, студент должен знать:

логические основы работы ЭВМ.
Изучив
материал, студент должен уметь:

строить логические схемы.
Представление
информации в технических устройствах
В основу любого устройства, предназначенного для преобразования или хранения информации, должен быть положен принцип ее представления, то есть ее физический носитель. Известны, например, механические устройства, в которых информация представляется углами поворота или перемещения объектов относительно друг друга. Так как автоматизация процесса обработки информации всегда являлась важной задачей для дальнейшего прогресса промышленности и науки, предлагались устройства, принцип представления информации в которых зависел от уровня развития техники: механические устройства с ручным, а затем с паровым приводом, электромеханические, электрические устройства и, наконец, электронные устройства. Последние получили широкое распространение и за 30-40 лет вытеснили устройства других типов. Исключение составляют случаи, когда преобразование информации требует наличия движущихся объектов, например, лентопротяжные или дисковые механизмы памяти больших объемов, исполнительные механизмы и приводы, и некоторые другие.
Преимущество использования электронных устройств обусловлено многими факторами, главными из которых являются удобство преобразования и передачи электрических сигналов, малая инерционность электронных устройств и, следовательно, их высокое быстродействие.
Вычислительные устройства, использующие непрерывную форму представления информации, называются аналоговыми вычислительными
машинами
(АВМ). Вычислительные устройства, использующие дискретную

2 форму представления, называются
цифровыми
вычислительными
машинами
(ЦВМ).
В настоящее время устройства, использующие непрерывный способ представления информации, вытесняются более прогрессивными цифровыми устройствами, даже из таких традиционно «аналоговых» областей, как телевидение и телефония. Что касается непосредственно вычислительных систем, то их развитие, начавшееся преимущественно с АВМ, постепенно перешло к ЦВМ и к середине 70-х гг. прошлого столетия ЦВМ полностью вытеснили АВМ.
В дальнейшем мы будем рассматривать только вычислительные устройства с дискретным представлением информации, поэтому здесь остановимся несколько подробнее на принципе построения и полезных свойствах АВМ.
АВМ имели блочную структуру, т.е. представляли собой систему связанных между собой базовых элементов. Связи между базовыми элементами, их состав и количество изменялись для каждой задачи, решаемой на АВМ. В качестве базового элемента использовался операционный усилитель, схема которого показана на рисунке 9.
Рисунок 1 – операционный усилитель
Он состоит из усилителя, входных элементов (Е1, ..., Ел) и элемента обратной связи (Еос). В качестве элементов используются радиоэлектронные компоненты: резисторы, конденсаторы, индуктивности. В зависимости от
U
вх1
U
вх1
Е
1
Е
n
>
Е
ос
U
вых

3 типов элементов, базовый элемент может производить сложение, интегрирование, дифференцирование и некоторые другие операции над входными напряжениями (U
вх1
, ..., U
вхn
), результат операции снимается в виде выходного напряжения (U
вых
). Основными достоинствами АВМ являлись простота аппаратной реализации и высокая скорость получения решения.
Основным же недостатком являлась низкая точность результата, так как радиоэлектронные компоненты, подвергаясь воздействиям внешней среды, изменяли свои параметры, что и влияло на точность решения.
ЦВМ имеют гораздо более высокую сложность аппаратной и программной реализации. Информация в них имеет определенные границы представления, т.е. точность представления информации конечна. Для расширения границ представления необходимо увеличивать аппаратную часть или увеличивать время обработки. Основными достоинствами ЦВМ, а в дальнейшем — компьютерных систем (КС) являются:

гарантированная точность результата, зависящая только от границ представления данных;

универсальность — способность обрабатывать данные любыми методами, представляемыми последовательностью простых арифметических и логических операций;

возможность реализации большого числа известных численных математических методов решения задач.
Базовая
система элементов компьютерных систем
Компьютерные системы (КС) используют естественное представление чисел в позиционной системе счисления, поэтому при построении базовых элементов очень большое значение имеет выбор основания системы счисления. Как уже говорилось выше, для построения цифровых устройств была выбрана двоичная система счисления. Одним из преимуществ двоичного представления являлось и то, что для проектирования устройств

4 можно было использовать мощный аппарат алгебры логики — булевых функций.
При построении функциональных узлов КС используются элементы, которые реализуют базовую систему логических функций. Одним из таких базовых наборов является набор из трех функций: дизъюнкции (логическое
ИЛИ), конъюнкции (логическое И) и отрицание (логическое НЕ). На рисунках 2-4 показаны условные обозначения базовых элементов. Используя эти базовые элементы, строятся все функциональные узлы ЦВМ.
Рисунок 2 – элемент «логическое ИЛИ»
Рисунок 3 – элемент «логическое И»
Рисунок 4 – элемент «логическое НЕ»
&
Х
1
Х
2
Y

5
Функциональные
узлы компьютерных систем
Элемент
памяти
Основой любого компьютера является ячейка памяти, которая может хранить данные или команды. Основой любой ячейки памяти является функциональное устройство, которое может по команде принять или выдать один двоичный бит, а, главное, сохранять его сколь угодно долго. Такое устройство называется триггер, или защелка. Оно строится на основе базового набора логических схем. На рисунке 5 показана схема триггера.
Рисунок 5 – Схема триггера в состоянии хранения бита информации
Триггер собран на четырех логических элементах: два элемента
«логическое НЕ» (схемы 1 и 2) и два элемента «логическое И-НЕ» (схемы 3 и
4). Два последних элемента представляют собой комбинацию логических элементов «логическое И» и «логическое НЕ». Такой элемент на входе выполняет операцию логического умножения, результат которой инвертируется на выходе логическим отрицанием. Триггер имеет два выхода
Q и
Q
. Сигнал на выходе Q соответствует значению, хранящемуся в триггере. Выход
Q
используется при необходимости получить инверсное значение сигнала. Входы S и R предназначены для записи в триггер одного бита со значением ноль или единица.
S
0 1
1
&
3 0
R
0 2
&
4 1
0 1
1
Q
Q

6
Рассмотрим состояние триггера во время хранения бита. Пусть в триггер записан ноль (на выходе Q низкий уровень сигнала). Единица на выходе схемы 4 и единица на выходе схемы 1 поддерживают состояние выхода схемы 3 в состоянии нуля
(
)
0
1
1
=
∧
. В свою очередь, ноль на выходе схемы 3 поддерживает единицу на выходе схемы 4
(
)
1
1
0
=
∧
. Такое состояние может поддерживаться триггером бесконечно долго.
Для записи в триггер единицы подадим на вход S единицу рисунок 6.
Рисунок 6 – Запись в триггер единицы
На выходе схемы 1 получиться ноль, который обеспечит на выходе схемы 3 единицу. С выхода схемы 3 единица поступит на вход схемы 4, на выходе которой значение изменится на ноль
(
)
0
1
1
=
∧
. Этот ноль на входе схемы 3 будет поддерживать сигнал на ее выходе в состоянии единицы.
Теперь можно снять единичный сигнал на входе S, на выходе схемы 3 все равно будет высокий уровень. Т.е. триггер сохраняет записанную в него единицу. Единичный сигнал на входе S необходимо удерживать некоторое время, пока на выходе схемы 4 не появится нулевой сигнал. Затем вновь на входе S устанавливается нулевой сигнал, но триггер поддерживает единичный сигнал на выходе Q, т.е. сохраняет записанную в него единицу.
Точно так же, подав единичный сигнал на вход R, можно записать в триггер ноль. Условное обозначение триггера показано на рисунке 7.
S
1 1
0
&
3 1
R
0 2
&
4 1
1 0
0
Q
Q

7
Регистры
Триггер служит основой для построения функциональных узлов, способных хранить двоичные числа, осуществлять их синхронную параллельную передачу и запись, а также выполнять с ними некоторые специальные операции. Такие функциональные узлы называют регистрами.
Рисунок 7 – Условное обозначение триггера
Рисунок 8 – n-разрядный регистр хранения с синхронной записью и чтением
&
1
Х
1
«Запись»
&
n
Х
n
S Q
R 1
Q
Т
&
1
&
n
S Q
R
n
Q
Т
Y
1
Y
n
«Cброс»
«Чтение»
S Q
R Q
Т

8
Регистр представляет собой набор триггеров, число которых определяет разрядность регистра. Разрядность регистра кратна восьми битам:
8-, 16-, 32-, 64-разрядные регистры. Кроме этого в состав регистра входят схемы управления его работой. На рисунке ??? приведена схема регистра хранения. Регистр содержит n триггеров, образующих n разрядов. Перед записью информации регистр обнуляется подачей единичного сигнала на вход «Сброс». Запись информации и регистр производится синхронно подачей единичного сигнала «Запись». Этот сигнал открывает входные вентили (схемы «логическое И»), и на тех входах X
1
…….X
n
, где присутствует единичный сигнал, произойдет запись единицы. Чтение информации из регистра также производится синхронно, подачей сигнала
«Чтение» на выходные вентили. Обычно регистры содержат дополнительные схемы, позволяющие организовать такие операции, как сдвиг информации
(регистры сдвига) и подсчет поступающих единичных сигналов (регистры счетчики).
Устройства
обработки информации
Для обработки информации компьютер должен иметь устройство, выполняющее основные арифметические и логические операции над числовыми данными.
Такие устройства называются
арифметико
-
логические
устройствами (АЛУ). В основе АЛУ лежит устройство, реализующее арифметическую операцию сложения двух целых чисел.
Остальные арифметические операции реализуются с помощью представления чисел в специальном дополнительном коде. Сумматор АЛУ представляет собой многоразрядное устройство, каждый разряд которого представляет собой схему на логических элементах, выполняющих суммирование двух одноразрядных двоичных чисел с учетом переноса из предыдущего младшего разряда. Результатом является сумма входных величин и перенос в следующий старший разряд. Такое функциональное