ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИ
ПЕНЗЕНСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ В.Г. БЕЛИНСКОГО
Кафедра«Вычислительных систем и моделирования»
КУРСОВАЯРАБОТА
подисциплине «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации»Тема: «Представление текстовой и графической информации вэлектронном виде»
Выполнил: студентка гр.ПЭ-31 А-1
Васькова Е.О.,
студентка гр. ПЭ-31 А-1
Гусева Д.И
Проверил: к.т.н., доцентКоннов Н.Н.
2007
Длявыполнения работы в текстовом редакторе был набран текст лекций по курсу«Вычислительные системы, сети и телекоммуникации». Все изображения были созданыв графическом редакторе Microsoft Office Visio.
На основеподготовленных документов создан электронный учебник, который можно просмотретьна прилагаемом диске. Некоторые фрагменты учебника представлены в приложении.
Вычислительнаясистема
Вычислительнаясистема — комплекс аппаратных систем, решающих задачи на основе программы.
Вычислительныеустройства по принципам решения задач и представления информации делятся на:
1) Аналоговые
Обрабатываемаяинформация представляется в виде непрерывно изменяющихся физических параметров.Обработка информации представляет собой воспроизведение сигналов, параметрыкоторых изменяются в соответствии с определенным законом.
2) Цифровые
Манипулируютсимволами (цифрами). Необходимо иметь физические устройства, позволяющие различатьустойчивые состояния (например, замкнутая и незамкнутая цепь).
1) Предтечасовременных компьютеров — «аналитическая машина», над созданием которой в1830-е годы работал Чарльз Бэббидж, считывала программы с бумажных носителей –перфокарт. Данные хранились на специальном механическом устройстве.
2) Вконце 19 веке появились арифмометры, разработанные на основе колеса Однера,которое имело переменное количество зубцов и 10 устойчивых состояний.
3) Вначале 20 в. (период Первой Мировой войны) были разработаныэлектронно-вычислительные системы
Полныйпромышленный цикл обработки перфокарт реализовал Герман Холлерит – создательодной из фирм прародителей корпорации IBM.
4) Вовремя Второй Мировой войны Генрих Цузер разработал машину Ц-3 на основеэлектромагнитного реле.
5) Современныйэтап
Первоепоколение (1949-1958)
Основнымактивным элементом ЭВМ первого поколения является электронная лампа.
Дляпостроения оперативной памяти применялись ферритовые сердечники. В качествеустройств ввода/вывода (УВВ) сначала использовалось стандартная телеграфнаяаппаратура, а затем специально для ЭВМ были разработаны электромеханические УВВна перфокартах и перфолентах. Машины этого поколения характеризуются огромнымиразмерами, малым быстродействием, малой емкостью оперативной памяти (ОП),невысокой надежностью; недостаточно развитым программным обеспечением (ПО).Первой настоящей ЭВМ считается ENIAC.
Американскийматематик Джон фон Нейман сформулировал основные принципы программногоуправления:
— Информация,обрабатываемая машиной ( данные и команды), должна представляться двоичнымкодом
— Каждаякоманда задает вид операции и адреса операндов в памяти.
— Команды иданные располагаются в ячейках памяти. Память машины имеет линейную структуру.
— Программа — упорядоченная последовательность команд, при этом реализуется естественныйпорядок выполнения команд (в порядке возрастания адресов ячеек памяти). Длянарушения этого порядка применяются специальные команды передачи управления.
Второепоколение (1959-1963)
Основнойактивный элемент — транзистор. По сравнению с первым поколением уменьшеныразмеры, стоимость, масса и потребляемая мощность, повышена надежность ибыстродействие, увеличен объём памяти. Отличительные черты: специализация,появление алгоритмических языков, многопрограммных ЭВМ, применение УВВ намагнитных носителях.
Третьепоколение (1964-1976)
Характеризуетсяшироким применением интегральных схем (ИС). ИС (кристалл) — это законченныйфункциональный блок, соответствующий сложной транзисторной схеме, вытравленнойна поверхности кремниевого кристалла. Позднее стали применяться ИС малой(10-100 компонентов на кристалл) и средней (100-1000 компонентов на кристалл)степени интеграции. Отличительные черты: увеличение количества используемыхУВВ, дальнейшее развитие ПО, особенно операционных систем, возможностьудаленного доступа пользователей к ЭВМ, виртуальное использование ЭВМ в режимеразделения времени, применение методов автоматического проектирования;унификация ЭВМ.
Четвёртоепоколение (1977-1990г.г.)
Характеризуетсяприменением больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем(СБИС). Отличительные черты: тенденция к унификации ЭВМ и развитию мини- имикроЭВМ, использование быстродействующих систем памяти и Моп-технологий,создание машин, представляющих единую систему (ЕС ЭВМ), появление первыхперсональных компьютеров и рабочих станций, основной носитель информации — гибкий магнитный диск.
Пятоепоколение (настоящее время)
ЭВМ пятогопоколения (кроме высокой производительности и надежности при более низкойстоимости) должны удовлетворять следующим функциональным требованиям:
— обеспечитьпростоту применения ЭВМ путем реализации систем ввода/вывода информацииголосом, диалоговой обработки информации с использованием естественных языков;
— возможностиобучаемости, ассоциативных построений и логических выводов;
— упроститьпроцесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ поспецификациям исходных требований на естественных языках;
— улучшитьосновные характеристики и эксплуатационные качества ВТ для удовлетворенияразличных социальных задач,
— улучшитьсоотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости, компактности ЭВМ;
— обеспечитьих разнообразие, высокую адаптируемость к приложениям и надежность вэксплуатации.Структурасовременной машины
/>
Обобщеннаяструктура простейшей фон-неймановской ЭВМ
А – адреснаяшина
Д – шинаданных
РК – регистркоманд
ЗПР – запросыпрерывания
СОЗУ –сверхоперативная память
УУ –устройство управления
Любая ВМможет быть разделена на три части:
— обрабатывающая часть – процессор (ЦП);
— оперативноезапоминающее устройство (ОЗУ);
— периферийные устройства (ПУ).
В состав ЦПвходят:
— арифметико-логическое устройство (АЛУ), обрабатывающее данные;
— внутренняяпамять процессора (сверхоперативная память — СОЗУ), которая используется дляхранения операндов, адресов, в том числе и очередной команды на специальномрегистре СК (счётчик команд). Делится на программно доступную (регистры, которыевидны программисту) и скрытую;
— устройствоуправления (УУ), которое выделяет последовательность сигналов контролирующихпередачу информации между остальными устройствами в соответствии с содержимымрегистра команд (РК), на который принимается очередная команда.
Разрядностьпроцессора – максимальная разрядность данных, обрабатываемых одной командой.
Адресноепространство процессора – максимальное количество ячеек ОП, которые могут имадресоваться. Если rA — разрядность, то адресное пространство 2rA.
Ширинавыборки – количество данных, которые могут считываться одновременно в ЦП из ОП.
Производительность– количество задач, решаемых в единицу времени.
Быстродействие– время выполнения одной операции.
Выполнениеоперации включает в себя следующие фазы:
/>
ВК (выборкакоманды): процессор вычисляет адрес ячейки памяти, где хранится команда(этотадрес он берет из СК), обращается к памяти, считывает команду, помешает навнутренний регистр памяти, вычисляет адрес следующей команды(модифицирует СК).
ДК(дешифрация команды): по значению кода определяется раскладка полей (формат)команды, в соответствии с чем настраиваются устройства.
ВО1, ВО2,…(выборка операнда): вычисление адресов операндов и обращение к ним, помещениеоперандов из ОП в регистры СОЗУ.
ИК(исполнение команды): действия над операндами.
ЗР (записьрезультата): полученный результат записывается в регистр памяти.
Фазы ВК, ДК иИК являются обязательными. После ЗР выполняются фазы следующей команды или фазапрерывания.
Структуракоманды:
/>Структурнаясхема микропроцессора intel8086
Первыепроцессоры, появившиеся в персональных ЭВМ были 16-разрядные. Процессор,стоявший в компьютере IBM PC, был изготовлен фирмой Intel, назывался i8086 иработал на тактовой частоте 4,77 МГц. Процессоры следующего поколения, 80186, 80188,80286, тоже были 16-ти разрядными, хотя имели более высокую тактовую частоту и возможностьработы с памятью выше 1 Мбайта в защищенном режиме .
Коротко 16-тибитные процессоры можно описать:
· Разрядностьядра — 16 бит
· Числорегистров — 14
· Разрядностьшины данных: внутренняя — 16 или 8 бит, внешняя — 16 бит
· Адреснаяшина — 20 бит (память до 1 Мбайта)
· Внутренняякэш-память — отсутствует
· Внешняяшина для подключения устройств ввода/вывода — ISA (Industry StandardArchitecture), 16 бит, 8 МГц
На рисунке представлена структурная схема микропроцессора 8086, всостав которого входят: устройство управления, арифметико-логическоеустройство, блок преобразования адресов и регистры.
/>
Устройствоуправления дешифрирует коды команд и формирует необходимые управляющие сигналы.
Арифметико-логическоеустройство осуществляет необходимые арифметические и логические преобразованияданных. Выполнение арифметических операций фиксируется флагом:
CF – признак переноса изстаршего разряда при выполнении операции
ZF – признак нуля: 1 — число = 0
AF – признакдополнительного переноса, сигнал, возникающий между тетрадами в двоичнойоперации.
SF– признак знака: 1 — число 0
PF– признак четности;
ОF– признак переполнения;
DF– признак направления;
IF– признак прерывания;
ТF– признак трассировки;
В блокепреобразования адресов формируются физические адреса данных, расположенных восновной памяти. Наконец, регистры используются для хранения управляющейинформации: адресов и данных.
Всего всостав микропроцессора i8086 входит четырнадцать 16-битовых регистров (см.рис.):
a) четыререгистра общего назначения (регистры данных):
AX — регистр-аккумулятор,
BX — базовыйрегистр,
СХ — счетчик,
DX — регистр-расширитель аккумулятора (по умолчанию для хранения данных в командахумножения и деления);
б) триадресных регистра:
SI — регистриндекса источника,
DI — регистриндекса результата,
BP — регистр-указатель базы (позволяет прочитать произвольный элемент стека);
в) триуправляющих регистра:
SP — регистр-указатель стека (адрес последнего числа, записанного в стек),
IP — регистр-счетчик команд (указывает адрес команды, подлежащей выполнению, т.е.следующей),
регистрфлагов;
Данныерегистры составляют сверхоперативную память.
г) четыресегментных регистра:
CS — регистрсегмента кодов,
DS — регистрсегмента данных,
ES — регистрдополнительного сегмента данных,
SS — регистрсегмента стека.
Способыадресации
Процессор приобработке программы взаимодействует с оперативной памятью, котораяпредставляется единым массивом однобайтных ячеек, обращение к которым происходитпо их номерам (физическим адресам). Число ячеек зависит от разрядности шиныадреса и составляет для процессора i8086 1Мбайт.
Для обращенияк памяти процессор предварительно помещает адрес ячейки в один из своихрегистров. Шестнадцатиразрядный процессор i8086 не может хранить в своихрегистрах двадцатиразрядный адрес, поэтому в нем применена так называемаясегментация памяти, которая заключается в том, что истинный, физический адресячейки хранится в двух регистрах. Один из них – сегментный (хранит адрес началаблока памяти). Второй регистр хранит величину смещения адреса требуемой ячейкиот начала сегмента. Адрес ячейки памяти записывается в виде двойного слова (4байта): :.
Команды могутформировать адреса операндов различными способами. Реализованы следующие режимыадресации:
1.Регистровая прямая (посылочная) — операнд находится в регистре.
Обозначение — , — АХ, ВХ, СХ, DX, SI, DI, BP, SP, AL, BL, СL,DL, AH, BH, CH, DH.
Пример:(приведен операторами языка ассемблера)
mov АХ,SI;переслать содержимое регистра SI в регистр АХ.
2.Непосредственная — непосредственный операнд (константа) присутствует в команде.
Обозначение — .
Пример:
mov AX, 093Ah; занести константу 093Ah в регистр АХ.
3. Прямая(абсолютная)- исполнительный адрес операнда присутствует в команде.
Обозначение — +/-.
Пример:
mov AX, WW;переслать в АХ слово памяти с именем WW
mov BX, WW+2; переслать в ВХ слово памяти отстоящее от переменной с именем WW на 2 байта.
4.Регистровая косвенная — регистр содержит адрес операнда.
Обозначение — [], — ВХ. ВР. SI, DI.
Пример:
mov [ BX ],CL; переслать содержимое регистра CL по адресу, находящемуся в регистре ВХ.
5. Регистроваяотносительная — адрес операнда вычисляется как сумма содержимого регистра исмещения.
Обозначение — [] или [], — SI или DI индексная адресация, ВХ или ВР — базовая адресация.
Пример:
mov АХ,WW[SI]; переслать в АХ слово из памяти, адрес которого вычисляется как суммасодержимого регистра SI и смещения WW.
6. Индексно — базовая — адрес операнда вычисляется как сумма содержимых базового и индексногорегистров и смещения.
Обозначение — [][] или [][] или [][], где — SI или DI, — ВХ или ВР.
Пример:
mov [BX+ SI+2], CL; переслать содержимое регистра CL по адресу, вычисляемому как суммасодержимого регистров ВХ, SI и константы 2.
7.Стековаяадресация — реализует неявное задание адреса операнда. Хотя адрес обращения встек отсутствует в команде, он формируется с помощью указателя SP в которомавтоматически при записи или чтении устанавливается номер последней занятойячейки стека. Прерывания
Прерыванияосуществляют механизм переключения с одной задачи на другую. Прерываниярассматриваются с двух сторон:
— программноопределенные события (предусмотрены текущей программой),
— события непредопределенные, поэтому процессор должен переключаться на какую-то задачу
Следовательно,различают 2 вида прерываний: аппаратные и программные.
1. Программныевызываются из программы с помощью команды int.
2. Приаппаратном прерывании процедура прерывания инициируется внешним сигналом IRQ,поступившим с программируемого контроллера прерываний (КПР). Обработка запросав КПР происходит по следующей схеме:
Происходитфиксация запросов и их селекция по принципу приоритета, который задаетсяномером: запрос с меньшим номером имеет высший приоритет, и наоборот.
КПР выдаетсигнал int в процессор. Периодически в конце каждой команды процессоранализирует сигнал int. Если это событие произошло, то процессор прекращаетвыполнять текущую операцию и приступает к процедуре прерывания:
ЦП записываетв стек содержимое регистра флагов IF (флаг разрешения прерывания), CS и указатель IP, чтобы сохранитьсостояние текущей команды в момент прерывания. Затем он сбрасывает флаг ипередает управление программе обработки прерывания, загружая в регистр CS и IP адрес векторапрерываний, который представляет собой 2 числа (4 байта), задающиеместонахождение обработчика прерывания. В оперативной памяти размещаются 256векторов прерываний (1024 байта).
Адрес векторапрерывания с номером прерывания N вычисляется как N*4. В младшем байте хранитсязначение IP, а в старшем CS.
Чтобывернуться из прерывания, необходимо использовать команду iret, которая восстанавливаетиз стека содержимое CS, IP и регистра флагов.
Программныепрерывания применяются в первую очередь для вызова системных обслуживающихпрограмм — функций DOS и BIOS. Большая часть векторов прерыванийзарезервирована для выполнения определенных действий; часть из нихавтоматически заполняется адресами системных программ при загрузке системы.Вектора прерываний можно условно разбить на следующие группы:
векторывнутренних прерываний процессора (0lh, 02h и др.);
векторыаппаратных прерываний (08h...0Fh и 70h...77h);
программыBIOS обслуживания аппаратуры компьютера (10h, 13h, 16h и др.);
программыDOS (21h, 22h, 23h и др.);
адресасистемных таблиц BIOSЗапоминающиеустройства ЭВМ
Ключевымпринципом построения памяти ЭВМ является ее иерархическая организация (принцип,сформулированный еще Джоном фон Нейманом), которая предполагает использование всистеме памяти компьютера запоминающих устройств (ЗУ) с различнымихарактеристиками.
/>
ВЗУ –энергонезависимая память, используемая для хранения больших объемов информации.Её емкость больше, чем в ОЗУ, но быстродействие во много раз меньше.
ОЗУиспользуется для хранения данных и программ (RAM – устройство спроизвольным доступом). ОЗУ характеризуется следующими параметрами:
1. Времяобращения: время чтения, время записи.
/>2. Емкость – количество адресуемыхэлементов в памяти. Ячейка памяти – то, что считывается за одно обращение.Количество данных (разрядность), считываемых за одно обращение называетсяшириной выборки. Адресуемый элемент ширины. Емкость можетрассматриваться как физическая и как размер адресного пространства.
Всесовременные ОЗУ – полупроводниковые устройства:
1.Статические ОЗУ.
В качествеэлемента памяти используется триггер. Статические ЗУ обладают меньшейплотностью хранения информации. Однако триггер со времен первых компьютеров были остается самым быстродействующим элементом памяти. Поэтому статическая памятьпозволяет достичь наибольшего быстродействия, обеспечивая время доступа вединицы и даже десятые доли наносекунд, что и обусловливает ее использование вЭВМ, главным образом, в высших ступенях памяти – кэш-памяти всех уровней.Триггер создается на двух транзисторах, охваченных обратной связью, и имеет дваразличных устойчивых состояния. Статические ОЗУ поддерживают режимы хранения,чтения, записи, чтения и записи. Главными недостатками статической памятиявляются ее относительно высокие стоимость и энергопотребление.
2.Динамические ОЗУ.
Запоминающаяячейка представляет собой один моп-транзистор, который управляется напряжениеми ведет себя практически как ключ. Недостатки, связанные с необходимостьюрегенерации информации из-за утечки тока и относительно невысокимбыстродействием, компенсируются другими показателями малыми размерами элементовпамяти и, следовательно, большим объемом микросхем этих ЗУ, а также низкой ихстоимостью.
СОЗУ –сверхоперативное запоминающее устройство. Его быстродействие примерно в 100 разбольше быстродействия ОЗУ (реализовано на той же базе, что ЦП, поэтому побыстродействию сравнимо с ним), но емкость в несколько раз меньше.
1.Регистровая СОЗУ.
Входит всостав процессора и представляет собой набор регистров процессора, которыеявляются линейками триггеров. Предназначена для хранения небольшого количестваинформации (до нескольких десятков слов, а в RISC-архитектурах – до сотни),которая обрабатывается в текущий момент времени или часто используетсяпроцессором. Это позволяет сократить время выполнения программы за счетиспользования команд типа регистр-регистр и уменьшить частоту обменовинформацией с более медленными ЗУ ЭВМ. Реализует возможность одновременныхчтения и записи данных. Недостатком является очень быстрое заполнение по меревыполнения задач.
2. Кэш-память(буферная).
Её назначениесостоит в сокращении времени передачи информации между процессором и болеемедленными уровнями памяти компьютера. Обеспечивает автоматическую подменунаиболее часто используемых данных кэш-ячейками, т.е. временно ячейка КЭШазаменяет собой ячейку оперативной памяти. Классический кэш представляет собойассоциативное ЗУ, т.е. информация ищется по некоторому признаку. Кэшэффективен, когда ЦП долго работает с локальной областью памяти, в противномслучае возникают коллизии.
Кэш обычнодублирует группу соседних ячеек памяти (блок) для улучшения временныххарактеристик.
Около 90%всех обращений удовлетворяется КЭШем.
Кэш прямогоотображения строится на базе статических ОЗУ.
За каждойячейкой памяти зафиксирован свой уровень, на котором она продублирована,поэтому при поиске осуществляется одно сравнение. Но в случае, когда унескольких ячеек один уровень, эффективность КЭШа снижается.
По степениблизости к ЦП различают:
L1 – кэш первого уровня(внутренний) – встроен в ЦП, раздельный (один – для хранения команд, два –данных);
L2 — либо также входит вмикросхему процессора, либо может быть реализован в виде отдельной памяти,непосредственно подключенной к ЦП;
L3 (используется редко) –в виде отдельного устройства, которое крепится к той же шине, что и память.
Как правило,на параметры быстродействия процессора большее влияние оказывают характеристикикэш-памяти первого уровня.
Времяобращения к кэш-памяти, которая обычно работает на частоте процессора,составляет от десятых долей до единиц наносекунд, т.е. не превышаетдлительности одного цикла процессора.Интерфейсы
Подинтерфейсами понимаются:
— шины(связывающие устройства),
— процедурыобмена информацией по этим шинам,
— механические подключения (разъёмы).
/>
ПУ –периферийные устройства
К – каналввода/вывода (в/в)
Ввычислительной системе различают:
1) интерфейс«процессор — оперативная память – процессор – каналы ввода/вывода» (самыйбыстрый);
2) интерфейсввода/вывода (расширения), с помощью которого контроллеры ПУ подключаются ксистеме;
3) интерфейспериферийных устройств, с помощью которого они подключаются к своимконтроллерам (адаптерам). Адаптер – простейшее устройство, преобразующеесигналы одного интерфейса в сигналы другого. Контроллер – более сложная система(блок управления).
Видыинтерфейсов
По способупередачи
1. Параллельные:разряды данных передаются одновременно, параллельно (шины ISA, PCI, IDE, Centronics).
2. Последовательные:информация передается последовательно по одному биту (шины USB, RS-232)
Синхронизацияобмена
2 способасинхронизации:
1) механизмстробирования данных: по линии шины данных передаются либо “1” либо “0” Длятого чтобы приемник надежно различал эти события, используют специальный стробирующийсигнал, который подается одновременно с данными в момент времени, когда налинии устанавливаются действительное значение данных.
2)синхронизация квитированием. Данный способ использует для реализации 2 сигнала– прямой и обратный. После того, как данные с передающего устройства будутзафиксированы в принимающем устройстве, последнее выдаст сигнал, что данныеприняты, затем будет выдан сигнал о готовности принимать следующую информацию.
По топологии(характеру связи между устройствами) бывают:
1) синдивидуальной (радиальной) системой шин, которая включает в себя
— главноеустройство, к которому подключаются другие, ведомые;
-проводапрямой и обратной передачи;
— сигналысинхронизации и управления (сигнал выборки со стороны главного устройства, указывающий,что с главным устройством устройству можно работать).
/>
У — устройство
2) скоммунальной (магистральной) системой шин: все устройства взаимодействуют черезобщую магистраль.
У0 выставляетпо шине адреса номер вызываемого абонента. Каждое устройство сравнивает его сосвоим. В случае совпадения устройство начинает работать (только одно) Впротивном случае, устройство не реагирует на сигнал.
/>
А – шинаадреса
D – шина данных
С – шинауправления и синхронизацииОрганизацияввода/вывода
Организациейобмена между системой и периферийными устройствами управляет комплексаппаратно-программных средств, называемый каналом ввода/вывода.
2 типа:
— программноуправляемые (ПУК)
— каналпрямого доступа в память (КПДП)
1. Впрограммно-управляемых каналах при обмене информацией используется аппаратураЦП с помощью команд IN/OUT (обмен между регистрами и портами ввода/вывода)
Скоростьобмена определяется самым медленным устройством.
Попроизводительности устройства делятся на классы:
Низкоскоростные:передается меньше 1000 символов/сек (например, клавиатура,)
Среднескоростные:до 100000 символов/сек (принтер, дискеты)
Высокоскоростные:более 100000 символов/сек (видеокарта, диски).
ЦП видитпериферийные устройства как порты. Каждое устройство логически представлено ввиде нескольких портов:
— порты(регистры) данных на в/в;
— региструправления, содержимое которого формируется ЦП-ом и передается в периферийноеустройство, его разряды используются для задания операций
— регистрсостояния (статусный): отдельные биты формируются периферийным устройством ипередаются в ЦП (7-ой и 15-ый бит указывают на готовность участия в обмене:«готов/не готов», «ошибка/нет ошибки»).
Припрограммной реализации алгоритма обмена, в свою очередь, различают два способав/в, в зависимости от того, каким образом обнаруживается готовность ПУ кобмену:
1. Путемопроса флага готовности ПУ
2. Попрерываниям процессора от ПУ.
Алгоритмобмена, основанный на опросе флага готовности (ввод- вывод по условиюготовности) включает следующие шаги.
1. На этапеначальной подготовки ЦП опрашивает состояние ПУ (включено, исправно, свободно)и запускает механизм ПУ.
ФункционированиеПУ начинается лишь после того, как носитель информации достигнет рабочейскорости. Только после этого начинается обмен информацией с носителем, то естьэтап передачи данных.
2. КонтроллерПУ обеспечивает управление процессом считывания (записи) информации с носителя.Считывание (запись) информации обычно осуществляется байтами данных.Прочитанный с носителя байт заносится в буферный регистр данных (РД), послечего устанавливается флаг ГТ (Готов). В случае записи контроллер ПУобеспечивает перепись байта данных из регистра данных на носитель, после чегоустанавливается флаг ГТ, что означает готовность принять из ЭВМ очередной байтданных.
Процессор, обнаружив факт установки флага, осуществляет ввод (вывод) данных изРД, а контроллер ПУ — сброс флага ГТ. Далее процессор формирует адрес ячейкипамяти, с которой ведется обмен и подсчитывает количество переданнойинформации.
Далее осуществляется анализ на конец передачи блока данных и, если переданы ещене все данные, то выполняется сканирование флага готовности.
3. На этапезавершения обмена опрашивается состояние ПУ и выключается механизм ПУ,приводящий в движение носитель информации.
Рассмотренныйспособ обмена обладает существенным недостатком — непроизводительные затратыпроцессорного времени на ожидание готовности ПУ.
В/в попрерываниям процессора с точки зрения производительности ЭВМ более эффективен,так как время ожидания готовности ПУ процессор может использовать длявыполнения другой программы. При этом способе в момент готовности контроллер ПУвырабатывает сигнал прерывания, по которому процессор прерывает выполнениетекущей программы и приступает к обслуживанию данного ПУ. Обслуживаниеосуществляется путем передачи управления специальной подпрограмме обмена,написанной для данного ПУ, которая обеспечивает обмен с РД ПУ. После еезавершения управление возвращается прерванной программе. Сигналов прерываниявырабатывается столько, сколько байтов информации вводится (выводится).Недостаток обмена по прерываниям процессора — это ощутимые накладные расходывремени на передачу одного байта данных, поэтому обмен по прерываниямпроцессора применяется для обслуживания медленнодействующих ПУ (клавиатура,принтер и т. п.).
2. Контроллерпрямого доступа в память (КПДП).
Обменомуправляет специальный контроллер или сопроцессор ввода/вывода, которыйинициализируется ЦП и передает данные от заданного ПУ в заданную область ОП,или наоборот.
/>
DRQ – запрос на обмен,который говорит, что устройство готово участвовать в обмене
DASK – разрешение запроса
БР – буферныйрегистр
БУС – блокуправления синхронизации
КПДП состоитиз 4 одинаковых каналов. Каждый канал содержит 3 регистра: управляющиепроцедурой обмена с данным устройством:
RA – регистр адреса областипамяти, участвующей в обмене (16-разрядный),
RCD – счетчик данных(количество байт, участвующих в операции (макс. 64 Кбайт))
RM – регистр режима,который задает направление обмена между ОП и ПУ.
Канал можетработать в 4 режимах:
1) побайтныйобмен: передав 1 байт, КПДП отключается и дает возможность работать ЦП илидругим устройствам;
2) блочныйобмен: начавшаяся операция будет поддерживаться, пока не передадутся вседанные.
в) блочныйобмен с ожиданием: контроллер будет выполнять операцию, не пуская другиеустройства к работе
г) режимкаскадного подключения.
3 фазы работыКПДП.
1.Инициирование.
2. Обмен.
3.Завершение.
В каналзагружается адрес, количество слов, режим работы канала. Соответствующий каналразмаскировывается, ЦП переключается на другую работу. ПУ, когда готовоучаствовать в обмене, передает сигнал DRQ, который анализируется контроллером. Контроллерпосылает в ЦП сигнал HOLD (уступить шину). ЦП отключается от системнойшины и передает контроллеру сигнал HLDA (освободил). Контроллер устанавливает сигнал AEN, вследствие чего всеустройства отключаются от системной шины, кроме пославшего сигнал.
После этого контроллервыдает ПУ сигнал DACK. Этот сигнал после завершения обмена убирается, счетчик данныхуменьшается на 1, контроллер убирает HOLD и AEN, ЦП захватывает шину и убирает HLDA. Контроллер готовреагировать на следующий сигнал DRQ.Повышениепроизводительности вычислительных систем
Производительность– это количество операций в единицу времени. Быстродействие – время выполненияопераций. Пусть существует функция F, которую можно разделить на F1, F2, F3. При выполнении задачи F методом, описанным нарисунке, время выполнения F вычисляется как сумма времени выполнения операций F1, F2, F3.
/>
Привыполнении задачи F методом, описанным на рисунке, время выполнения F вычисляется какмаксимальное из значений времени выполнения операций F1, F2,F3.
/>
Для ускорениявыполнения операций используется конвейеризация (локальное совмещение команд –одновременное выполнение различных фаз соседних команд).
/> />
Выполнениекоманд последовательно осуществляется по следующей схеме:
/>
Приконвейеризации используется другой принцип:
/>
При этомвремя выполнения операций не изменилось, но производительность увеличилась в 2раза.
Для обработкиоперандов и команд используется буферная память.
/>
БК – буферкоманд
БД – буферданных
Принципконвейеризации по-разному реализуется в современных микропроцессорах. Структурамикропроцессора типа CISC предполагает, что команды имеют разную длину ивремя выполнения, поэтому они сложны аппаратурно. Процессоры типа RISC предполагают, что всекоманды имеют одинаковый формат, Цикл выполнения команд тоже одинаков. В нихколичество команд сведено до минимума (содержат набор простых, чаше всеговстречающихся команд). Уменьшено количество различных вариантов обращения кпамяти. ЦП ориентирован на работу с регистрами, а не с памятью. Но удлинениекода приводит к увеличению затрат ОП.
Команды имеютследующий формат:
/>
КОП – кодоперации
M – признак команды
R1 – номер регистра
R2 – номер ячейки
R3 (L) — смещение
Конфликты,возникающие при использовании принципа конвейеризации.
1. Структурный– возникает при одновременном обращении в различных фазах к одному тому жересурсу.
/>
Например,фазы ВО и ВК, ВК и ИК, выполняемые в одно время, требуют обращения к памяти.Решение – введение отдельных КЭШей (для команд и для данных).
2.Зависимость по данным. Например, при выполнении следующих операций
сложить R1 R2 R3 (результат сложения R2 и R3 записывается в R1)
умножить R4 R1 R5
Привыполнении ВО второй команды требуется элемент R1, который будет получентолько при выполнении ЗР первой операции. Это невозможно. Решение:
1) введениедополнительной пустой операции (приторможение конвейера)
2) заранеевыявить конфликт и изменить порядок команд
3. Конфликтпо управлению.
Например,такой конфликт возникает при:
сложить R1 R2 R3 (результат сложения R2 и R3 записывается в R1)
условныйпереход Z />
/> умножить R2 R3 R4
Решение:
1) вставитьнейтральные команды («пузырь»),
2)спекулятивное выполнение,
3)предсказание перехода (если условие выполняется→переход к кэш-условию).Мультипрограммирование
Особенностьорганизации МП режима в том, что он реализуется в однопроцессорной машине. Нарисунке представлена схема работы ЦП над двумя задачами одновременно.
/>
Для работы ЦПпо данной схеме используется принудительное переключение. Цикл активности –время непрерывного решения задачи ЦП-ом., которое лимитируется.
Аппаратные опрограммные средства для поддержания МП.
1. Каналпо обслуживанию периферийных устройств.
2. ЦПдолжен иметь таймер.
3. Системапрерываний.
2 и 3 –механизмы переключения.
4. Диспетчеропределяет порядок выполнения программы.
5. Память:внешняя (файловая система) и ОП.
При МПрешаются задачи защиты и распределения памяти. Динамическое распределениепамяти – это выделение памяти каждой программе по мере и в объемах еенеобходимости.
Защита – этопредотвращение влияния одной программы на другую через общую память.
Распределениепамяти
Дляраспределения памяти используются таблицы массивов, содержащие следующиепараметры: базовый адрес, длина. Первая строка таблицы описывает начальныйадрес свободной области памяти. Память должна освобождаться в порядке, обратномее заполнению. Обращение к памяти происходит по адресу B+адрес, указанный впрограмме. Для защиты необходимо выполнение следующего условия: Bi+ni
/>
Виртуальнаяпамять – это расширение ОП за счет дисковой памяти.
/>
Ам –математический адрес (сформированный в ЦП)
Aф – физический адрес(сформированный при помощи таблиц перевода)
Аh – старшая часть,указывающая номер страницы
Al – младшая часть,указывающая ячейки внутри страницы.
Схемапреобразования математического адреса в физический.
/>
Sм – указатель на строкутаблицы страниц (ТС)
Sф – физический адрессоответствующей страницы
ДП –диспетчер памяти
Методзащиты памяти
Пристраничной организации используется метод «ключ-замок». Ключ – это код, которыйставится в соответствие программе. Замок — это код, который ставится всоответствие области памяти. При обращении к памяти происходит сравнение ключас замком, и в случае совпадения разрешается доступ к памяти.
Сегментацияпамяти
Процессор приобработке программы взаимодействует с оперативной памятью ОП, котораяпредставляется единым массивом однобайтных ячеек, обращение к которымпроисходит по их номерам (физическим адресам). Для обращения к памяти процессорпредварительно помещает адрес ячейки в один из своих регистров.Шестнадцатиразрядный процессор не может хранить в своих регистрахдвадцатиразрядный адрес. Поэтому в нем применена так называемая сегментацияпамяти, которая заключается в том, что истинный, физический адрес ячейкихранится в двух регистрах. Один из них — сегментный, он хранит адрес началаблока памяти, который и называется сегментом. Если к шестнадцати разрядамсегмента справа дописать четыре двоичных нуля (16+4=20), то получим физическийадрес начала сегмента в ОЗУ. Второй регистр хранит величину смещения адресатребуемой ячейки от начала сегмента. Адрес ячейки памяти записывается в видедвойного слова (4 байта): :. Сегмент всегданачинается с ячейки, номер которой заканчивается на 4 двоичных нуля. Минимальнаядлина сегмента 16 байтов (параграф). Максимальная длина определяется длинойрегистра, хранящего смещение и равна 64 Кбайта. Пара регистров CS: IPопределяют адрес следующей команды программы. Для адресации данных используютсясегментные регистры DS и ES, а в качестве регистров, хранящих смещение,используются регистры общего назначения BX, SI, DI. Для работы с сегментомстека используют сегментный регистр SS и регистр BP.
Режимыформирования адреса
Режим R86 (реальный)используется при включении питания. Это BIOS – этап, на которомпроисходит конфигурирование, тестирование системы.
В защищенномрежиме P86происходит запуск Windows.
1.ЦП получаетнабор специальных управляющих регистров (трассировки и тестирования).
2.Он изменяетспособ формирования адреса, при этом не используются коды команд, написанныхдля R86(для их выполнения используется V86).
3.ОбеспечиваетсяМП режим работы (включены механизмы распределения и защиты памяти). V86 обеспечиваетсогласование режимов на уровне кодов команд.
Адресацияпамяти в P86происходит следующим образом: ЦП формирует 32-разрядный адрес. Но этот адрес нефизический. Формируется линейный, линейно-страничный адрес (страничнаяорганизация поверх линейной памяти)
В R86 сегментный регистрзадает местонахождение базы. Старшие 13 разрядов этого сегмента – селектор –указатель номера строки в таблице дескрипторов. Существует 2 таблицыдескрипторов:
GDT (Global)-единственная, создаетсядо работы в P86(R86), общая для всехрешаемых программ,
LDT (Local).
Каждаяпрограмма может иметь свою собственную DT, которая описываетструктуру памяти и используется только данной программой. Переключение GDT на LDT выполняется следующимбитом сегментного регистра. Местонахождение GDT задается специальнымрегистром GDTR. RPL (младшие 2 разряда сегмента) – указатель, используемый длядопуска к соответствующей области памяти (ключ). Дескриптор – это код,описывающий некоторую область памяти (и других информационных структур: шлюзов,задач). Дескриптор состоит из:
1) 32-разряднойбазы (адрес сегмента, сегмент может начинаться с любого байта)
2) границы(20 разрядов)
3) DPL (2 разряда) – замка, который используется для защиты сегмента
4) Внутридескрипторов есть поле некоторых признаков (10), которые указывают, что именноописывает дескриптор:
а) признакгранулярности: размер сегмента может быть задан либо в байтах, либо встраницах.
б) тип(назначение): сегмент кода, данных, принадлежности ОС или пользовательскойпрограмме.
в)доступность: по границе (база
Чтобыконтролируемо обойти ограничения, накладываемые системой защитой памяти,используются шлюзы. Например, шлюз задач позволяет вызвать задачу с болеевысоким приоритетом.
Дляобеспечения защиты памяти и правильного обращения к ней используется TTS (таблица состоянияпроцесса). Это регистр обращения (страница размером 4096 байт, в которойотображается текущее состояние регистров процессора), бинарная таблица в/в, вкоторой каждый бит ассоциирован с некоторым регистром (портом в/в). Еслиустановлена 1, то порт для данной программы закрыт. Таким образом,осуществляется контроль за обращением к памяти и портом.Организацияматеринской платы (i8086)
/>
AEN – указывает, кто хозяиншины (ЦП или контроллер)
КСШ –контроллер системной шины
Слоты –преобразуют сигналы ISA в сигналы шины Centronics
КПР –контроллер прерываний
КПДП –контроллер прямого доступа в память
COM – порт, осуществляющийобмен по интерфейсу RS232C скоростью до 115-200 Кбит/сек (модемы).
LPT – разъем для принтера.
PS/2 – разъем для мыши иклавиатуры
Общееадресное пространство: 20 Мбайт (640 байт — ОП, ост.- BIOS, память монитора и т.д.)
Системныйинтерфейс: собирает все компоненты в единое целое.
Интерфейс ПУподдерживает стандарт EISA, который позволяет подключаться к 16-ти и 32-тимашинам.
Шинарасширения: сегодня используются шины PCI – это 32 или 64-разрядная шина с тактовойчастотой – 33МГц. Адресное пространство указывает производителей, настройкишины и режим обмена, тип устройства, младшие порты, которые определяютсяпользователем. Данная шина поддерживает режим plug&play, то есть система можетсама себя конфигурировать. Используется режим пакетного обмена, что повышаетскорость обмена.
Логическаясхема системной платы
/>
AGP – упрощенный вариант PCI.
IDE – контроллер,преобразующий сигналы шины PCI в сигналы дисковых устройств.
CMOS – энергонезависимаяпамять, хранящая параметры настройки, системные часы, питается от литиевогоаккумулятора.
BIOS – базовая система в/в
EISA – интерфейс внутреннейшины x-bus.
Быстродействиеразличных компонентов компьютера (ЦП, ОП и контроллеров периферийных устройств)может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системнойплате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себяконтроллер ОП (северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост).
К северномумосту подключается шина PCI, которая обеспечивает обмен информацией сконтроллерами периферийных устройств. Контроллеры периферийных устройств (звуковаякарта, сетевая карта, модемы) устанавливаются в слоты расширения системнойплаты. Для подключения видеокарты используется специальная шина AGP.Южный мост обеспечиваетобмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийногооборудования.
Дляподключения сканеров и цифровых камер обычно используется порт USB (Universal Serial Bus – универсальнаяпоследовательная шина).
К кристаллусупер в/в подключается принтер через параллельный порт LPT, клавиатура, мышь спомощью порта PS/2, модем через COM-порт.Многопроцессорныевычислительные системы
Поорганизации информационно-логического взаимодействия (потокам) выделяютсистемы, действующие по схеме:
1) «ОКОД»- один поток команд, один поток данных – используют для выполнения команд сдвумя операндами и одним результатам (скалярный процессор)
2) «ОКМД»- одна команда, много данных: одна команда поступает сразу в несколько ЦП, нокаждый работает со своими данными (векторный, или матричный, процессор)
3) «МКОД»- много команд, одни данные: в каждый момент времени в каждый процессорпоступает своя команда. Такие системы используются при обработке звука иизображения.
4) «МКМД»- много команд, много данных.
Пофункциональному значению различают:
1) сети:машины обмениваются файлами через каналы связи (больше ничего общего не имеют);
2) вычислительныекомплексы (кластерные системы) – несколько машин, каждая из которых работает посвоей ОС, но обмен информацией происходит через общую внешнюю или ОП. Плюстакой системы – обеспечение надежности и высокой готовности.
3) Параллельныесистемы (ОКМД)
2 вида:массивно-параллельные и векторно-конвейерные.
Сети ЭВМ –это две и более машин, объединенные каналами связи.
По размеруразличают
1) локальные(LAN), которые, как правило,располагаются в одном помещении, здании, группе зданий. Это самыепроизводительные сети: чем ближе пользователи друг к другу, тем больший объеминформации предается. Поскольку для таких сетей характерны небольшие расстояния(500 м-2 км), а всё оборудование работает в комфортных условиях, то в них невозникает вопросов по проблеме целостности информации при передаче из-заневысокого уровня электромагнитных помех.
2) территориально-распределенные(WAN). Так как машины могутнаходиться на достаточно большом расстоянии друг от друга, то могут возникнутьпомехи, что приведет к искажению канала.
3) кампусная(«лагерь») – сеть микрорайона, совмещающая технологию LAN и WAN.
Основнымисоставляющими любой сети являются
— абонентскиемашины (хосты)
— узлыраспределения информации (коммутаторы)
— скоростнойканал
— сетьабонентского доступа
По принципамкоммутации:
— коммутацияканалов (КК) – работает как телефонная сеть,
— коммутациясообщений (КС) – функционирует по принципу телеграфа,
— коммутацияпакетов (КП) – сообщения делятся на части (пакеты).
Выделяют рядэтапов обмена информацией, которые отражаются в модели взаимодействия открытыхсистем (ВОС).
/>
7 уровнеймодели ВОС:
1) нижний –физический уровень – это канал аппаратуры, обеспечивающий надежностьвзаимодействия, т.е.передачи сигналов 0 и 1. Он организовывает физическоевзаимодействие между устройствами сети.
2) на канальномуровне IP-протокол обеспечивает структурирование информации, передаетпакеты по звеньям.
Структурапакеты:
/>
Флаг-признакначала пакета,
Адрес иуправление – адреса отправителя и получателя
Данные
Контрольнаясумма (КС)
Флаг –признак окончания пакета
3) сетевойуровень определяет правила движения пакета по сети сложной конфигурации, т.е.правила маршрутизации.
Все 3 уровняиспользуются во всех участниках обмена.
Последующиеуровни работают на абонентских машинах.
4) транспортный,задача которого заключается в том, чтобы на передающем конце делить сообщенияна пакеты, а другом конце – собирать.
5) сеансовый:синхронизация взаимодействия машин: проверка готовности абонента к приему информации,приостановка сообщения в случае неуспевания обработки, возобновление,разъединение.
6) представительский:определяется, каким образом кодируется сообщение.
7) Пользовательский:определяет вид оказания услуги, непосредственное взаимодействие с пользователем.
Интерфейс –это правила взаимодействия соседних уровней на одной машине. Стек – наборсогласованных протоколов различных уровней, которые определяют какую-либотехнологию. Протокол – правила, по которым взаимодействуют уровни системы.Механизмуправления передачи
Механизмподразумевает некоторые средства, которыми обладают сетевые компоненты дляобеспечения определенного уровня взаимодействия устройств. Задачи:
— целостностьинформации
— согласование производительности различных устройств (в обратном случае этоможет привести к искажению и потери информации)
Механизмыработают на канальном и транспортном уровнях, но не на сетевом.
1. Обеспечениецелостности сообщений
структурапакета (на канальном уровне)
/>
Флаг – этоуникальная комбинация, которая не встречается внутри пакета.
Онопределяет, начался пакет или закончился
Контрольнаясумма – это несколько байт (2,4), которые используются для выявления ошибок.
Часть пакета,не считая флаги, рассматривается как большое двоичное число.
Оно припередаче делится на заранее известное постоянное число (как правило, этопростое число). В результате выбирают остаток – это контрольная сумма. Наприеме проводится та же операция, и полученное число сравнивается с принятойКС. При совпадении ошибка не выявлена. При несовпадении – ошибка.
Способисправления ошибки — режим повторной передачи, реализующийся в методеквитирования.
/>
Квитанция –это служебный пакет, либо квитанция спрятана внутрь управляющей части обычногопакета. Она может быть положительной и сообщать, что «Всё в порядке», а можетбыть отрицательной и информировать о том, что следует произвести повторпередачи.
На передающемобъекте (устройстве) переданное сообщение будет сохранено до полученияположительной квитанции. Если за время T (таймер) квитанция непридет к источнику, считаем, что пакет не принят, и отправляем его заново. Притакой работе часть пропускной способности канала затрачивается на передачуслужебной информации (квитанции). Поэтому разработан метод квитирования,основанный на использовании окон. Окно – это некоторое количество пакетов(данных), которое может быть передано без квитанции. В сетях X25 размер окна заранееизвестен – 8 пакетов.
/>
Квитанция К4говорит о том, что приемник принял 3 пакета, ожидает 4-ый.
Каждыйпередаваемый пакет имеет метку, указывающую номер в окне. Каждая квитанцияимеет 2 счетчика: количество принятых и переданных пакетов. Если 3-5 попытокпередать пакет оказываются неудачными, связь в канале разрывается и посылаетсясообщение в вышестоящий уровень.
2. Управлениепотоком предполагает согласование пропускной способности.
Коммутационноеустройство (КУ) может рассматриваться как коммутатор, если это канальныйуровень, или маршрутизатор на сетевом уровне. Если все передаваемые пакеты идутна один порт, то может произойти превышение пропускной способности, образуетсятак называемая «пробка». Данная ситуация разрешима. В этом случае на КУвключается буфер, и пакеты, которые не могут быть переданы, встают в очередь(по принципу FIFO: «последним вошел, последним вышел»). Однако физической памятиможет не хватить, и данные могут быть потеряны и уничтожены. В этой ситуации КУобмениваются специальными пакетами с сообщениями «готов/не готов» (RDY/NRDY), поэтому главный КУпосылает другим машинам сигнал «не готов». Последние перестают передаватьданные, а главный обрабатывает очередь. В этом случае порт закрыт, но данныеидут. В результате может произойти блокировка значительной части сети.Локальныесети
/>
СК – сетеваякарта
Через средупередачи можно осуществить прямой доступ к различным ЭВМ.
Коллизия –это столкновение двух передач. Локальные сети различают по способу организациидоступа:
1) «доступразрешен всем»: используется механизм разрешения коллизий (сеть Ethernet)
2) сетьс маркерным доступом, не допускает возникновения коллизий.
Соединениекомпьютеров между собой производится с помощью кабелей различных типов(коаксиального, витой пары, оптоволоконного). Важнейшей характеристикойлокальных сетей является скорость передачи информации по сети. Общая схемасоединения компьютеров в сети называется топологией сети.
Топологиимогут быть различны:
Шинные(линейные, bus)
Кольцевые(петлевые, ring)
Радиальные(звездообразные, star)
Распределенныерадиальные (сотовые, cellular)
Иерархические(древовидные, hierarchy)
Полносвязные(сетка, mesh)
Смешанные(гибридные)
Сети с шиннойтопологией используют линейный моноканал передачи данных, к которому все узлыподсоединены через интерфейсные платы посредством относительно короткихсоединительных линий. Данные от передающего узла сети распространяются по шинев обе стороны. Промежуточные узлы не ретранслируют поступающих сообщений,информация поступает на все узлы, но принимает сообщения только тот, кому оноадресовано. Шинная топология – одна из самых простых. Такую сеть легконаращивать и конфигурировать, а также адаптировать к различным системам. Онаустойчива к возможным неисправностям отдельных узлов.
В сети скольцевой топологией (например, Token Ring) все узлы соединены в единую замкнутую петлюканалами связи. Выход одного узла сети соединяется со входом другого.Информация по кольцу передается от узла к узлу, и каждый узел ретранслируетпосланное сообщение. В каждом узле имеется своя интерфейсная иприемо-передающая аппаратура, позволяющая управлять прохождением данных в сети.Передача данных по кольцу с целью упрощения приемо-передающей аппаратурывыполняется только в одном направлении. Принимающий узел распознает и получает толькоадресованные ему сообщения.
Основапоследовательной сети с радиальной топологией составляет сервер, к которомуподсоединяются рабочие станции, каждая по своей линии связи. Вся информацияпередается через центральный узел, который ретранслирует, переключает имаршрутизирует информационные потоки в сети. Используются и широковещательныерадиальные сети с пассивным центром, в которых вместо центрального сервераустанавливается КУ (обычно концентратор, hub), обеспечивающееподключение одного передающего канала сразу ко всем остальным. Помимоконцентратора существуют и другие КУ.
Репитор(усилитель), работающий на физическом уровне и используемый при передаче наочень большие расстояния. Максимум можно объединить 4 сектора, т.е.последовательно подключить только 3 репитора.
Если в однойсети работают более 20-ти станций, используется мост – устройство, котороеработает на физическом и канальном уровнях. Станциям мосты не видны. Цель моста– локализовать трафик внутри каждого сегмента сети. Мост запоминает MAC станции и в каком онасегменте, и далее работает как фильтр. Широковещательный пакет пропускаетсямостом и доставляется всем станциям.
Дляорганизации доступа к среде используется протокол MAC: все станции все времяпринимают информацию, циркулирующую в этой линии. Если станция хочет передать,она «ждет молчания». Если хотят передать сразу несколько станций, то каждая изних замолкает на случайное время.
Структурапередаваемого пакета
/>
MAC1 – адрес приемника
MAC2 – адресстанции-передатчика
PAD – дополнитель(используется, если длина информационного поля меньше 64 байт, т.е. PAD+Инф.поле >=64, в fast Ethernet до 400 байт)
Управление –это некоторая комбинация: либо длина следующего поля, либо тип информацииследующего поля.
КоммутируемыйEthernet
Этодальнейшее развитие моста. Идея состоит в том, чтобы повысить пропускнуюспособность сети за счет установления нескольких независимых соединений.
В каждомпорту принимаемые сигналы буферизируются. Коммутационная матрица можетобъединить 2 любых порта. ЦП анализирует адреса буферизированных пакетов,запоминает их и устанавливает соответствие между адресами пакетов и номерамипортов. В дальнейшем ЦП знает, какой порт к какой машине принадлежит.Следовательно, несколько пар портов могут работать одновременно, что повышаетпропускную способность системы, работа по разным портам может осуществляться наразной скорости.
Сеть смаркерным доступом (TokenRing)
Пакеты имеютдобавок – маркер – это байт со следующей структурой:
/>
Маркергенерирует специальное устройство – контроллер. ММ – это тип, который указываетна то, идет или не идет за маркером пакет (если пустой→в кольце ничего непередается). Кадр – это MAC получателя. Станция, получив маркер, смотрит,следует ли за ним пакет: если пакета нет, то она пропускает маркер через себяили отправляет свой пакет. Если же за ним следует пакет, она проверяет кадр:если пакет направлен к ней, то она его читает, а тип маркера устанавливается впустой. Если станция получила пустой маркер и хочет отправить пакет, онаизменяет тип маркера и прицепляет кадр. R и X – это указанияприоритета, который исключает монополизацию одной станцией кольца. R может изменяться толькоконтроллером домена. В соответствии с этим приоритетом станции разбиваются на 8групп. X– это приоритет, который станция устанавливает сама, если ее приоритет выше ужезаписанного. При полном прохождении кольца в X записывается R. Таким образом, в сетиникогда не передаются одновременно 2 пакета.Интернет
Интернет –это механизм межсетевого взаимодействия, позволяющий различным локальным сетямработать друг с другом.
Первая версияИнтернет (Arpanet) была изобретена в 1969г. по заказу министерства обороны США сцелью разработать технологию передачи по сети, устойчивую к ядерному удару.
Интернет –это собирательное название множества сетей из разных стран мира, которыепостроены на различном технологическом оборудовании, администрируютсяразличными лицами, но все они отвечают определенным правилам. Они включают:
1) наборпротоколов (TCP/IP — протоколы), стек которых состоит из трех частей:
— IP (сетевой протокол,определяющий правила передачи информации по сети)
— TCP (управление передачи:протокол транспортного и сеансового уровней)
— HTTP, FTP (решение прикладныхзадач)
2) IP-адресация,предполагающая, что любая машина в Интернет имеет свой уникальный номер
3) Клиент-сервернаяорганизация работы приложений. Все услуги, оказываемые Интернет,стандартизированы. Каждая услуга оказывается двумя программами. Серверная – хранити обрабатывает информацию. Машины-серверы всегда подключены к сети Интернет.Абонентские программы включают упрощенную функцию (схему) приема ипредставления информации.
4) свободныйобмен информацией.
ОрганизацияИнтернет
Юридическоелицо, оказывающее доступ к Интернету, — это ISP (Internet Service Provider).Провайдеры работают оттерритории. Существует несколько уровней провайдеров. Провайдеры 1-го уровняобращаются в организацию Internic, которая распределяет IP-адреса. Провайдеры 1-гоуровня обслуживают провайдеров 2-го уровня (обслуживают регион), которыеарендуют канал, покупают IP-адреса и распространяют их провайдерам 3-гоуровня. Это, как правило, частные лица и организации.
IP-адресация
Различают 2вида IP-адресов:
1) временный IP-адрес: при входе в сетьпользователю выделяется определенный IP-адрес, который закрепляется за ним на время егонахождения в сети. После выхода этого пользователя он может быть предоставлендругому пользователю;
2) постоянныйIP-адрес.
IP-адрес – это двоичное32-разрядное число (4 байта). Каждый байт представляет собой отдельное число0..255.
Различают 2модели адресации: классовую и бесклассовую.
Классоваямодель.
Классы сетей:A, B, C — адрес указывает на двапараметра: номер сети и номер машины в сети.
Класс A
Старшийразряд равен нулю. Следующие 7 разрядов определяют номер сети, остальные –номер станции.
Количествосетей = />
Количествомашин = />
Класс B
Первые 2 бита– 1,0. Номер сети занимает 14 разрядов (6+8=14). Адрес станции – 16 битов.
Количествосетей = />
Количествомашин = />
Класс C
Первые 3 бита– 1,1,0. Номер сети занимает 21 бит (5+8+8=21). Адрес станции – 8 битов.
Количествосетей = />
Количествомашин = />
Применяетсямнемоническая форма IP-адреса, удобная для человека. При этом используется доменное имя.Выделяют несколько уровней доменов.
1-й и 2-йуровни распределяет Internic, последующие – провайдер. Домены 1-го уровня имеютфиксированное имя. Оно определяется двумя способами:
1) погенетическому происхождению (в зависимости от типа пользователя):
com – коммерческаяорганизация
org – общественнаяорганизация
gov – правительственнаяорганизация
edu – учебное заведение
mil – военная организация
net – класс «связисты»
3) погеографическому принципу
ru – Россия
de — Германия
uk – Украина
Для преобразованияIP в доменное имя в каждойсети создается сервер DNS (Domain Name System) — таблицы переводаимени домена в адрес. Каждая машина знает, каким DNS она обслуживается. Еслинаш запрос неизвестен DNS, он перенаправляется другим DNS. В процессе поиска всеучастники запоминают IP и домен в соответствии с запросом.
Бесклассоваямодель. Классовая модель нерационально использует адреса. Поэтому при адресациимашин используются 2 параметра: IP-адрес и маска.
Маска – это32-разрядное число, некоторый код, в котором единицы указывают на данные ономере сети, нули – номера машин внутри сети.
В каждой сетиобязательно должно прописываться:
IP и маска
Шлюз – адресмашины локальной сети, работающей наружу
Адрес DNS-сервера
Маршрутизация
Длямаршрутизации используется IP-протокол. Каждый IP-пакет снабжается IP-заголовком (стандартныйразмер 20 байт – пять 32-разрядных слов или 20 байт+опции-дополнительноерасширение).
IP-заголовок обязательносодержит:
1) номерверсии IP-протокола (1 байт);
2) времяжизни пакета (TTL)
TTL измеряется в HOPах – это прохождениеодного маршрутизатора.
3) два IP-адреса: приемника иисточника (без маски)
4) управлениефрагментированием – признак, выполнено фрагментирование или нет; есливыполнено, то указывается последний фрагмент в пакете.
Маршрутизациябывает прямая и косвенная. Прямая выполняется внутри локальной сети: источниксообщений непосредственно передает напрямую пакет получателю. Косвеннаямаршрутизация применяется, когда приемник и получатель находятся в разныхлокальных сетях, т.е. нужно воспользоваться хотя бы одним посредником(маршрутизатором). Для этого в каждой локальной сети существует шлюз, имеющийномер сетевой карты или MAC-адрес, или IP-адрес. Используетсяпротокол ARP, который позволяет по IP-адресу узнать МАС-адрес получателя.Машина-источник посылает ARP-запрос, который имеет следующую структуру:
/>
FFF – ARP-запрос принимается всемимашинами
Все машинысравнивают IP получателя со своим. При совпадении получатель посылает «эхо» сосвоим МАС-адресом. Если никто не ответил, пакет посылается в шлюз, которыйработает как маршрутизатор, используя косвенную маршрутизацию. Она предполагаетиспользование маршрутных таблиц, где содержатся: IP получателя, следующиймаршрутизатор, номер порта, метрика (число НОРов для достижения искомогоадреса). Таблицы бывают статические (в небольших сетях с 2-3 маршрутизаторами,прописываются вручную) и динамические (позволяют маршрутизаторам самимсоставлять таблицы). Периодически каждый маршрутизатор обменивается своиммаршрутными таблицами с изменениями в них с дмаршрутизаторами-соседями. Приполучении нескольких путей выбирается кратчайший (используется метрика).
Приложение
/>
Рис.1 –Главная страница
/>
Рис.2 – Однаиз страниц учебника.