Технические средства информационных технологий

Лекция: Технические средства информационных технологий

  
За прошедшее время вычислительная техника, микроэлектроника и вся индустрия информатики стали одной из основных составляющих мирового научно-технического прогресса. Их развитие осуществлялось темпами, которых не знала ни одна отрасль де-ятельности человека. Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека продолжает расширяться. В настоящее время компьютеры используются не только для автоматизации сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании, здравоохранении, экологии и т.п.

Принципы построения компьютера

История и тенденции  развития вычислительной техники

В 1946 году появилась  первая электронная вычислительная машина (компьютер), что явилось громадным достижением человечества. В реализации проекта принимали активное участие такие крупные ученые, как К. Шеннон, Н. Виннер, Дж. фон Нейман и др. С этого момента началась эра вычислительной техники. За прошедшее время вычислительная техника, микроэлектроника и вся индустрия информатики стали одной из основных составляющих мирового научно-технического прогресса. Их развитие осуществлялось темпами, которых не знала ни одна отрасль де-ятельности человека. Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека продолжает расширяться. В настоящее время компьютеры используются не только для автоматизации сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании, здравоохранении, экологии и т.п.

Математические  основы автоматических вычислений были уже разработаны ранее (Г. Лейбниц, Дж. Буль, A. Тьюринг и др.), но появление компьютеров стало возможным только благодаря развитию электронной техники. Многократные попытки создания разного рода автоматических вычислительных устройств (от простейших счетов до механических и электромеханических вычислителей) не привели к созданию надежных и экономически эффективных машин.

Появление электронных схем сделало возможным построение электронных  вычислительных машин.

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), или компьютер, - это комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Следует отметить, что в настоящее время термин "электронная вычислительная машина" практически не используется, уступив место термину "компьютер".

Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы.

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

Под программным обеспечением понимают комплекс программных средств регулярного применения, создающий необходимый сервис для работы пользователей.

В общем случае процесс  подготовки и решения задач предусматривает  обязательное выполнение следующей  последовательности этапов: формулировка проблемы и математическая постановка задачи; выбор метода и разработка алгоритма решения; программирование (запись алгоритма) с использованием некоторого алгоритмического языка; планирование и организация вычислительного процесса - порядка и последовательности использования ресурсов компьютеров и вычислительных систем (ВС); формирование "машинной программы", то есть программы, которую непосредственно будет выполнять компьютер; собственно решение задачи - выполнение вычислений по готовой программе.

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

Основным активным элементом  компьютеров первого поколения являлась электронная лампа, остальные компоненты электронной аппаратуры - это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Компьютеры этого поколения имели значительные размеры, потребляли большую мощность. Быстродействие этих машин составляло от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду, емкость памяти - несколько тысяч машинных слов, надежность исчислялась несколькими часами работы.

В этих ЭВМ автоматизации  подлежал этап выполнения вычислений, так как у них практически  отсутствовало какое-либо программное  обеспечение. Все этапы подготовки пользователь должен был готовить вручную  самостоятельно, вплоть до получения  машинных кодов программ.

На смену лампам пришли транзисторы в машинах второго поколения (начало 60-х годов). Компьютеры стали обладать большими быстродействием, емкостью оперативной памяти, надежностью. Все основные характеристики постоянно улучшались. Существенно были уменьшены размеры, масса и потребляемая мощность.

В компьютерах этого поколения  появились методы и приемы программирования, высшей ступенью которых явилось  появление систем автоматизации  программирования, значительно облегчающих  труд математиков-программистов. Большое  развитие и применение получили алгоритмические  языки, существенно упрощающие процесс  подготовки задач к решению. Это  привело к созданию библиотек  стандартных программ, что позволило  строить машинные программы блоками, используя накопленный и приобретенный  программистами опыт.

Третье поколение компьютеров (в конце 60-х - начале 70-х годов) характеризуется широким применением интегральных схем. Интегральная схема представляет собой законченный логический и функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме. Благодаря использованию интегральных схем удалось еще более улучшить технические и эксплуатационные характеристики машин.

Отличительной особенностью развития программных средств этого  поколения является появление ярко выраженного программного обеспечения  и развитие его ядра - операционных систем, отвечающих за организацию  и управление вычислительным процессом.

Для компьютеров четвертого поколения (80-е годы) характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, усложнению ее функций, повышению надежности и быстродействия, снижению стоимости. Это, в свою очередь, оказало существенное воздействие на логическую структуру компьютера и его программное обеспечение

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

В своем развитии компьютеры первых четырех поколений не выходили за рамки классической структуры, ориентированной  на последовательные вычисления по программе. Но в начале нового тысячелетия (2005-2006 гг.) в связи с успехами микроэлектроники появились, а затем стали доминировать многоядерные микропроцессоры. Это позволило пе-рейти к параллельным вычислениям даже внутри отдельного компьютера. Де-факто возникли качественно новые по построению и своим возможностям компьютеры следующего поколения. Однако еще в 1980 году появился японский проект создания компьютеров пятого поколения, отличительной особенностью которых должен быть встроенный искусст-венный интеллект. Видимо, несовпадение признаков классификации не позволяет сейчас узаконить переход на компьютеры нового поколения.

В новых компьютерах продолжается усложнение технических и программных  структур (иерархия управления средствами, увеличение их количества, параллелизм  в работе). Следует указать на заметный рост уровня "интеллектуальности" систем, создаваемых на их основе.

Принципы построения компьютера

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

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

В первых структурах ЭВМ использовалось централизованное управление, при котором одна и та же аппаратура выполняла и основные, и вспомогательные действия. Это было оправдано для первых дорогих машин, но не позволяло выполнять параллельные работы. Эволюция вычислительной техники потребовала децентрализации.

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

• модульность построения;
• магистральность;
• иерархия управления.

Модульность построения предполагает выделение в структуре компьютера автономных, функционально, логически и конструктивно законченных устройств: процессор, модуль памяти, накопитель на магнитном диске, дисплей и т.п.

Модульная конструкция  компьютера делает его открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К нему можно подключать дополнительные устройства, улучшая его технические и экономические показатели. Появляется возможность наращивания вычислительной мощи, улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователей.

В качестве основных средств подключения и объединения  модулей в систему используются магистрали, или шины. Стандартная система сопряжения (интерфейс) обеспечивает возможность формирования требуемой конфигурации, гибкость структуры и адаптацию к изменяющимся условиям функционирования.

В современных вычислителях принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами компьютеры, их процессоры. Появились вычислительные системы, которые содержат несколько  вычислителей, работающих согласованно и параллельно. Внутри самого компьютера произошло еще более резкое разделение функций между средствами обработки. Появились отдельные специализированные процессоры, например, сопроцессоры, выполняющие  обработку чисел с плавающей  точкой, матричные процессоры и др.

Модульность структуры потребовала  стандартизации и унификации оборудования, номенклатуры технических и программных  средств, средств сопряжения - интерфейсов, конструктивных решений, унификации типовых  элементов замены, элементной базы и нормативно-технической документации. Все это способствовало улучшению  технических и эксплуатационных характеристик компьютеров, росту  технологичности их производства.

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

Структурные схемы  и взаимодействие устройств компьютера

Классическая схема компьютера, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного  характера преобразований, выполняемых  человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная  схема ЭВМ первых поколений представлена на рис.13.2.

В любом компьютере имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят программы решаемых задач и данные. Введенная информация сначала полностью или частично запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный информационный объект - файл.

 
Рис. 13.2.  Структурная схема первых компьютеров

При использовании  файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в  ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается  в устройство управления.

Устройство  управления (УУ) предназначается для  автоматического выполнения программ путем принудительной координации  всех остальных устройств. Цепи сигналов управления показаны на рис.13.2 штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяют код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными.

В персональных компьютерах, относящихся к компьютерам четвертого поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (рис.13.3). Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

 
Рис. 13.3.  Структура ПК

Ядро  ПК образуют процессор, основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), и видеопамять. ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления.

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

Организацию согласованной работы шин и устройств  выполняют микросхемы системной логики, называемые чипсетом (Chipset). Большинство наборов микросхем системной логики имеют ярко выраженную иерархическую структуру построения, отвечающую уровням высокоскоростных и ввода-вывода данных. Уровень высокоскоростных устройств образуют процессоры, видеопамять, оперативная память; уровень низко-скоростных устройств образуют любые внешние устройства.

Компьютерные  системы

Под вычислительной (компьютерной) системой (ВС) понимают совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации. Отличительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработку. Создание ВС преследует следующие основные цели: повышение производительности системы за счет ускорения процессов обработки данных, повышение надежности и достоверности вычислений, предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг и т.д.

Основные принципы построения, закладываемые при создании ВС:

• возможность работы в разных режимах;
• модульность структуры технических и программных средств, которая позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительные системы без коренных их переделок;
• унификация и стандартизация технических и программных решений;
• иерархия в организации управления процессами;
• способность систем к адаптации, самонастройке и самоорганизации;
• обеспечение необходимым сервисом пользователей при выполнении вычислений.

Существует большое количество признаков, по которым классифицируют вычислительные системы: по целевому назначению и выполняемым функциям, по типам  и числу ЭВМ или процессоров, по архитектуре системы, режимам  работы, методам управления элементами системы, степени разобщенности  элементов вычислительной системы  и др. Однако основными из них  являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы.

Большое разнообразие структур ВС затрудняет их изучение. Поэтому  их классифицируют с учетом их обобщенных характеристик. С этой целью вводится понятие "архитектура системы".

Архитектура ВС - совокупность характеристик и параметров, определяющих функционально-логическую и структурную организацию системы и затрагивающих в основном уровень параллельно работающих вычислителей.

Лекция: Устройства ЭВМ  
Подробно описаны основные составляющие ЭВМ.

Комплекс  технических средств, реализующих  функцию памяти, называется запоминающим устройством (ЗУ). ЗУ необходимы для размещения в них команд и данных. Они обеспечивают центральному процессору доступ к программам и информации.

Запоминающие  устройства делятся на основную или  оперативную память (ОП), сверхоперативную память (СОЗУ), ассоциативную память (память с выборкой по содержанию) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Основная память

Основная  память включает в себя два типа устройств: оперативное запоминающее устройство - ОЗУ (RAM - Random Access Memory) и постоянное запоминающее устройство - ПЗУ (ROM - Read Only Memory).

ОЗУ предназначено  для хранения переменной информации. Оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором  вычислительных операций с данными  и может работать в режимах  записи, чтения, хранения.

ПЗУ содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения процессором вычислительных операций, - например, стандартные программы  и константы. Эта информация заносится  в ПЗУ перед установкой микросхемы в ЭВМ. Основными операциями, которые  может выполнять ПЗУ, являются чтение и хранение.

Функциональные  возможности ОЗУ шире, чем ПЗУ. Но ПЗУ сохраняет информацию при  отключении питания (т.е. является энергонезависимой  памятью).

По шине управления передается сигнал, определяющий, какую операцию необходимо выполнить.

По  шине данных передается информация, записываемая в память или считываемая из нее.

По шине адреса передается адрес участвующих в обмене элементов памяти

Максимальная емкость памяти определяется количеством линий в шине адреса системной магистрали: если количество линий обозначить , то емкость памяти (т. е. количество элементов памяти, имеющих уни-кальные адреса) определяется как . Так, в IBM PC XT шина адреса СМ содержала 20 линий. Поэтому максимальный объем ОП в этих машинах равен Мбайт. В IBM PC AT (с микропроцессором i80286) СМ содержит 24 линии, поэтому объем ОП мог быть увеличен до 16 Мбайт. Начиная с МП i80386, шина адреса содержит 32 линии. Максимальный объем ОП увеличился до Гб.

Обычно схемы  ПЗУ допускают только одно программирование, но специальные микросхемы - репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) - допускают их многократное стирание и занесение новой информации. Этот вид микросхем также относится к энергонезависимым, т.е. может длительное время сохранять информацию при выключенном питании (стирание микросхемы происходит либо за счет подачи специального стирающего напряжения либо за счет воздействия на кристалл ультрафиолетового излучения, для этого в корпусе микросхемы оставляется прозрачное окно).

Сверхоперативная  память

Сверхоперативные  ЗУ (СОЗУ) используются для хранения небольших объемов информации и  имеют значительно меньшее время (в 2-10 раз) считывания/записи, чем основная память. СОЗУ обычно строятся на регистрах и регистровых структурах.

Ассоциативная память

Память с выборкой по содержанию является безадресной. Обращение к  ней осуществляется по специальной  маске, которая содержит поисковый  образ. Информация считывается из памяти, если часть ее соответствует поисковому образу, зафиксированному в маске. Например, если в такую память записана информация о людях, содержащая данные о месте  жительства (включая город), и необходимо найти сведения о жителях определенного  города, то название этого города помещается в маску и дается команда "чтение" - из памяти выбираются все записи, относящиеся  к заданному городу.

В микропроцессорах 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, и 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 такого использования СОЗУ сокращается число обращений к ОП, а это позволяет экономить время.

Кэш-память может быть размещена  в кристалле процессора (так называемая "кэш-память I уровня") либо выполнена  в виде отдельной микросхемы или  модуля, содержащего несколько микросхем (внешняя кэшпамять, или кэш-память II уровня).

Встроенная кэш-память (I уровня) в процессорах Pentium имеет объем 16-32 Кбайт. Внешняя кэш-память (II уровня) имеет объем до 1Гбайта и работает с 64-битными словами.

Центральный процессор ЭВМ

Основу центрального процессора ПЭВМ составляет микропроцессор (МП) - обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к ОП и ВНУ и для управления ходом вычислительного процесса. В настоящее время существует большое число разновидностей микропроцессоров, различающихся назначением, функциональными возможностями, структурой, исполнением. Наиболее существенными классификационными различиями между ними чаще всего выступают:

• назначение (микропроцессоры для серверов и мощных приложений; МП для персональных компьютеров и т.д.);
• количество разрядов в обрабатываемой информационной единице (8-битные, 16-битные, 32-битные, 64-битные и др.);
• технология изготовления (0.5мкм-технология; 0.35мкм; 0.25мкм; 0.18мкм; 0.13мкм; 0.07мкм, и т.п.).

Системы визуального отображения  информации (видеосистемы)

Видеосистемы  предназначены для оперативного отображения информации, доведения  ее до сведения оператора ЭВМ. Обычно они состоят из двух частей: монитора и адаптера. Монитор служит для  визуализации изображения, адаптер - для  связи монитора с микропроцессорным  комплектом [88].

Классификацию мониторов можно провести по используемым физическим эффектам, по принципу формирования изображения на экране, по способу  управления, по длительности хранения информации на экране, по цветности.

По принципу формирования изображения мониторы делятся на плазменные, электролюминесцентные, жидкокристаллические, дисплеи с  эмиссией полем, гелиодисплеи, и электронно-лучевые.

Плазменные, электролюминесцентные, жидкокристаллические мониторы и дисплеи  с эмиссией полем относятся к  дисплеям с плоским экраном. Для  них характерно, что экран имеет  малые физические размеры и не мерцает. Мониторы этого вида имеют  малый вес и незначительное потребление  энергии, большую механическую прочность  и длительный срок службы.

Плазменные, электролюминесцентные  мониторы и дисплеи с эмиссией полем являются активными, излучающими  свет. Для работы с ними не нужен  посторонний источник света.

Жидкокристаллические - пассивные  мониторы. Они работают только при наличии постороннего источника света и способны работать либо в отраженном, либо в проходящем свете. Жидкокристаллические мониторы используют способность жидких кристаллов изменять свою оптическую плотность или отражающую способность под воздействием электрических сигналов.

В плазменной панели элемент  изображения образуется в результате газового разряда, который сопровождается излучением света. Конструктивно панель состоит из трех стеклянных пластин, на двух из которых нанесены тонкие прозрачные проводники. На одной пластине проводники расположены горизонтально, на другой - вертикально. Между ними находится третья стеклянная пластина, в которой в местах пересечения  проводников имеются сквозные отверстия. Эти отверстия при сборке панели заполняются инертным газом. Вертикально  и горизонтально расположенные  проводники образуют координатную сетку; на пересечении проводников находятся  элементы изображения - пикселы (от "picture ele-ment").

Электролюминесцентные мониторы работают на принципе люминесценции  вещества при воздействии на него электрического поля. Люминесцентное вещество распыляется на внутренней поверхности одной из пластин  с координатной сеткой. Напряжение на координатные шины подается такое, чтобы на пересечении координатных шин создавалось электрическое  поле, достаточное для возбуждения  люминофора.

Дисплеи с эмиссией полем (Field Emission Display, FED) - это плоские дисплеи, по принципу работы подобны обычным ЭЛТ. Электроны в них излучаются из холодных катодов, имеющих форму очень острых ми-кроигл, количество которых на каждый пиксел может составлять до нескольких тысяч. Этот вид мониторов характеризуется хорошим воспроизведением цветов, так как используется такой же люминофор, как в электронно-лучевых трубках, и высокой скоростью работы (как и в ЭЛТ).

В 2005 году инженеры компании IO2 Technology создали необычное проекционное устройство, получившее название "гелиодисплей" (Heliodisplay). Этому необычному проектору не нужен экран: при помощи лазерных лучей прибор формирует цветное изображение непосредственно в атмосферном воздухе.

Максимальное  количество строк на экране и количество точек в строке образуют разрешающую способность монитора:

• низкую: 320*200 (320 пиксел в строке, 200 строк на экране);
• стандартную: 640*200, 640*350 или 640*480;
• высокую: 750*348 или 800*600;
• особо четкую: 1024*768 или 1024*1024 и выше.

Разрешающая способность  оказывает значительное влияние  на качество изображения на экране, но качество изображения зависит  и от других характеристик: физических размеров элементов изображения (пиксел, или точек), размеров экрана, частоты развертки, цветовых характеристик и др.

Одна из моделей цветообразования цветных ЖК-дисплеев, в настоящее время наиболее распространенная, является конструкцией, аналогичной конструкции цветных дисплеев на ЭЛТ. В качестве источника света в цветном ЖК-дисплее используется люминесцентная лампа подсветки, излучающая свет белого цвета. Пикселы такого дисплея состоят каждый из трех частей - ячеек. Перед каждой ячейкой расположен светофильтр, пропускающий свет одного из цветов модели RGB (красного, зеленого и голубого). Благодаря наличию светофильтра каждый элемент пиксела участвует в генерации определенного цвета, а поскольку размеры элементов малы, цвета каждой триады элементов сливаются в один, воспринимаемый глазом человека.

Другая модель вместо люминесцентной лампы использует светодиодные модули подсветки или массив углеродных нанотрубок (carbon nan-otube, CNT), которые с высокой частотой последовательно меняют цвет излучаемого света (красный - зеленый - голубой - красный и т.д.) и позволяют отказаться от использования светофильтров.

В мониторах со светодиодной подсветкой применяется светодиодная матрица - каждый пиксел изображения  освещается отдельным диодом. Благодаря этому достигается равномерная яркость изображения, увеличиваются углы обзора, а главное - значительно улучшается цветопередача. Кроме того, средний срок службы светодиодной подсветки намного больше времени службы ламп с холодным катодом и оценивается не менее чем в 100 тыс. часов работы.

Во многих портативных устройствах дисплеи используются не только для отображения, но и для ввода информации. Такие дисплеи называются сенсорными. В них экран обладает чувствительностью к прикосновению.

В настоящее время сенсорные  дисплеи применяются во многих моделях  карманных и планшетных ПК, а также смартфонов и коммуникаторов. В 2005 году начался серийный выпуск цифрового фотоаппарата, оснащенного 3-дюймовым сенсорным ЖК-дисплеем, - Sony Cyber-shot DSC-N1.

Связь ЭВМ с монитором  осуществляется с помощью адаптера - устройства, которое должно обеспечивать совместимость различных мониторов  с микропроцессорным комплектом ЭВМ. В начальный период существования  персональных компьютеров адаптеры старались стандартизировать, чтобы  в полной мере обеспечить совместимость  различных по конструкции мониторов  с ЭВМ. Было разработано пять стандартов:

• MDA - монохромный дисплейный адаптер;
• CGA - цветной графический адаптер;
• MGA - монохромный графический адаптер;
• EGA - улучшенный графический адаптер;
• VGA - видеографическая матрица.

Кроме них существовали и  другие адаптеры, например, Геркулес, PGA, SVGA, и др. Но они не поддерживали некоторые общепринятые режимы работы мониторов и вследствие неполной совместимости не позволяли реализовать любое программное обеспечение.

В последнее время наибольшее распространение получили адаптеры SVGA. Этот адаптер не стандартизован, вследствие чего каждая фирма, выпускающая мониторы, обязательно снабжает их драйверами, позволя-ющими работать с различными адаптерами.

Широкое распространение  режима Plag&Play привело к тому, что в состав операционных систем фирмы Microsoft включено огромное количество постоянно обновляемых фирмой драйверов.

Исторически сложилось, что дисплеи могут  работать в одном из двух режимов: символьном или графическом.

Основу адаптера любого типа составляет видеопамять.

Кроме видеопамяти, в состав адаптера входят блок сопряжения с  монитором, блок управления, различные  ускорители (графический, Windows-ускоритель, 3D-ускоритель, и др.), которые предназначены для выполнения вычислительных операций без обращения к МП ЭВМ.

Все видеоустройства имеют  плоский экран. Естественным для  такого экрана является двумерное (плоское) изображение. В то же время для  человека более естественным является объемное (трехмерное) изображение. Поэтому  разрабатываются устройства и способы  создания если не трехмерного изображения, то хотя бы имитирующего его.

Один из способов создания эффекта глубины изображения  заключается в использовании  декартовой системы координат и  нанесения на рисунок только видимых  линий.

Более сложный метод создания объемного изображения основан  на явлении стереоэффекта. Стереоизображение  состоит из двух, выполненных для  правого и для левого глаза. Но каждое из них должен видеть только тот глаз, для которого оно предназначено. Один из способов достижения этого - выполнение изображений в разных цветах (например, одно - в красном, а другое - в зеленом). Наблюдатель одевает очки, которые  содержат стекла разного цвета (одно - красное, второе - зеленое). Через красный  светофильтр видно зеленое изображение, а через зеленый - красное. Другой способ разделить изображения - применить не цветные, а поляризационные фильтры.

Еще более сложным способом создания объемного изображения  является голография. Голографический  метод формирования изображения  известен с конца 40-х гг. В начале 60-х гг. Ю. Н. Денисюк изобрел метод формирования голограмм в трехмерных средах при использовании для записи встречных пучков. Этот метод позволял избавиться от фантомов - так назывались сопутствующие основному, лишние (дополнительные) изображения. На основе этого метода разработана цифровая голография, которую можно реализовать с помощью ЭВМ, без задействования дополнительной аппаратуры.

Голография по Денисюку предусматривает  наличие когерентного источника  света, который излучает свет в виде лучей, выходящих из источника в  одной и той же фазе. Это точечный источник света, имеющий достаточно малые размеры. Если на пути световых лучей поставить линзу, лучи преломляются и далее следуют параллельно  друг другу. На их пути устанавливается  прозрачная стеклянная фотопластинка. Лучи света проходят через нее  и освещают какой-либо объемный предмет. Отражаясь от этого предмета, лучи снова попадают на фотопластинку. Но если при движении к объекту лучи проходили сквозь пластинку, находясь в одной и той же фазе и имея одинаковую интенсивность, то возвращаются назад они после отражения  от объекта в разных фазах и  с разной интенсивностью. Фазы у них разные, так как расстояние от фотопластинки до различных частей отражающего объекта различно, а интенсивность изменилась по сравнению с начальной, поскольку отражающая способность разных частей объекта различна. На фотопластинке прямой и обратный лучи суммируются. Степень засвечивания фотослоя зависит от яркости, которая определяется полученной суммой. На пластинке образуется интерференционная картина. Если пластинку проявить, интерференционная картина становится видимой. При рассматривании ее невооруженным глазом в рассеянном свете видны только темные и светлые пятна различной формы, даже отдаленно не напоминающие объект, который фотографировался. Если теперь в эту установку поместить проявленную пластинку и убрать объект, то при включении когерентного источника света на месте, где раньше находился объект, появится его объемное изображение.

Стеклянная пластинка  имеет следующее свойство: если пластинку  разбить, то каждый ее кусочек несет  полную картину изображения, правда, не такого яркого, как целая пластинка.

Цифровая голография позволяет  получать интерференционную картину  без использования когерентного источника света и фотопластинок  по трем плоским изображениям объекта, сделанным в трех разных взаимно  перпендикулярных плоскостях. Интерференционная  картина вычисляется на ЭВМ. Если ее вывести на принтер, сфотографировать, а затем полученную фотопластинку  поместить в установку Денисюка и осветить когерентным источником света, то появится объемное изображение исходного объекта.

Впоследствии оказалось, что если снятую с принтера распечатку разглядывать, фокусируя по-разному  зрение, можно увидеть объемное изображение  объекта и без использования  дополнительной аппаратуры.

Клавиатура

Клавиатура - это одно из основных устройств ввода информации в ЭВМ, позволяющее вводить различные виды информации. Вид вводимой информации определяется программой, интерпретирующей нажатые или отпущенные клавиши. С помощью клавиатуры можно вводить любые символы: от букв и цифр до иероглифов и знаков музыкальной нотации. Клавиатура позволяет управлять курсором на экране дисплея - устанавливать его в нужную точку экрана, перемещать по экрану, "прокручивать" экран в режиме скроллинга, отправлять содержимое экрана на принтер, производить выбор при наличии альтернативных вариантов, и т.д.

В последнее время наблюдаются  тенденции отказа от клавиатуры в  пользу альтернативных устройств: мыши, речевого ввода, сканеров. Но полностью  эти устройства клавиатуру не заменяют.

Стандартная клавиатура IBM PC имеет несколько групп клавиш.

1. Алфавитно-цифровые и знаковые клавиши (с латинскими и русскими буквами, цифрами, знаками пунктуации, математическими знаками).
2. Специальные клавиши: Esc, Tab, Enter, BackSpace.
3. Функциональные клавиши: (F1...F10...).
4. Служебные клавиши для управления перемещением курсора (стрелки: Up, Down, Left, Right, клавиши Home, End, PgUp, PgDn и клавиша 5, иногда обозначаемая значком "[]" - в центре дополнительной цифровой клавиатуры).
5. Служебные клавиши для управления редактированием (Ins, Del).
6. Служебные клавиши для смены регистров и модификации кодов других клавиш (Alt, Ctrl, Shift).
7. Служебные клавиши для фиксации регистров (CapsLock, Scroll-Lock, NumLock).
8. Разные вспомогательные клавиши (PrtSc, Break, Grey +, Grey -).

Если клавиша 1-й, 4-й, а  иногда и 5-й группы оказывается нажатой  дольше, чем 0,5 сек., начинает генерироваться последовательность ее основных кодов  с частотой около 10 раз в сек., что имитирует серию очень  быстрых нажатий этой клавиши.

Конструктивно клавиатуры могут  быть реализованы по-разному. Есть плоские  клавиатуры, на которых руки быстро устают при длительной работе. Есть специальное исполнение клавиатуры - эргономическое, у которых положение  рук для работы требуется такое, при котором меньше напряжены мышцы кистей рук. Это снижает утомляемость при длительной работе на клавиатуре. Но работать на такой клавиатуре можно только "вслепую", так как поверхность клавиш не видна.

Фирма IBM зарегистрировала патент на клавиатуру, чувствительную к силе нажатия клавиши.

Выпускаемые разными производителями  клавиатуры различаются так же по расстоянию между клавишами, числу  специальных клавиш, способу переключения на цифровой регистр для быстрого ввода числовых данных, углу наклона, форме и текстуре поверхности  клавиш, усилию нажима и величине хода клавиш, расположению часто используемых клавиш, способу соединения с ЭВМ (инфракрасная связь, радиоклавиатура), и др.

Принтеры

Принтеры - это внешние  устройства ЭВМ, предназначенные для  вывода информации на твердый носитель в символьном или графическом  виде.

Классификация принтеров  может быть проведена по следующим  критериям: по способу вывода, по принципу формирования изображения, по способу  регистрации, и по принципу управления процессом печати.

По способу вывода изображения  принтеры делятся на две группы: символьные и графические. Символьные принтеры могут выводить информацию в виде отдельных символов по мере их поступления в печатающее устройство (ПУ). При этом за один цикл печати формируется один знак (посимвольные ПУ). В построчных ПУ вывод на печать осуществляется только после заполнения буферного ЗУ, которое по емкости равно одной строке. Постраничные ПУ за один цикл печати формируют и распечатывают целую страницу.

Графические ПУ выводят информацию не целыми символами, а отдельными точками или линиями. Количество точек на единицу длины определяет разрешающую способность принтера, которая имеет разную величину в зависимости от направления: по горизонтали и по вертикали. В принтерах этого типа каждая точка имеет свои координаты, которые являются адресом этой точки.

По способу регистрации  изображения ПУ делятся на ударные и безударные.

ПУ ударного действия формируют  изображение на бумаге, сжимая с  помощью удара на короткий промежуток времени рельефное изображение  символа или его части, красящей ленты и бумаги. Иногда краска наносится  на поверхность литеры, красящая лента  в этом случае отсутствует.

Существуют принтеры, использующие ударочувствительную бумагу, цвет которой изменяется за счет механического воздействия на нее без дополнительного нанесения краски.

ПУ безударного действия характеризуются тем, что изображение  на бумагу наносится через промежуточный  носитель, чувствительный к электрическому воздействию, к электростатическому  полю, к магнитному полю, и др. Обычно промежуточный носитель исполняется  в виде барабана. Изображение на него наносится лазерным лучом, с  помощью магнитных головок, и  др. Затем изображение на промежуточном  носителе проявляется - на поверхность  барабана наносится смесь сухого красителя с порошком, "прилипающим" к зафиксированному на барабане изображению (например, если изображение наносилось на барабан магнитным полем, в  качестве порошка используются мелкие металлические опилки). После этого  к барабану "прикатывается" чистый лист бумаги, на который переносится  краситель с барабана. Лист с накатанным на него красителем подвергается термообработке - нагревается до расплавления красителя, который в жидком виде проникает  в поры бумаги и хорошо закрепляется на ней. После расплавления красителя  отдельные точки сливаются в  единое целое, поэтому качество изображения  получается высоким. Разрешающая способность таких принтеров очень высока.

К ПУ безударного действия относятся струйные принтеры, у которых  жидкий краситель (чернила) находится  в печатающей головке. Головка имеет отверстия, через которые краситель вылиться не может из-за сил поверхностного натяжения. Внутри головки находится терморезистор, который при подаче на него импульса тока разогревает краситель, увеличивая его испарение. Пары красителя проникают через отверстие в головке и попадают на бумагу в виде капли. Благодаря тому, что головка может работать с несколькими красителями, выпускаются и цветные струйные принтеры. Длительностью нагрева терморезистора можно регулировать количество выбрасываемых чернил, а следовательно - размеры и яркость точки. Печатающая головка струйного принтера может содержать до нескольких сот отверстий (сопел).

Несмотря на большое разнообразие типов принтеров, различия принципов  управления печатью касаются, в основном, способов знакогенерации.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ)

В качестве внешней памяти ПЭВМ используются накопители на магнитных  дисках (НМД), накопители на магнитных  лентах (НМЛ), или стриммеры, и оптические ЗУ.

НМД бывают двух типов: НГМД - на гибком магнитном диске (с носителем-дискетой) и НМД - на жестком магнитном диске.

НМД имеют значительно  больший объем внешней памяти и высокое (почти на порядок) быстродействие, чем НГМД. Но у НГМД есть съемные  магнитные носители - дискеты (компактные, на которых легче организовать архивное хранение данных и программ).

НМЛ обычно бывают кассетного типа и используют либо компакт-кассеты для бытовых магнитофонов, либо видеокассеты (для стриммеров) с многодорожечной записью. Емкость их измеряется в гигабайтах.

ВЗУ связываются с МП через системную магистраль при помощи устройства управления (контроллера).

Контроллер необходим  для двух целей:

• управления ВЗУ;
• связи с МП и ОП.

НМД и оптические ЗУ представляют собой устройства с циклическим  доступом к информации. НМЛ представляют собой устройства с последовательным доступом.

Время доступа к информации в ВЗУ намного превосходит время обращения к ОП. ВЗУ являются относительно медленными устройствами электромеханического типа.

Накопитель на жестком  магнитном диске

В накопителе на жестком  магнитном диске (НМД) магнитный  носитель информации является несъемным  и может состоять из нескольких пластин, закрепленных на общей оси и образующих пакет магнитных носителей.

Каждую рабочую поверхность  такой конструкции обслуживает  своя магнитная головка. В НМД  головки во время работы находятся  на небольшом расстоянии от поверхности (десятые доли микрона) и во время чтения-записи неподвижны.

Магнитное покрытие каждой поверхности диска во время чтения-записи перемещается относительно головки. Магнитный "след" на поверхности диска, образовавшийся при работе головки на запись, образует кольцевую траекторию - дорожку (trek). Дорожки, расположенные друг под другом на всех рабочих поверхностях магнитного носителя, называются цилиндром (cylinder).

В жестких МД различных  фирм используются разные материалы  для магнитного покрытия: диски ранних конструкций имели оксидное покрытие (окись железа), более поздние  диски - кобальтовое покрытие.

Кобальтовое покрытие наносится  на поверхность диска методом  напыления. При этом образуется тонкая магнитная пленка, на которую легко  воздействовать для образования  магнитных следов. Размеры магнитных  следов по сравнению с оксидным покрытием  уменьшились, что позволило увеличить  продольную и поперечную плотности  записи. Увеличение продольной плотности  записи позволило увеличить емкость  дорожки, а увеличение поперечной плотности  записи - количество дорожек на поверхности  диска.

Стандарт на физическое размещение информации на жестком магнитном  диске мягче, чем для НГМД, так  как гибкие диски должны читаться одинаково на дисководах разных фирм, в то время как жесткий магнитный  диск имеет встроенную в него систему  управления. При работе с жестким  магнитным диском встроенная система  управления решает вопросы физического  размещения информации и зачастую недоступна для внешнего вмешательства. Например, наружные и внутренние дорожки магнитного диска имеют разную длину. Если их сделать одинаковой емкости и  писать информацию с одинаковой плотностью записи, то на наружных дорожках остается много свободного места. Некоторые  фирмы при изготовлении жестких  дисков делают дорожки различной  емкости. Но для того, чтобы стандартные  операционные системы могли работать с такими дисками, встроенный в них  контроллер осуществляет пересчет адресов; при этом физически на диске имеется  меньшее количество дорожек, чем  кажется операционной системе (так  как операционная система настроена  на работу с дорожками одинаковой емкости).

Количество дисков, каждый из которых имеет по две рабочих  поверхности, в накопителе может  быть от 1 до 10 и более. В некоторых  накопителях две крайние поверхности  пакета (верхняя и нижняя) не являются рабочими - при этом сокращается  размер дисковода (и емкость тоже). Иногда эти поверхности используются для размещения служебной информации.

Магнитные головки при  работе НМД могут перемещаться, настраиваясь на требуемую дорожку.

Перед началом эксплуатации пакет магнитных дисков форматируется: на нем размечаются дорожки (ставится маркер начала дорожки и записывается ее номер), наносятся служебные зоны секторов на дорожках. Для записи-чтения информации контроллеру НМД передается адрес: номер цилиндра, номер рабочей  поверхности цилиндра, номер сектора  на выбранной дорожке. На основании  этого магнитные головки перемещаются к нужному цилиндру, ожидают появления  маркера начала дорожки, ожидают  появления требуемого сектора, после  чего записывают или читают информацию из него. Несмотря на то, что все магнитные  головки установлены на требуемый  цилиндр, работает в каждый данный момент только одна головка.

Основной характеристикой  НМД является их емкость, которая  в наибольшей степени зависит  от плотности записи, в свою очередь, в значительной степени зависящей от уровня развития технологии.

Оптические запоминающие устройства

Классификация оптических накопителей  информации приведена на рис.15.6.

Компакт-диск CD-ROM (Compact Disk - Read Only Memory). Диск имеет прозрачную поликарбонатную основу толщиной 1,2 мм и диаметром 8 или 12 см. На одном дюйме по радиусу умещается 16000 дорожек (тогда как на одном дюйме флоппи-диска - всего 96). Емкость компакт-диска составляет 650-700 Мбайт.

 
Рис. 15.6.  Классификация оптических накопителей информации

Первые экземпляры содержали  информацию только в цифровом виде. Конструкция была аналогична самой  простой пластинке - Laservision. Работал такой компакт-диск по принципу CLV - считывания с постоянной линейной скоростью, угловая скорость изменялась от 200 до 500 об/мин.

Впоследствии дисководы  для CD-ROM стали выпускаться на двойную (х2), четырехкратную (х4), …, тридцатидвухкратную (х32) и т.д. скорость чтения. Кратность определялась относительно продолжительности воспроизведения звукозаписи с аналогичного аналогового диска.

Компакт-диски CD-WO (в современном представлении - CD-R и CD-RW) позволяют дозаписывать информацию за несколько сеансов. После каждой дозаписи создается оглавление диска. Компакт-диски CD-WO (CD-R, CD-RW) могут изготовляться по различным технологиям: диск может быть покрыт чувствительным фотолаком, в котором лазер прожигает отверстия, испаряя лак; на подложку диска могут быть нанесены два слоя - один из искусственных полимеров (имеющих малую теплоту плавления), другой - металлический. При нагревании металла лазерным лучом находящийся под ним слой полимера испаряется, что приводит к образованию пузырька в металлическом слое, и как следствие - к нетиповому отражению считывающего луча в этом месте; поверхность диска может быть покрыта слоем галий-сурьмы или индий-сурьмы, которые при воздействии на них лазерного луча расплавляются и переходят из кристаллического в аморфное состояние, что сопровождается изменением условий отражения и может быть зафиксировано считывающим лазерным лучом.

DVD - это универсальный диск с высокой плотностью записи информации. По сравнению с обычными компакт-дисками CD и видеодисками VideoCD плотность записи DVD увеличена в 7 раз. На DVD-диске за счет более мелкого микрорельефа информационной дорожки и использования многоуровневой записи удалось значительно увеличить количество записываемой информации по сравнению с VideoCD.

Контрольные вопросы:

1. Назовите общие черты и особенности CISK и RISK процессоров.
2. Какие микропроцессоры фирмы Intel вы знаете, что их характеризует?
3. Как связано ОЗУ с микропроцессорным комплектом ЭВМ?
4. От чего зависит максимальная емкость ОП?
5. Какие особенности имеет матричная развертка?
6. Охарактеризуйте принцип действия аналогового монитора.
7. От чего зависит разрешающая способность принтера?

Лекция: Структурно-функциональная организация ЭВМ

 
ЭВМ представляет собой совокупность устройств, выполненных на больших  интегральных схемах, каждая из которых  имеет свое функциональное назначение. Комплект интегральных схем (чипсет), из которых состоит ЭВМ, называется микропроцессорным комплектом. В  состав микропроцессорных комплектов входят микросхемы, обеспечивающие совместную работу всех функциональных узлов ЭВМ.

Все устройства ЭВМ делятся на центральные и  периферийные. Центральные устройства - полностью электронные, периферийные устройства могут быть либо электронными, либо электромеханическими с электронным управлением.

В центральных  устройствах основным узлом, связывающим  микропроцессорный комплект в единое целое, является системная магистраль. Она состоит из трех узлов, называемых шинами: шина данных (ШД), шина адреса (ША), шина управления (ШУ). В состав системной  магистрали входят регистры защелки, в  которых запоминается передаваемая инфор-мация, шинные формирователи, шинные арбитры, определяющие очередность  доступа к системной магистрали, и др.

Логика работы системной  магистрали, количество разрядов (линий) в шинах данных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных  ситуаций, возникающих при одновременном  обращении различных устройств  ЭВМ к системной магистрали, образуют интерфейс системной шины.

В состав центральных  устройств ЭВМ входят: центральный  процессор, основная память и ряд  дополнительных узлов, выполняющих  служебные функции.

Периферийные  устройства делятся на два вида: внешние ЗУ (НМД, НГМД, НМЛ) и устройства ввода-вывода (УВВ): клавиатура, дисплей, принтер, мышь, адаптер каналов связи (КС) и др.

Лекция: Локальные  компьютерные сети

 
Локальная компьютерная сеть представляет собой систему обмена информацией  и распределенной обработки данных, охватывающую небольшую территорию (этаж, здание, несколько соседних зданий) внутри предприятий и организаций.

Характеристика  и особенности ЛКС

Локальная компьютерная сеть представляет собой систему обмена информацией и распределенной обработки  данных, охватывающую небольшую территорию (этаж, здание, несколько соседних зданий) внутри предприятий и организаций, т.е. это система взаимосвязанных  и распределенных на фиксированной  территории средств передачи, хранения и обработки информации, ориентированных  на коллективное использование общесетевых  ресурсов - аппаратных, программных, информационных. Такую сеть можно рассматривать  как коммуникационную систему, которая  поддерживает в пределах некоторой  ограниченной территории один или несколько  высокоскоростных каналов передачи информации, предоставляемых подключенным абонентским системам для кратковременного использования.

В обобщенной структуре ЛКС выделяются совокупность абонентских систем (АС), серверов и  коммуникационная подсеть (КП). Основными  компонентами ЛКС являются кабели с  оконечным приемопередающим оборудованием, рабочие станции (РС), серверы, сетевые  адаптеры, модемы, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, мосты (их назначение указано ниже).

Рабочие станции  формируются на базе персональных компьютеров (ПК) и используются для решения прикладных задач, выдачи запросов в сеть на обслуживание, приема результатов удовлетворения запросов, обмена информацией с другими РС.

Серверы сети - это аппаратно-программные системы, выполняющие функции управления сетевыми ресурсами общего доступа; они могут работать и как обычные  АС. Сервер создается на базе более  мощного ПК, чем для РС. В ЛКС  может быть несколько различных  серверов для управления сетевыми ресурсами, однако всегда имеется один (или  несколько) для управления внешними ЗУ общего доступа и организации  распределенных баз данных (РБД).

Рабочие станции и серверы  соединяются с кабелем коммуникационной подсети с помощью интерфейсных плат (сетевых адаптеров - СА), основные функции которых- организация приема-передачи данных из (в) РС, согласование скорости приема-передачи информации (буферизация), формирование пакета данных, параллельно-последовательное пре-образование кодов (конвертирование), кодирование/декодирование данных, проверка правильности передачи, установление соединения с требуемым абонентом  сети, организация собственно обмена данными. В ряде случаев перечень функций СА существенно увеличивается, и тогда они строятся на основе микропроцессоров.

К основным характеристикам ЛКС относятся  следующие:

• длина общего канала связи;
• вид физической среды передачи данных (волоконно-оптический кабель, витая пара, коаксиальный кабель);
• топология сети;
• максимальное число АС в сети;
• максимально возможное расстояние между РС в сети;
• максимальное число каналов передачи данных;
• максимальная скорость передачи данных;
• тип передачи сигналов (синхронный или асинхронный);
• способ синхронизации сигналов;
• метод доступа абонентов в сеть;
• структура программного обеспечения сети;
• возможность передачи голоса, изображений, видеосигналов;
• возможность связи ЛКС между собой и сетью более высокого уровня;
• возможность использования процедуры установления приоритетов при одновременном подключении абонентов к общему каналу;
• условия надежной работы сети.

К числу наиболее типичных областей применения ЛКС относятся следующие [87].

• Обработка текстов - одна из наиболее распространенных функций средств обработки информации, используемых в ЛКС. Передача и обработка информации в сети, развернутой на предприятии (в организации, вузе и т.д.), обеспечивает реальный переход к "безбумажной" технологии, вытесняя полностью или частично пишущие машинки.
• Организация собственных информационных систем, содержащих автоматизированные базы данных - индивидуальные и общие, сосредоточенные и распределенные. Такие БД могут быть в каждой организации или фирме.
• Обмен информацией между АС сети - важное средство сокращения до минимума бумажного документооборота.
• Обеспечение распределенной обработки данных, связанное с объединением АРМ всех специалистов данной организации в сеть.
• Поддержка принятия управленческих решений, предоставляющая руководителям и управленческому персоналу организации достоверную и оперативную информацию, которая необходима для оценки ситуации и принятия правильных решений.
• Организация электронной почты - одного из видов услуг ЛКС, которые позволяют руководителям и всем сотрудникам предприятия оперативно получать всевозможные сведения, необходимые в его производственно-хозяйственной, коммерческой и торговой деятельности.
• Коллективное использование дорогостоящих ресурсов необходимое условие снижения стоимости работ, выполняемых в порядке реализации вышеуказанных применений ЛКС.

Для деления ЛКС на группы используются определенные классификационные признаки [87].

По назначению ЛКС делятся на информационные (информационно-поисковые), управляющие (технологическими, административными, организационными и другими процессами), информационно-расчетные и другие.

По типам  используемых в сети ЭВМ их можно разделить на неоднородные, где применяются различные классы (микро-, мини-, большие) и модели (внутри классов) ЭВМ, а также различное абонентское оборудование, и однородные, содержащие одинаковые модели ЭВМ и однотипный состав абонентских средств.

По организации  управления однородные ЛКС разделяются  на сети с централизованным и децентрализованным управлением.

В сетях с централизованным управлением выделяются одна или несколько машин (центральных систем или органов), управляющих работой сети. Диски выделенных машин, называемых файл-серверами или серверами баз данных, доступны всем другим компьютерам (рабочим станциям) сети. На серверах работает сетевая ОС. Каждая РС имеет доступ к дискам серверов и совместно используемым принтерам, но, как правило, не может работать непосредственно с дисками других РС. Серверы могут быть выделенными, и тогда они выполняют только задачи управления сетью и не используются как РС, или невыделенными, когда параллельно с задачей управления сетью выполняют пользовательские программы (при этом снижается производительность сервера и надежность работы всей сети из-за возможной ошибки в пользовательской программе, которая может привести к остановке работы сети). Такие сети отличаются простотой обеспечения функций взаимодействия между АС. В сетях с централизованным управлением большая часть информационно-вычислительных ресурсов сосредоточена в центральной системе.

Если информационно-вычислительные ресурсы ЛКС равномерно распределены по большому числу АС, централизованное управление мало эффективно из-за резкого  увеличения служебной (управляющей) информации. В этом случае эффективными оказываются  сети с децентрализованным (распределенным) управлением, или одноранговые. В  таких сетях нет выделенных серверов, функции управления сетью передаются по очереди от одной РС к другой. Рабочие станции имеют доступ к дискам и принтерам других РС. Это облегчает совместную работу групп пользователей, но производительность сети несколько понижается. По скорости передачи данных в общем канале различают:

• ЛКС с малой пропускной способностью (единицы и десятки мегабит в секунду), в которых в качестве физической передающей среды используются обычно витая пара или коаксиальный кабель;
• ЛКС со средней пропускной способностью (десятки мегабит в секунду), в которых используется также коаксиальный кабель или витая пара;
• ЛКС с большой пропускной способностью (сотни мегабит в секунду), где применяются оптоволоконные кабели (световоды).

По топологии, т.е. конфигурации элементов в сети, ЛКС бывают с шинной топологией, кольцевой, звездообразной, смешанной (звездно-кольцевой, сегментированной).

Отметим основные особенности ЛКС и их отличия от глобальных сетей. Они заключаются в следующем [84], [85].

1. Качество линий связи, способ их прокладки и протяженность. Поскольку ЛКС по определению отличаются небольшой протяженностью линий связи, в таких сетях стало возможным применение высококачественных линий (коаксиального кабеля, витой пары, оптоволоконного кабеля), не всегда доступным в ГКС из-за экономических ограничений. В ГКС часто применяются уже существующие телефонные линии связи, а в ЛКС линии прокладываются заново.
2. Разделение каналов. Каналы связи в ЛКС используются, как правило, совместно несколькими узлами сети, а в ГКС - индивидуально.
3. Использование метода коммутации пакетов. Для ЛКС характерно неравномерное распределение нагрузки, т.е. наличие пульсирующего трафика. В связи с этим очень эффективной оказывается коммутация пакетов, обеспечивающая большую пропускную способность сети. В ГКС наряду с коммутацией используются и другие методы коммутации, а также некоммутируемые каналы.
4. Масштабируемость. ЛКС отличаются плохой масштабируемостью из-за жесткости базовых топологий, определяющих способ подключения РС и длину линий связи. ГКС рассчитаны на работу с произвольными топологиями, поэтому для них характерна хорошая масштабируемость.
5. Сложность оборудования и методов передачи данных. В ЛКС наличие качественных линий связи позволило упростить процедуры передачи данных (применяются немодулированные информационные сигналы, отсутствуют обязательные подтверждения получения пакета) и соответствующее оборудование. В ГКС из-за низкой надежности физических каналов эти процедуры значительно сложнее: широко применяются модуляция, асинхронные методы передачи данных, сложные методы контроля достоверности передачи данных и обеспечения их безопасности и т.д.
6. Скорость обмена данными. В ЛКС, где используются высокоскоростные каналы (10, 16, 100 и более Мбит/с), она неизмеримо больше, чем в ГКС, где скорости передачи данных 2400, 9600, 28800, 33600 бит/с, 56 и 64 Кбит/с и только на магистральных каналах - до 2 Мбит/с.
7. Оперативность удовлетворения запросов пользователей. Для ЛКС обычным является режим on-line, поэтому время доставки пакета (кадра) адресату составляет несколько миллисекунд. В ГКС, где скорость передачи данных сравнительно низкая, это время исчисляется несколькими секундами, реализация служб для режима on-line затруднена, зато широко используется режим off-line (дейтаграммный режим доставки пакетов).
8. Перечень услуг пользователям. В ЛКС этот перечень существенно шире, чем в ГКС, где в основном предоставляются почтовые услуги и передача файлов.

Заметим, что  указанные особенности ЛКС и  их отличия от глобальных сетей характерны для сетей конца 80-х и начала 90-х годов ХХ века. В последние  годы наметилась устойчивая тенденция  сближения ЛКС и ГКС, приведшая  к значительному взаимопроникновению  их технологий. Одним из проявлений этой тенденции является появление корпоратив-ных и городских сетей, занимающих промежуточное положение между локальными и глобальными сетями. В таких сетях даже при больших расстояниях между узлами прокладываются качественные линии связи, обеспечивающие высокие скорости передачи данных. Используются оптоволоконные линии связи, упрощаются процедуры обеспечения корректности передачи информации, как это имеет место в сети Frame Relay. Режим работы on-line стал обычным и в ГКС, например, в гипертекстовой информационной службе WWW (World Wide Web), интерактивные возможности которой перенесены в ЛКС.

Процесс переноса служб и  технологий из глобальных сетей в  локальные и корпоративные сети приобрел практически массовый характер. В связи с этим появился даже специальный  термин - Intranet-технологии (Intra - внутренний), обозначающий применение служб внешних (глобальных) сетей во внутренних (локальных, корпоративных). В ЛКС стали обращать такое же большое внимание на обеспечение безопасности ин-формации, как и в глобальных, т. е. используются те же методы защиты информации от несанкционированного доступа. Появляются новые технологии, предназначенные для использования в ГКС и ЛКС. Это прежде всего технология АТМ, объединяющая все существующие виды трафика в одной транспортной сети.

Протоколы и технологии локальных сетей

В локальных сетях основная роль в организации взаимодействия узлов принадлежит протоколу  канального уровня, который ориентирован на вполне определенную топологию ЛКС. Так, самый популярный протокол этого уровня - Ethernet - рассчитан на топологию "общая шина", когда все узлы сети параллельно подключаются к общей для них шине, а протокол Token Ring - на топологию "звезда". При этом применяются простые структуры кабельных соединений между РС сети, а для упрощения и удешевления аппаратных и программных решений реализовано совместное использование кабелей всеми РС в режиме разделения времени. Такие простые решения, характерные для разработчиков первых ЛКС во второй половине 70-х годов ХХ века, наряду с положительными имели и отрицательные последствия, главные из которых - ограничения по производительности и надежности.

Поскольку в ЛКС с простейшей топологией (общая шина, кольцо, звезда) имеется только один путь передачи информации - моноканал, производительность сети ограничивается пропускной способностью этого пути, а надежность сети - надежностью пути. Поэтому по мере развития и расширения сфер применения локальных сетей с помощью специ-альных коммуникационных устройств (мостов, коммутаторов, маршрутизаторов) эти ограничения постепенно снимались. Базовые конфигурации ЛКС (шина, кольцо) превратились в элементарные звенья, из которых формируются более сложные структуры локальных сетей, имеющие параллельные и резервные пути между узлами.

Однако внутри базовых  структур локальных сетей продолжают работать все те же протоколы Ethernet и Token Ring. Объединение этих структур (сегментов) в общую, более сложную локальную сеть осуществляется с помощью дополнительного оборудования, а взаимодействие РС такой сети - с помощью других протоколов.

В развитии локальных сетей, кроме отмеченных, наметились и другие тенденции:

• отказ от разделяемых сред передачи данных и переход к использованию активных коммутаторов, к которым РС сети присоединяются индивидуальными линиями связи;
• появление нового режима работы в ЛКС при использовании коммутаторов - <span class="Normal_0020Table__Char" s