Поколения ЭВМ и их особенности

После создания в 1949 г. в Англии модели EDSAC был дан мощный импульс развитию универсальных ЭВМ, стимулировавший появление в ряде стран моделей ЭВМ, составивших первое поколение. На протяжении более 40 лет развития ВТ появилось, сменяя друг друга, несколько поколений ЭВМ. Появление новых поколений мотивировалось расширением сферы и развитием методов их применения, требовавших более производительной, дешевой и надежной ВТ, а также появлением новых электронных технологий. Так как ЭВМ представляет собой систему, состоящую из технических и программных средств, то под поколением естественно понимать модели ЭВМ, характеризуемые одинаковыми технологическими программными решениями (элементная база, логическая архитектура, программное обеспечение). Между тем, в ряде случаев оказывается весьма сложным провести классификацию ВТ по поколениям, ибо грань между ними от поколения к поколению становиться все более размытой.

ЭВМ первого поколения в качестве элементной базы использовали электронные лампы и реле. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства.

Набор команд был ограничен, схемы арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно просты. Оперативная память выполнялась на триггерах, позднее на ферритовых сердечниках. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Быстродействие было, как правило, в пределах 5 – 30 тыс. арифметических оп/сек. Они отличались невысокой надежностью, требовали систем охлаждения.

Программное обеспечение практически отсутствовало. Программы для этих ЭВМ писались на языке конкретной машины. Процесс программирования требовал значительного искусства, хорошего знания архитектуры ЭВМ и ее программных возможностей. На первых порах данного этапа использовалось программирование в кодах ЭВМ (машинный код), затем появились автокоды и ассемблеры, в определенной мере автоматизирующие процесс программирования задач. Процесс программирования больше напоминал искусство, которым занимался весьма узкий круг математиков, инженеров-электриков и физиков.

Как правило, ЭВМ первого поколения использовались для научно-технических расчетов, необходимых для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и т.д.

Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета. Эти проблемы начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность ее использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить ее к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.

Общепринято, что ко второму поколению относятся машины, сконструированные в 1955 – 65 гг. на полупроводниковой элементной базе. Новая элементная технология позволила резко повысить надежность ВТ, снизить ее габариты и потребляемую мощность, а также значительно повысить производительность до сотен тысяч операций в секунду. Это позволило создавать ЭВМ с большими логическими возможностями и производительностью, что способствовало распространению сферы применения ЭВМ на решение задач планово-экономических, управления производственными процессами и др.

Оперативная память ЭВМ второго поколения была построена на магнитных сердечниках. В это время стал расширяться диапазон сопутствующего оборудования (средства ввода/вывода, внешняя память и др.), появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.

Операционная система – важнейшая часть программного обеспечения компьютера, предназначенная для автоматизации планирования и организации процесса обработки программ, ввода-вывода и управления данными, распределения ресурсов, подготовки и отладки программ, других вспомогательных операций обслуживания.

Второе поколение характеризуется целым рядом прогрессивных архитектурных решений и дальнейшим развитием технологии программирования. Прежде всего, обеспечивается совмещение функциональных операций (режим разделения времени) и режим мультипрограммирования. Развитие программного обеспечения (ПО) характеризуется созданием развитых макроассемблеров, повышающих уровень общения с ЭВМ, но являющихся в основе своей машинно-ориентированными языками низкого уровня. Конец 50-х годов характеризуется началом этапа автоматизации программирования, приведшим к появлению языков программирования Commercial Translator, FACT, MathMatic и, наконец, появлением целого ряда проблемно-ориентированных языков программирования высокого уровня (ЯВУ): Fortran (1957 г.), явившийся первым языком такого класса, Algol-60, АКИ-400 и др. Дальнейшим развитием программной составляющей ВТ было создание развитых библиотек стандартных программ на различных языках программирования и различного назначения, мониторов и диспетчеров для управления режимами работы ЭВМ и планированием ее ресурсов, заложивших прочные основы концепции операционных систем следующего поколения.

В рамках второго поколения все более четко проявляется дифференциация ЭВМ на малые, средние и большие, позволившая существенно расширить сферу применения ВТ, приступить к созданию автоматизированных систем управления предприятиями (АСУ), целыми отраслями (ОАСУ) и технологическими процессами (АСУТП).

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х гг. наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

Третье поколение связывается с появлением ЭВМ с элементной базой на интегральных схемах (ИС). Новая технология обеспечивала большие надежность, технологичность и быстродействие вычислительной техники при существенном уменьшении ее габаритов. Однако не только новая технология определила появление нового поколения ЭВМ – ЭВМ третьего поколения, как правило, образуют серии моделей, программно совместимых снизу вверх и обладающих возрастающими от модели к модели возможностями. Вместе с тем, данная технология позволяла реализовывать намного более сложные логические архитектуры ЭВМ и их периферийного оборудования, что существенно расширяло функциональные и вычислительные возможности ЭВМ.

Наиболее важным критерием различия ЭВМ второго и третьего поколений является существенное развитие архитектуры ЭВМ, удовлетворяющей требованиям, как решаемых задач, так и работающих на них программистов. Частью ЭВМ становятся операционные системы (ОС), появились возможности мультипрограммирования; многие задачи управления памятью, устройствами ввода/вывода и другими ресурсами стали брать на себя ОС или же непосредственно аппаратная часть ЭВМ.

Значительно более мощным становится программное обеспечение, обеспечивающее функционирование ЭВМ в различных режимах эксплуатации. Появляются развитые системы управления базами данных (СУБД), системы автоматизирования проектных работ (САПРы) различного назначения, совершенствуются АСУ, АСУТП и др.; большое внимание уделяется созданию пакетов прикладных программ (ППП) различного назначения. По-прежнему появляются новые и развиваются существующие языки и системы программирования, количество которых достигает уже порядка 3000. Наиболее широкое применение ЭВМ третьего поколения нашли в качестве технической основы создания больших и сверхбольших информационных систем. Важную роль в решении данной проблемы сыграло создание программного обеспечения (СУБД), обеспечивающего создание и ведение баз и банков данных различного назначения. Разнообразие вычислительных и программных средств, а также периферийного оборудования поставило на повестку дня вопросы эффективного выбора комплексов программно-вычислительных средств для тех или иных приложений.

Конструктивно-технологической основой ЭВМ четвертого поколения становятся большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы, созданные соответственно в 70 – 80-х гг. Такие интегральные схемы содержат уже тысячи, десятки и сотни тысяч транзисторов на одном кристалле (чипе). При этом БИС-технология частично использовалась уже и в проектах предыдущего поколения (IBM/360, ЕС ЭВМ ряд-2 и др.).

Наиболее важный в концептуальном плане критерий, по которому ЭВМ четвертого поколения можно отделить от ЭВМ третьего поколения, состоит в том, что первые проектировались уже в расчете на эффективное использование современных ЯВУ и упрощения процесса программирования для конечного пользователя. В аппаратном отношении для них характерно широкое использование ИС-технологии и быстродействующих запоминающих устройств.

Парк всех машин четвертого поколения можно условно разделить на пять основных классов: микро-ЭВМ и персональные компьютеры (ПК), мини-ЭВМ, специальные ЭВМ, ЭВМ общего назначения супер-ЭВМ. В свою очередь, например, ЭВМ общего назначения можно по ряду характеристик (производительность, объем ОП и др.) подразделять на малые, средние и большие. Более детальную классификацию допускают и остальные классы ЭВМ.

К определяющей черте ЭВМ четвертого поколения следует также отнести и создание больших информационно-вычислительных сетей, объединяющих различные классы и типы ЭВМ, а также развитых информационно-интеллектуальных систем различного назначения. В отличие от вычислительной техники первых трех поколений ЭВМ четвертого поколения правильнее было бы характеризовать тремя основными показателями: (1) элементной базой (СБИС), (2) персональным характером использования (ПК) и (3) нетрадиционной архитектурой (супер-ЭВМ).

Элементная база на основе СБИС позволила достичь больших успехов в деле минитюаризации, повышения надежности и производительности, позволив создавать микро- и мини-ЭВМ, превосходящие по возможностям средние и большие ЭВМ предыдущего поколения при значительно меньшей стоимости. Существенные изменения претерпела и архитектура вычислительной техники, роста сложности которой удалось добиться также благодаря элементной базе. Технология производства процессоров на базе БИС и СБИС позволила избавиться от контроля производства средств вычислительной техники со стороны государства и крупных фирм-разработчиков, дав возможность любому, обладающему определенными знаниями и навыками человеку довольно легко создавать в домашних условиях собственную вычислительную технику, что существенно приблизило ее к массовому пользователю и ускорило темпы компьютерной революции и массовой информатизации общества.

Как уже отмечалось, границы перехода от одного поколения ЭВМ к другому становятся все более размытыми. Так, БИС-технология и микропроцессоры, считающиеся наряду со СБИС-технологией одной из основных характеристик четвертого поколения, применялись и на завершающей стадии третьего поколения. Сказанное относится и к истории создания супер-ЭВМ, в значительной мере определяющих лицо четвертого поколения. ЭВМ этого класса характеризуются как высокой производительностью (не менее оп/сек.), так и нетрадиционной архитектурой. Развитие супер-ЭВМ обусловлено необходимостью решения сложных задач, требующих большого времени и не поддающихся обработке вычислительными средствами других классов. К таким задачам относятся многие задачи математической физики, космологии и астрономии, моделирования сложных систем и др. Наряду с этим вполне естественным желанием является получить ЭВМ с максимальным быстродействием – именно ускорение счета лежало в основе создания вычислительной техники вообще.

Наконец, начавшаяся в предыдущем поколении телекоммуникационная обработка информации в четвертом поколении получает мощное развитие, в первую очередь, за счет повышения качества каналов связи, использующих спутниковую связь, а также благодаря наличию большого парка ПК. Создание ряда национальных и транснациональных информационно-вычислительных сетей, в первую очередь Internet, позволило говорить о начале компьютеризации человеческого общества в целом, когда исчезают все препятствия для человеческого общения и получения информации, накопленной человечеством. Пользователь ПК получает возможность не только иметь доступ к ресурсам информационной сети, но и организовывать любого уровня системы общения между удаленными абонентами сети (переписка, совещания научные конференции и т.д.). Так как важную коммутирующую роль в сетях играют и будут играть мощные ЭВМ, то сетевая проблематика весьма часто обсуждается совместно с вопросами по супер-ЭВМ.

Пятое поколение зародилось в недрах четвертого и в значительной мере его черты определяются результатами работы японского Комитета научных исследований в области ЭВМ пятого поколения, опубликованными в 1981 г. Отчет Комитета имел огромный резонанс в научном мире, несмотря на национальный характер. Авторы поставили целью наметить план информатизации, направленный на содействие решению актуальнейших проблем японского общества. Ввиду высокого уровня развития Японии он, несомненно, представляет интерес для остального мира и оказывает большое влияние на развитие компьютерной информатики во всех развитых странах. Согласно этому проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения помимо более высокой производительности и надежности при более низкой стоимости, вполне обеспечиваемые СБИС и другими новейшими технологиями, должны удовлетворять следующим качественно новым функциональным требованиям:

1. Обеспечивать простоту применения ЭВМ путем реализации эффективных систем ввода/вывода информации голосом и изобразительной; диалоговой обработки информации с использованием естественных языков; возможности обучаемости, ассоциативных построений и логических выводов (интеллектуализация ЭВМ).

2. Упростить процесс создания программных средств путем автоматизации синтеза программ по спецификациям исходных требований на естественных языках; усовершенствовать вспомогательные инструментальные средства и интерфейс разработчиков с вычислительными средствами.

3. Улучшить основные характеристики и эксплуатационные качества ВТ для удовлетворения различных социальных задач; улучшить соотношения затрат и результатов, быстродействия, легкости и компактности ЭВМ; обеспечить их разнообразие, высокую адаптируемость к приложениям и надежность в эксплуатации.

В основу построения большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым Джоном фон Нейманом.

Принцип программного управления. В основе этого принципа лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений. Алгоритм – это конечный набор предписаний, определяющий решение задачи путем применения конечного количества операций.

Из принципа следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой команде, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских или классических. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без «счетчика команд», указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

ЭВМ, построенная на принципах, определенных Нейманом, состоит из следующих основных блоков:

· устройства ввода-вывода;

· запоминающего устройства;

· арифметико-логического устройства;

· устройства управления.

Схема ЭВМ, отвечающая вышеназванным принципам, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рисунке 8.

Рис. 8 Структурная схема ЭВМ 1-го и 2-го поколений
(архитектура фон Неймана)

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации, с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Сначала введенная информация полностью или частично запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации работы всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рисунке штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифруются УУ: определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в этой операции.

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

Первые ЭВМ имели сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, «жесткое» построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы.

В ЭВМ 3-го поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса обработки (рис. 9).

Рис. 9 Структурная схема ЭВМ 3-го поколений

Сильно связанные АЛУ и УУ получили название процессора. В структуре ЭВМ появились дополнительные устройства, которые стали называться: процессоры ввода-вывода, устройства управления обмена информацией, каналы ввода-вывода (КВв). Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

В персональных ЭВМ, относящихся к ЭВМ 4-го поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (рис. 10).

Рис. 10 Структурная схема ПЭВМ

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 еще более децентрализованной.

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

Способ формирования структуры ПЭВМ является достаточно логичным и естественным стандартом для данного класса ЭВМ.

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

· модульность построения;

· магистральность;

· иерархия управления.

Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств. Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее 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 пользователя.

Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Устройство управления главного, или центрального, процессора определяет лишь 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. Подчиненные модули могут в свою очередь использовать специальные шины или магистрали для обмена информацией. Стандартизация и унификация привели к появлению иерархии шин и к специализации. Из-за различий в скоростях работы отдельных устройств в структурах ПК появились:

· системная шина – для взаимодействия основных устройств;

· локальная шина – для ускорения обмена видеоданными;

· периферийная шина – для подключения «медленных» периферийных устройств.

Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем. Например, по этому же принципу строится система памяти ЭВМ.

Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользователей.

В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обработка является кажущейся. Она предполагает параллельную работу отдельных устройств, задействованных в вычислениях по различным задачам пользователей.

В ЭВМ или вычислительных системах, имеющих несколько процессоров обработки, многопрограммная работа может быть более глубокой. Автоматическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения в ее состав систем и блоков, разделяющих различные вычислительные процессы друг от друга, исключающие возможность возникновения взаимных помех и ошибок.

Как видно, полувековая история развития ВТ дала не очень широкий спектр основных структур ЭВМ. Все приведенные структуры не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие традиционные признаки:

· ядро ЭВМ образует процессор – вычислитель, дополненный каналами обмена информацией и памятью;

· линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;

· одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;

· внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;

· последовательное централизованное управление вычислениями;

· достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода.

Пользователя, как правило, интересуют следующие группы характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:

· технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);

· характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;

· состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

Одной из важнейших технических характеристик ЭВМ является ее быстродействие, которое характеризуется числом команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду. Поскольку в состав команд ЭВМ включаются операции, различные по длительности выполнения и по вероятности их использования, то имеет смысл характеризовать его или средним быстродействием ЭВМ, или предельным (для самых «коротких» операций типа «регистр-регистр»). Современные вычислительные машины имеют очень высокие характеристики по быстродействию, измеряемые десятками и сотнями миллионов операций в секунду.

Реальное или эффективное быстродействие, обеспечиваемое ЭВМ, значительно ниже, и оно может сильно отличаться в зависимости от класса решаемых задач. Сравнение по быстродействию различных типов ЭВМ, резко отличающихся друг от друга своими характеристиками, не обеспечивает достоверных оценок. Поэтому очень часто вместо характеристики быстродействия используют связанную с ней характеристику производительности – объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени. Например, можно определять этот параметр числом задач, выполняемых за определенное время. Однако сравнение по данной характеристике ЭВМ различных типов также может вызвать затруднения. Поскольку оценка производительности различных ЭВМ является важной практической задачей, хотя такая постановка вопроса также не вполне корректна, были предложены к использованию относительные характеристики производительности. Так, например, фирма Intel для оценки процессоров предложила тест, получивший название индекс iCOMP (Intel Comparative Microprocessor Performance). При его определении учитываются четыре главных аспекта производительности: работа с целыми числами, с плавающей точкой, графикой и видео. Данные имеют 16- и 32-разрядное представление. Каждый из восьми параметров при вычислении участвует со своим весовым коэффициентом, определяемым по усредненному соотношению между этими операциями в реальных задачах.

Другой важнейшей характеристикой ЭВМ является емкость запоминающих устройств. Емкость памяти измеряется количеством структурных единиц информации, которое может одновременно находиться в памяти. Этот показатель позволяет определить, какой набор программ и данных может быть одновременно размещен в памяти.

Наименьшей структурной единицей информации является бит – одна двоичная цифра. Как правило, емкость памяти оценивается в более крупных единицах измерения – байтах (байт равен восьми битам). Следующими единицами измерения служат 1 Кбайт, 1 Мбайт, 1 Гбайт.

Обычно отдельно характеризуют емкость оперативной памяти и емкость внешней памяти. Этот показатель очень важен для определения, какие программные пакеты и их приложения могут одновременно обрабатываться в машине.

Емкость внешней памяти зависит от типа носителя. Так, емкость одной дискеты составляет 1,44 Мбайта. Емкость жесткого диска может достигать нескольких сотен Гбайт, емкость компакт-диска (CD ROM) – сотни Мбайт (640 Мбайт и выше) и т.д. Надежность – это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO (Международная организация стандартов) 23 82/14-78). Высокая надежность ЭВМ закладывается в процессе ее производства.

Современный компьютер – это система, построенная на базе электронных микросхем и предназначенная для хранения, обработки и передачи информации.

Наибольшее распространение в настоящее время получили персональные компьютеры (ПК), поэтому в дальнейшем речь пойдет именно о них.

Аппаратное обеспечение ПК – все те компоненты, из которых состоит компьютер, а также периферийное оборудование и оборудование для организации компьютерных сетей.

Прежде всего, это процессор, материнская плата и ее главная микросхема – чипсет, определяющий всю архитектуру ПК, возможные типы основной памяти, видеокарт, дисковых устройств, мониторов и периферийных устройств.

Процессор – специальная микросхема, которая выполняет операции по обработке информации. Кроме центрального процессора в современных компьютерах значительную роль играет процессор видеокарты.

Центральный процессор (CPU – Central Processing Unit) – функционально-законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС.

От процессора в значительной степени зависит скорость работы ПК. Он имеет сложную архитектуру (рис. 11), свою высокоскоростную буферную память (кэш-память), использует специальные технологии обработки информации.

Рис. 11 Принципиальная схема процессора по данным фирмы Intel

Принцип работы процессора можно представить следующим образом: информация для обработки под управлением блока предварительной выборки поступает из основной памяти через блок шины в кэш данных процессора, команды обработки информации – в командную кэш-память. В блоке декодировки команда расшифровывается, преобразуясь в двоичный код, который посылается в управляющий блок и в кэш данных, давая указание о том, как с полученной командой поступить. Арифметико-логическое выполняет готовые к исполнению команды и заносит результаты в блок регистров. Далее содержимое регистров передается в основную память или на внешние устройства.

Скорость работы процессора зависит прежде всего от типа и архитектуры процессора, а также от его тактовой частоты и объема кэш-памяти.

В современных ПК разных фирм применяются процессоры следующих архитектур:

· CISC – Complex Instruction Set Computing – концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств: большим числом различных по формату и длине команд; введением большого числа различных режимов адресации; обладает сложной кодировкой инструкции.

Процессору с архитектурой CISC приходится иметь дело с более сложными инструкциями неодинаковой длины. Выполнение одиночной CISC-инструкции может происходить быстрее, однако обрабатывать несколько таких инструкций параллельно сложнее.

Облегчение отладки программ на ассемблере влечет за собой загромождение узлами микропроцессорного блока. Для повышения быстродействия следует увеличить тактовую частоту и степень интеграции, что вызывает необходимость совершенствования технологии и, как следствие, удорожание производства.

· RISC – Reduced Instruction Set Computing – процессор с сокращенным набором команд. Система команд имеет упрощенный вид. Все команды одинакового формата с простой кодировкой. Обращение к памяти происходит посредством команд загрузки и записи, остальные команды типа регистр-регистр. Команда, поступающая в CPU, уже разделена по полям и не требует дополнительной дешифрации.

Часть кристалла освобождается для включения дополнительных компонентов. Степень интеграции ниже, чем в предыдущем архитектурном варианте, поэтому при высоком быстродействии допускается более низкая тактовая частота. Команда меньше загромождает ОЗУ, CPU дешевле. Программной совместимостью указанные архитектуры не обладают. Отладка программ на RISC более сложна. Данная технология может быть реализована программно-совместимым с технологией CISC (например, суперскалярная технология).

Поскольку RISC-инструкции просты, для их выполнения нужно меньше логических элементов, что в конечном итоге снижает стоимость процессора. Но большая часть программного обеспечения сегодня написана и откомпилирована специально для CISC-процессоров фирмы Intel. Для использования архитектуры RISC нынешние программы должны быть перекомпилированы, а иногда и переписаны заново.

· MISC – Multipurpose lnstruction Set Computer) сочетает преимущества вышерассмотренных архитектур. Элементная база состоит из двух частей, которые либо выполнены в отдельных корпусах, либо объединены. Основная часть – RISC CPU, расширяемый подключением второй части – ПЗУ микропрограммного управления. Система приобретает свойства CISC. Основные команды работают на RISC CPU, а команды расширения преобразуются в адрес микропрограммы. RISC CPU выполняет все команды за один такт, а вторая часть эквивалентна CPU со сложным набором команд. Наличие ПЗУ устраняет недостаток RISC, выраженный в том, что при компиляции с языка высокого уровня микрокод генерируется из библиотеки стандартных функций, занимающей много места в ОЗУ. Поскольку микропрограмма уже дешифрована и открыта для программиста, то времени выборки из ОЗУ на дешифрацию не требуется.

Чипсет (chipset) – набор микросхем материнской платы для обеспечения работы процессора с памятью и внешними устройствами. Выбор чипсета зависит от процессора, с которым он работает, и определяет вид других устройств ПК (оперативной памяти, видеокарты, винчестера и др.).

Материнская плата (motherboard) – печатная плата, на которой осуществляется монтаж микросхем и других компонентов компьютерной системы. На материнской плате располагаются микросхемы чипсета, разъемы для подключения центрального процессора, оперативной памяти, графической и звуковой плат и других устройств.

Существуют различные форм-факторы[7], описывающие конструктивные особенности материнских плат. Наиболее важными микросхемами материнской платы являются северный и южный мосты чипсета. Именно чипсет определяет, в значительной степени, особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.

Общая шина, наряду с центральным процессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительность работы компьютера, так как обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления.

Каждая шина характеризуется шириной – числом параллельных проводников для передачи информации. Другим важным параметром шины является тактовая частота шины – это частота, на которой работает контроллер шины при формировании циклов передачи информации.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может напрямую адресовать.

Шина данных предназначена для передачи команд и данных, и ее ширина во многом определяет информационную пропускную способность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32-64.

Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. Ее ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом ее работы или, как говорят, протоколом работы шины. Протокол работы шины состоит из нескольких циклов и выполняется контроллером шины, расположенным внутри процессора или отдельным контроллером шины.

Другим важным функциональным узлом компьютера является память. Традиционным решением проблемы хранения большого количества данных и обращения к ним является иерархическая структура памяти (рис. 12).

Рис. 12 Иерархия памяти ПК

По мере продвижения по структуре сверху вниз возрастают три параметра. Во-первых, увеличивается время доступа. Во-вторых, увеличивается объем памяти. В-третьих, увеличивается количество битов, которое вы получаете за 1 рубль.

Микропроцессорная память – память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия. Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины участвующей в вычислениях, МПП используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

Микропроцессорная память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не менее машинного слова. Количество и разрядность регистров в разных микропроцессорах различны.

Регистры микропроцессора делятся на регистры общего назначения и специальные. Специальные регистры применяются для хранения различных адресов (адреса команды, например), признаков результатов выполнения операций и режимов работы ПК (регистр флагов, например) и др. Регистры общего назначения являются универсальными и могут использоваться для хранения любой информации, но некоторые из них тоже должны быть обязательно задействованы при выполнении ряда процедур.

Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Эта память называется кэш-памятью (от англ. cache – запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ, и сравнимо со скоростью работы самого процессора.

Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратится к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем в интервалы, когда шина свободна, переписываются в ОЗУ. Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня. И, наконец, кэш-память третьего уровня расположена на системной плате.

Управление записью и считыванием данных в кэш-память выполняется автоматически. Когда кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих данных устройство управления кэш-памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент.

Использование процессором кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит последовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся в кэш-памяти.

Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативной памятью (оперативным запоминающим устройством – ОЗУ) или RAM – Random Access Memory – память со свободным доступом. Существует два вида ОЗУ: динамическое ОЗУ или DRAM – Dynamic RAM – и статическое ОЗУ или SRAM – Static RAM.

Разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсутствие заряда на котором определяет значение, записанное в данном бите. При записи или чтении информации из такой ячейки требуется время для накопления заряда на конденсаторе, поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического ОЗУ, разряд которого представляет собой триггер на нескольких транзисторах. Однако, из-за большого числа элементов на один разряд в одну СБИС статического ОЗУ помещается гораздо меньше элементов, чем у динамического ОЗУ. Кроме этого, статические ОЗУ более энергоемки и значительно дороже. Обычно в качестве оперативной или видеопамяти используется динамическое ОЗУ, а в качестве небольшой сверхбыстродействующей буферной памяти – статическое ОЗУ.

В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, т.е. сохраняет записанную информацию при отсутствии напряжения питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством – ПЗУ или ROM – Read Only Memory. Постоянные запоминающие устройства можно разделить по способу записи в них информации на следующие категории:

· ПЗУ, программируемые однократно – программируются при изготовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию;

· перепрограммируемые ПЗУ – ППЗУ – позволяют перепрограммировать их многократно. Стирание хранящейся в ППЗУ информации осуществляется или засветкой полупроводникового кристалла ультрафиолетовым излучением, или электрическим сигналом повышенной мощности, для этого в корпусе микросхемы предусматривается специальное окно, закрытое кварцевым стеклом.

В отличие от оперативного запоминающего устройства, внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обладают большим объемом сохраняемой информации и являются энергонезависимыми. Наибольшее распространение в настоящее время получили дисковые ВЗУ, которые, в зависимости от типа носителя, можно разделить на магнитные, оптические и смешанные.

Магнитные диски в качестве запоминающей среды используют магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два состояния. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси. Головка считывает или записывает информацию, расположенную на концентрической окружности, которая называется дорожкой или треком. Количество дорожек на диске определяется шагом перемещения головки и зависит от технических характеристик привода диска и качества самого диска. За один оборот диска может быть считана информация с одной дорожки. Общее время доступа к информации на диске складывается из времени перемещения головки на нужную дорожку и времени одного оборота диска. Каждая дорожка дополнительно разбивается на ряд участков – секторов. Сектор содержит минимальный блок информации, который может быть записан или считан с диска. Чтение и запись на диск осуществляется блоками, поэтому дисководы называют блочными устройствами.

Физическая структура диска определяется количеством дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задается при форматировании диска, которое выполняется специальными программами и должно быть проведено перед первым использованием диска для записи информации. Кроме физической структуры диска, говорят еще о логической структуре диска. Логическая структура определяется файловой системой, которая реализована на диске и зависит от операционной системы компьютера, на котором используется данный диск. Логическая структура подразумевает выделение некоторого количества секторов для выполнения служебных функций размещения файлов и каталогов на диске.

Оптический компакт-диск (Compact Disk – CD), который был предложен в 1982 г. фирмами Philips и Sony первоначально для записи звуковой информации, произвел переворот и в компьютерной технике, так как идеально подходил для записи цифровой информации больших объемов на сменном носителе.

В середине 90-х гг. появились устройства, устанавливаемые непосредственно на компьютере и позволяющие производить однократную запись информации на компакт-диск. Для таких устройств выпускают специальные компакт-диски, которые получили название CD-Recodable (CD-R).

Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи – CD-ReWritable (CD-RW).

Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи – цифровой универсальный диск Digital Versatile Disk (DVD). Это позволило увеличить объем информации на диске до 4,7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объема информации обеспечивается применением двусторонних DVD.

К недостаткам дисковой памяти можно отнести наличие механических движущихся компонентов, имеющих малую надежность, и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появление большого числа цифровых устройств, таких как МРЗ-плееры, цифровые фото- и видеокамеры, карманные компьютеры, потребовало разработки миниатюрных устройств внешней памяти, которые обладали бы малой энергоемкостью, небольшими размерами, значительной емкостью и обеспечивали бы совместимость с персональными компьютерами. Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г. Новый тип памяти получил название флэш-память (Flash-memory). Флэш-память представляет собой микросхему перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) с неограниченным числом циклов перезаписи. В ППЗУ флэш-памяти использован новый принцип записи и считывания, отличный от того, который используется в известных схемах ППЗУ. Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти и контроллер, для подключения к одному из стандартных входов компьютера.

К устройствам ввода информации ПК относятся, прежде всего, клавиатура и мышь. Реже используются дигитайзер, web-камера, сканер.

Клавиатурой называется устройство для ручного ввода информации в компьютер. Современные типы клавиатур различаются, в основном, принципом формирования сигнала при нажатии клавиши.

Среди современных типов клавиатур можно отметить беспроводную клавиатуру, в которой передача информации в компьютер происходит с помощью датчика инфракрасного излучения, аналогично пультам управления различной бытовой техники; USB-клавиатуру; мультимедийную клавиатуру.

Манипулятор мышь – инструмент для работы с объектами на рабочем столе операционной системы. В настоящее время используются мыши двух типов – оптические и лазерные, проводные и безпроводные.

Существуют беспроводные комплекты клавиатура + мышь с единым приемником радиосигнала.

Дигитайзер (digitizer) – это кодирующее устройство, обеспечивающее ввод двумерного (в том числе и полутонового) или трехмерного (3D дигитайзеры) изображения в компьютер в виде растровой таблицы, является типичным внешним специализированными устройства графического ввода.

В состав устройства входит специальный указатель с датчиком, называемый пером. Собственный контроллер посылает импульсы по ортогональной сетке проводников, расположенной под плоскостью планшета. Получив два таких сигнала, контроллер преобразует их в координаты, передаваемые в ПК. Компьютер переводит эту информацию в координаты точки на экране монитора, соответствующие положению указателя на планшете. С помощью пера Вы рисуете на планшете, при этом графические редакторы могут воспринимать его как кисть, карандаш, мелок и т.д. Перевернув перо, Вы можете стереть изображение.

Основные типы дигитайзеров по принципу работы:

· ультразвуковые;

· электромагнитные;

· лазерные;

· механические.

Сканер – устройства для решения задач перевода бумажных документов в электронные копии. Установленный в сканер источник света облучает сканируемый объект, а оптическая система воспринимает отраженный от объекта световой поток, который с помощью программы сканирования преобразуется в цифровую форму. Сканеры бывают черно-белые и цветные. Конструктивно сканеры делятся на четыре типа: ручные, планшетные, роликовые и проекционные.

Ручные сканеры перемещаются по изображению вручную. Они выполнены в виде блока с рукояткой, который «прокатывают» по изображению. Все изображение сканируется за несколько проходов. Специальное программное обеспечение, поставляемое вместе со сканерами, позволяет совмещать части отсканированного изображения. Ручные сканеры имеют малые габариты и низкую стоимость и позволяют сканировать изображения любого размера, но могут возникать искажения при совмещении частей изображения.

Планшетные сканеры являются наиболее распространенным типом сканера. В них сканирующая головка (линейка светодиодов) движется относительно неподвижного оригинала, который помещается на прозрачное стеклянное основание. Достоинство таких сканеров заключается в том, что с их помощью можно сканировать и листовые и сброшюрованные документы (книги). К недостаткам планшетных сканеров можно отнести необходимость ручного позиционирования каждой страницы оригинала.

Роликовые сканеры используются для пакетной обработки листовых документов. В них подача очередного листа для сканирования происходит автоматически. Сканирующая головка в таких сканерах неподвижна, а лист оригинала перемещается относительно нее. К недостаткам роликовых сканеров можно отнести проблему выравнивания листов и сложность работы с листами нестандартного размера.

Проекционные сканеры отличаются от других типов тем, что оригинал устанавливается в рамку, и сканирование проводится на просвет, как правило, с масштабированием.

Устройства вывода информации предназначены для представления различных видов информации, с которыми работает компьютер, в привычном для человека виде. К устройствам вывода относятся видеокарты и мониторы, принтеры, плоттеры, звуковые платы и колонки.

Видеоадаптер – устройство для сопряжения ПК с монитором. Может быть интегрирован с материнской платой или выполнен в виде отдельной платы, подключаемой к слоту PCI Express.

Монитор – устройство отображения информации, формируемой видеоадаптером. До недавнего времени выпускались и использовались мониторы на основе электронно-лучевой трубки – CRT– Cathode Ray Tube. В таких мониторах луч, двигающийся горизонтально, периодически засвечивает люминофор экрана, который под действием потока электронов начинает светиться, образуя точку. Для цветных мониторов засветка каждой точки осуществляется тремя лучами, вызывающими свечение люминофора соответствующего цвета – красного, зеленого и синего. Цвет точки создается смешением этих цветов и зависит от интенсивности каждого электронного луча.

В настоящее время основным типом мониторов для ПК стали жидкокристаллические мониторы – LCD – Liquid Cristal Display). Эти мониторы используют специальную прозрачную жидкость, которая при определенных напряженностях электростатического поля кристаллизуется, при этом изменяется ее прозрачность и коэффициент преломления световых лучей. Эти эффекты используются для формирования изображения.

Кроме того существуют плазменные мониторы – PDP – Plasma Display Panels. В таких мониторах изображение формируется светом, выделяемым при газовом разряде в каждом пикселе экрана.

Основными характеристиками монитора являются:

· размер экрана – обычно измеряется в дюймах;

· разрешение или разрешающая способность – характеризует способность отображать на экране определенное количество точек по горизонтали и вертикали;

· частота кадровой развертки или частота смены кадров – сколько раз в секунду изображение обновляется; измеряется в герцах;

· угол обзора.

Принтер – устройство вывода данных на бумагу или иной аналогичный материал. В настоящее время получили распространение струйные и лазерные принтеры.

Основные характеристики принтеров:

· качество печати;

· разрешающая способность;

· производительность.

Плоттер или графопостроитель – устройство вывода графической информации на бумажные и другие листовые носители. Плоттеры делятся на два больших класса: векторные и растровые. В настоящее время в основном используются струйные плоттеры с термической и пьезоэлектрической технологиями печати, лазерные и LED-плоттеры.

Существует большое количество разновидностей копировально-множительных аппаратов. Для получения небольшого количества копий (до 25 экземпляров), целесообразно пользоваться средствами копирования документации. При большом тиражировании (более 25 экземпляров) целесообразно пользоваться средствами размножения документов.

Принципиальное отличие средств копирования от средств размножения в том, что при копировании копия снимается непосредственно с документа – оригинала, а при размножении – с промежуточной печатной формы, изготовленной с документа – оригинала.

Основные характеристики копировальных аппаратов:

· формат оригинала и копии;

· скорость копирования;

· стоимость копирования;

· производительность;

· рекомендуемый объём копирования (ресурс).

Проекционный аппарат предназначен для вывода видеоинформации с компьютера на большой экран. Наиболее популярные проекторов на сегодня LCD и DLP – Digital Light Processing. Принципиальное различие технологий заключается в элементах, с помощью которых формируется изображение. В первом случае – это жидкокристаллическая матрица, через которую пропускается свет от источника, во втором – матрица микроскопических подвижных зеркал.

Для организации работы локальных сетей может использоваться следующее основное оборудование:

· интегрированные на материнской плате сетевые адаптеры или сетевые интерфейсные платы;

· концентраторы;

· коммутаторы;

· кабели;

· маршрутизаторы.

Сетевые адаптеры обеспечивают работу ПК в локальной сети. Набор выполняемых адаптером функций зависит от конкретного сетевого протокола. Ввиду того, что сетевой адаптер и в физическом, и в логическом смысле находится между устройством и сетевой средой, его функции можно разделить на функции сопряжения с сетевым устройством и функции обмена с сетью. Количественный и качественный состав функций сопряжения с сетевым устройством определяется его назначением и функциональной схемой. Если в качестве сетевого устройства выступает компьютер, то связь с сетевой средой можно реализовать двумя способами: через системную магистраль (шину) или через внешние интерфейсы (последовательные или параллельные порты).

По конструктивной реализации сетевые платы делятся на:

· внутренние – отдельные платы, вставляющиеся в ISA,PCI или PCI-E слот;

· внешние, подключающиеся через LTP, USB или PCMCIA интерфейс, преимущественно использующиеся в ноутбуках;

· встроенные в материнскую плату.

Концентратор или хаб (hub – центр) – устройство для объединения компьютеров в сеть Ethernet с применением кабельной инфраструктуры типа витая пара. В настоящее время практически вытеснены сетевыми коммутаторами. При применении концентратора все пользователи делят между собой полосу пропускания сети.

Коммутатор (switch – переключатель) – устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. Коммутатор предоставляет каждому устройству, подключенному к одному из его портов, всю полосу пропускания сети. Это повышает производительность и уменьшает время отклика сети за счет сокращения числа пользователей на сегмент.

В отличие от концентраторов, осуществляющих широковещательную рассылку всех пакетов, принимаемых по любому из портов, коммутаторы передают пакеты только целевому устройству. В результате уменьшается трафик и повышается общая пропускная способность – факторы, являющиеся критическими с учетом растущих требований к полосе пропускания сети современных сложных приложений.

Кабели – общепринятая среда обмена данными между сетевыми устройствами. Они выступают в качестве среды передачи сигналов между компьютерами. В большинстве сетей применяются только три основные группы кабелей:

· коаксиальный кабель (coaxial cable): тонкий и толстый;

· витая пара (twisted pair): неэкранированная (unshielded) и экранированная (shielded);

· оптоволоконный кабель (fiber optic).

Маршрутизатор или роутер (router) – специализированный сетевой компьютер, имеющий минимум два сетевых интерфейса и пересылающий пакеты между различными сегментами сети, принимающий решения о пересылке на основании информации о топологии сети и определенных правил, заданных администратором. Маршрутизаторы делятся на программные и аппаратные.

В настоящее время все большее распространение получает беспроводное соединение компьютеров. Оборудование беспроводных сетей включает сетевые адаптеры, точки доступа и беспроводные маршрутизаторы.

Раздел 3. Программные средства реализации информационных процессов

Программное обеспечение – совокупность программ, позволяющих осуществлять на компьютере автоматизированную обработку информации. Программное обеспечение традиционно делят на три группы (рис. 13):

· системное программное обеспечение;

· прикладное программное обеспечение;

· инструментальное программное обеспечение.

Рис. 13 Структура программного обеспечения

В то же время в состав основных системных средств – операционных систем – входят и компоненты прикладного ПО, например, текстовые редакторы.

Системное программное обеспечение управляет всеми ресурсами ЭВМ и осуществляет общую организацию процесса обработки информации и интерфейс ЭВМ с проблемной средой, в частности с пользователем. Системное ПО включает операционные системы, средства расширения возможностей операционных систем и средства тестирования и диагностики ЭВМ.

Прикладное ПО составляют пакеты прикладных программ, предназначенные для решения определенного круга задач из различных проблемных областей, а также менее крупные программы-утилиты, преследующие более узкие, но достаточно важные цели снижения трудоемкости и повышения эффективности работы пользователя.

Инструментальное ПО предназначено для создания оригинальных программных средств в любой проблемной области, включая системное ПО.

Базовое ПО в архитектуре компьютера занимает особое положение. С одной стороны, его можно рассматривать как составную часть аппаратных средств, с другой стороны, оно является одним из программных модулей операционной системы.

Основу системного ПО составляют программы, входящие в операционные системы (ОС) компьютеров. Задача таких программ – управление работой всех устройств компьютерной системы и организация взаимодействия отдельных процессов, протекающих в компьютере во время выполнения программ. Сюда относятся и программы, обеспечивающие отображение информации на дисплее в удобном для пользователя виде, диалоговые программы для общения на ограниченном естественном языке, а также системы трансляции, переводящие на машинный язык программы, написанные на языках программирования.

Другой комплекс программ – служебные. Это различные сервисные программы, используемые при работе или техническом обслуживании компьютера, – редакторы, отладчики, диагностические программы, архиваторы, программы для борьбы с вирусами и другие вспомогательные программы. Данные программы облегчают пользователю взаимодействие с компьютером. К ним примыкают программы, обеспечивающие работу компьютеров в сети. Они реализуют сетевые протоколы обмена информацией между машинами, работу с распределенными базами данных, телеобработку информации.

Вся совокупность программ, образующих ту программную среду, в которой работает компьютер и называется системным программным обеспечением (рис. 14). И чем богаче системное ПО, тем продуктивнее становится работа на компьютере.

Рис. 14 Системное программное обеспечение

Базовое ПО, или BIOS, представляет программа, которая отвечает за управление всеми компонентами, установленными на материнской плате. Фактически BIOS является неотъемлемой составляющей системной платы и поэтому может быть отнесена к особой категории компьютерных компонентов, занимающих промежуточное положение между аппаратурой и программным обеспечением. Аббревиатура BIOS расшифровывается как Basic Input/Output System – базовая система ввода/вывода.

Раньше в системе IBM PC основным назначением BIOS была поддержка функций ввода-вывода за счет предоставления ОС интерфейса для взаимодействия с аппаратурой. В последнее время ее назначение и функции значительно расширились.

Второй важной функцией BIOS является процедура тестирования (POST – Power On Self Test) всего установленного на материнской плате оборудования (за исключением дополнительных плат расширения), проводимая после каждого включения компьютера.

Третьей важной функцией, которую BIOS выполняет со времен IBM PC, является загрузка ОС. Современные BIOS позволяют загружать операционную систему не только с гибкого или жесткого диска, но и с приводов CD-ROM, ZIP, LS-120, SCSI-контроллеров.

С появлением процессоров Pentium BIOS стала выполнять еще одну функцию – управление потребляемой мощностью, а с появлением материнских плат форм-фактора (стандартизированный размер) ATX (Advanced Technology extended – расширенная продвинутая технология) – и функцию включения и выключения источника питания в соответствии со спецификацией ACPI (Advanced Configuration and Power Interface – продвинутый интерфейс конфигурирования и управления потребляемой мощностью).

Операционная система (ОС) – комплекс системных и управляющих программ, предназначенных для наиболее эффективного использования всех ресурсов вычислительной системы.

Назначение ОС – организация вычислительного процесса в вычислительной системе, рациональное распределение вычислительных ресурсов между отдельными решаемыми задачами; предоставление пользователям многочисленных сервисных средств, облегчающих процесс программирования и отладки задач.

Классификация ОС:

· по количеству одновременно работающих пользователей: однопользовательские и многопользовательские;

· по числу одновременно выполняемых процессов: однозадачные и многозадачные;

· по типу интерфейса: командные и графические;

· по типу доступа пользователя к ЭВМ: с пакетной обработкой, с разделенным временем и реального времени.

Для операционных систем существует набор базовых понятий, таких как процессы, память и файлы, которые являются самыми важными для понимания общей идеи построения и функционирования ОС.

Ключевое понятие ОС – процесс. Процессом называют программу в момент ее выполнения. С каждым процессом связывается его адресное пространство – список адресов в памяти от некоторого минимума до некоторого максимума. По этим адресам процесс может занести информацию и прочесть ее. Адресное пространство содержит саму программу, данные к ней и ее стек. Со всяким процессом связывается некий набор регистров, включая счетчик команд, указатель стека и другие аппаратные ресурсы, а также вся информация, необходимая для запуска программы.

Другой важный, связанный с памятью вопрос – управление адресным пространством процессов. Обычно под каждый процесс отводится некоторое множество адресов, которые он может использовать. В простейшем случае, когда максимальная величина адресного пространства для процесса меньше оперативной памяти, процесс заполняет свое адресное пространство, и памяти хватает на то, чтобы содержать его целиком. Однако, что произойдет, если адресное пространство процесса окажется больше, чем ОЗУ компьютера, а процесс захочет использовать его целиком? В этом случае используется метод, называемый виртуальной памятью, при котором ОС хранит часть адресов в оперативной памяти, а часть на диске и меняет их местами при необходимости.

Файловая система – еще одно базовое понятие, поддерживаемое виртуально всеми ОС. Основной задачей, которую решает файловая система, является обеспечение взаимодействия программ и физических устройств ввода/вывода.

Основные функции, выполняемые файловой системой, можно условно разделить на две группы:

· функции для работы с файлами (создание, удаление, изменение атрибутов и др.);

· функции для работы с данными (чтение, поиск, запись и т.д.).

В логическом плане файловую систему можно разделить на следующие составные части:

· файлы, хранящиеся на устройстве ввода/вывода;

· структура файлов;

· функции работы с файлами и их структурой.

Файл – это наименьший именованный массив информации; основная единица организации информации на носителе. Основным атрибутом файла является его имя – символьная строка, длина которой зависит от конкретной файловой системы. Во многих ОС имя файла может состоять из двух частей, разделенных точкой, например progr.exe. Часть имени файла после точки называется расширением файла и обычно означает тип файла. Другие атрибуты файла, которые могут использоваться файловой системой – это размер файла; время создания, последнего доступа и последнего изменения; информация о доступе к файлу, а также признаки файла – скрытый, системный, архивный, временный и др.

Для логической организации файлов используются каталоги. Каталог – это файл, который содержит информацию о входящих в него файлах. Структура каталогов в зависимости от файловой системы может быть древовидной и сетевой.

Утилиты или служебные программы – это программы, используемые при работе или техническом обслуживании компьютера для выполнения вспомогательных функций.

Файловые менеджеры предназначены для разнообразной работы с файлами: копирования, переноса, удаления и др.

Форматирование дисков – процесс разметки устройств хранения или носителей информации. Различают низкоуровневое и высокоуровневое форматирование. Форматировать можно как новые диски, так и бывшие в употреблении, принимая в расчет то, что при форматировании информация, записанная на диске, теряется.

Дефрагментация дисков – процесс обновления и оптимизации логической структуры раздела диска с целью обеспечить хранение файлов в непрерывной последовательности кластеров.

Проверка дисков на наличие ошибок позволяет проверить целостность файловой системы и поверхности диска. Целостность файловой системы определяется правильностью имен файлов, правильностью даты и времени создания файла, уникальностью имен файлов, отсутствием файлов с общими кластерами, отсутствием кластеров, не принадлежащих ни одному файлу.

Очистка диска осуществляется для освобождения места, занимаемого уже ненужными файлами.

Архивация данных – это сжатие одного или более файлов с целью экономии памяти и размещение сжатых данных в одном архивном файле; это уменьшение физических размеров файлов, в которых хранятся данные, без значительных информационных потерь.

Архивация проводится в следующих случаях, когда необходимо:

· создать резервные копии наиболее ценных файлов;

· освободить место на диске;

· передать файлы по электронной почте.

ППО, классифицируя по назначению, можно разделить на прикладные программы общего назначения и прикладные программы специального назначения (рис. 15). Классификация весьма условна потому, что некоторые типы программ (например, программы, обрабатывающие тексты) имеют своих представителей и в классе общего назначения (редакторы и процессоры) и в классе профессиональных программ (издательские системы).

Рис. 15 Прикладное программное обеспечение

Прикладное программное обеспечение общего назначения используется для решения наиболее общих задач информационного характера в любой сфере человеческой деятельности. Оно объединяет в себе широко используемые программы большинством пользователей персональных компьютеров, например, текстовые редакторы, электронные таблицы, графические системы, игры, развлечения.

К программам, обрабатывающим тексты, относятся текстовые редакторы и текстовые процессоры. Граница между ними весьма условна. Текстовые редакторы, например, NotePad способны выполнять основные функции редактирования: набор, внесение исправлений, сохранение, работа с фрагментами. Текстовые процессоры, например, Microsoft Word, кроме того, имеют возможности разнообразного оформления, а некоторые позволяют создавать документы, предназначенные для просмотра не в бумажном виде, а на компьютере (электронные документы). На уровне специального ППО, программы, обрабатывающие тексты, представлены специализированными текстовыми редакторами и издательскими системами, которые автоматизируют процесс верстки полиграфических изданий. Издательские системы отличаются расширенными средствами управления взаимодействия текста с параметрами страницы и графическими объектами, но имеют более слабые возможности по автоматизации ввода и редактирования текста. Их целесообразно применять к документам, которые предварительно обработаны в текстовых процессорах и графических редакторах.

Основное назначение электронных таблиц – обработка различных типов данных, представляющихся в табличной форме, например, планово-финансовые, бухгалтерские документы, небольшие инженерные расчеты. Основное преимущество электронных таблиц, в сравнении с текстовыми процессорами (где тоже могут вестись таблицы, производиться небольшие вычисления и сортировка), в том, что содержание одних ячеек может меняться автоматически в соответствии с изменением содержания других. Иными словами, ячейки могут быть функционально зависимы. Кроме того, табличные процессоры имеют возможности ведения небольших баз данных и визуализации данных в виде различных таблиц, диаграмм и графиков, т.е. средства ведения таблиц, средства табличных расчетов подкрепляются возможностями создания наглядных отчетов. Они находят широкое применение в бухгалтерском учете, анализе финансовых и торговых рынков, средствах обработки результатов научных и экономических экспериментов, т.е. в автоматизации регулярно повторяемых вычислений больших объемов числовых и текстовых данных, представляющих табличные структуры.

Графические системы – это программы, предназначенные для работы с графическими изображениями. К ним относятся редакторы растровой и векторной графики, программы обработки трехмерной графики (ЗD-редакторы). Растровые редакторы для представления изображений используют растры, т.е. совокупности точек, имеющих свой цвет и яркость. В них удобно обрабатывать фотографии и объекты, имеющие мягкие цветовые переходы. Основа векторного представления – линия (ее уравнение). Векторные редакторы удобны для работы с чертежами и рисованными картинками. Редакторы трехмерной графики используются для создания пространственных графических композиций, позволяют проследить взаимодействия трехмерных объектов между собой и трехмерных объектов с источником света.

Системы управления базами данных (СУБД) позволяют работать с большими объемами структурированных данных – базами данных (как правило, это табличные структуры). В функции СУБД входит: описание данных, доступ к данным, поиск, отбор данных по определенным критериям. Большинство современных СУБД позволяют создавать небольшие программы обработки данных на встроенных языках, имеют оформительские возможности, позволяющие на основе собранных и обработанных данных создать отчет. Множество СУБД, также как и текстовые процессоры, имеют своих представителей и в ППО общего и в ППО специального назначения. На уровне ППО общего назначения – это настольные СУБД, на уровне специальном – это большие СУБД, составляющие основу информационных систем и позволяющие работать в компьютерных сетях.

Развитие науки и техники во все времена приводило к созданию новых видов представления информации. Так развитие механики породило книгопечатание, развитие электротехники – радио и телевидение. Развитие электроники обеспечило новые средства хранения и накопления информации – механическая, магнитная и оптическая запись. Появление и развитие компьютеров привело к созданию совершенно нового способа представления и хранения разнородных материалов – мультимедиа.

Мультимедиа – это технология использования компьютера с применением всех доступных технических средств: звука, графического изображения, видео изображения, мультипликации, радио, телевидения. То есть мультимедиа технология, позволяет одновременно использовать различные способы представления информации: числа, текст, графику, анимацию, видео и звук. Важной особенностью мультимедиа технологии является ее интерактивность, т.е. то, что пользователю отводится активная роль. Интерактивной называется программа, реагирующая на действия пользователя появлением различных эффектов. Графический интерфейс мультимедийных проектов обычно содержит различные управляющие значки (кнопки, текстовые окна и т.д.). Примером интерактивной программы может быть игровая программа для детей, в которой можно щелкать по различным предметам и действующим лицам и вызывать их звучание или действия. Например, на экране изображен сельский двор. Если щелкнуть мышкой по калитке, то она заскрипит, если щелкнуть по собачьей конуре, то из нее появится собака, полает и скроется в будке. Если щелкнуть по птичке на дереве, то она пропоет трель и т.д.

ППО специального назначения решает более узкие задачи, а также задачи профессионального характера в различных предметных областях.

Экспертные системы представляют собой дальнейшее развитие систем управления базами данных. Они предназначены для анализа данных, хранящихся в базах знаний. В отличие от СУБД, позволяющих производить операции манипуляции данными, экспертные системы производят логический анализ данных, имеют функции самообучения.

Системы автоматизированного проектирования предназначены для автоматизации процессов конструирования, применяются в машиностроении, строительстве, архитектуре. Они позволяют создавать чертежную документацию, адаптированную в конкретной предметной области, а также имеют справочники, средства проведения расчетов.

Профессиональные программные продукты в настоящее время получили широчайшее развитие. Это бухгалтерские системы, автоматизированные системы управления, автоматизированные системы научных исследований и многие другие.

Раздел 4. Алгоритмизация, языки и технологии программирования

Каждый из нас постоянно решает множество задач: Некоторые задачи мы решаем автоматически, так как на протяжении многих лет привыкли к их выполнению, другие требуют длительного размышления над решением, но в любом случае, решение каждой задачи всегда делится на простые действия.

Алгоритм – описанная на некотором языке точная конечная система правил, определяющая содержание и порядок действий над некоторыми объектами, строгое выполнение которых дает решение поставленной задачи. Понятие алгоритма, являющееся фундаментальным в математике и информатике, возникло задолго до появления средств вычислительной техники. Слово «алгоритм» появилось в средние века, когда европейцы познакомились со способами выполнения арифметических действий в десятичной системе счисления, описанными узбекским математиком Муххамедом бен Аль-Хорезми («аль-Хорезми» – человек из города Хорезми; в настоящее время город Хива в Хорезмской области Узбекистана). Слово алгоритм – это результат европейского произношения слов аль-Хорезми. Первоначально под алгоритмом понимали способ выполнения арифметических действий над десятичными числами. В дальнейшем это понятие стали использовать для обозначения любой последовательности действий, приводящей к решению поставленной задачи.

Любой алгоритм существует не сам по себе, а предназначен для определенного исполнителя (человека, робота, компьютера, языка программирования и т.д.). Свойством, характеризующим любого исполнителя, является то, что он умеет выполнять некоторые команды. Совокупность команд, которые данный исполнитель умеет выполнять, называется системой команд исполнителя. Алгоритм описывается в командах исполнителя, который будет его реализовывать. Объекты, над которыми исполнитель может совершать действия, образуют так называемую среду исполнителя. Исходные данные и результаты любого алгоритма всегда принадлежат среде того исполнителя, для которого предназначен алгоритм.

Значение слова «алгоритм» очень схоже со значениями слов «рецепт», «метод», «процесс». Однако, в отличие от рецепта или процесса, алгоритм характеризуется следующими свойствами: дискретностью, массовостью, определенностью, результативностью, формальностью.

Дискретность (разрывность – противоположно непрерывности) – это свойство алгоритма, характеризующее его структуру: каждый алгоритм состоит из отдельных законченных действий, говорят: «Делится на шаги».

Массовость – применимость алгоритма ко всем задачам рассматриваемого типа, при любых исходных данных. Например, алгоритм решения квадратного уравнения в области действительных чисел должен содержать все возможные исходы решения, т.е., рассмотрев значения дискриминанта, алгоритм находит либо два различных корня уравнения, либо два равных, либо делает вывод о том, что действительных корней нет.

Определенность (детерминированность, точность) – свойство алгоритма, указывающее на то, что каждый шаг алгоритма должен быть строго определен и не допускать различных толкований; также строго должен быть определен порядок выполнения отдельных шагов. Помните сказку про Ивана-царевича? «Шел Иван-царевич по дороге, дошел до развилки. Видит большой камень, на нем надпись: «Прямо пойдешь - голову потеряешь, направо пойдешь — жену найдешь, налево пойдешь — разбогатеешь». Стоит Иван и думает, что дальше делать». Таких инструкций алгоритм содержать не может.

Результативность – свойство, состоящее в том, что любой алгоритм должен завершаться за конечное (может быть очень большое) число шагов. Вопрос о рассмотрении бесконечных алгоритмов остается за рамками теории алгоритмов.

Формальность – это свойство указывает на то, что любой исполнитель, способный воспринимать и выполнять инструкции алгоритма, действует формально, т.е. отвлекается от содержания поставленной задачи и лишь строго выполняет инструкции. Рассуждать «что, как и почему?» должен разработчик алгоритма, а исполнитель формально (не думая) поочередно исполняет предложенные команды и получает необходимый результат.

Существуют следующие способы описания алгоритма: словесное описание, псевдокод, блок-схема, программа.

Словесное описание представляет структуру алгоритма на естественном языке. Например, любой прибор бытовой техники (утюг, электропила, дрель и т.п.) имеет инструкцию по эксплуатации, т.е. словесное описания алгоритма, в соответствии которому данный прибор должен использоваться. Никаких правил составления словесного описания не существует. Запись алгоритма осуществляется в произвольной форме на естественном, например, русском языке. Этот способ описания не имеет широкого распространения, так как строго не формализуем (под «формальным» понимается то, что описание абсолютно полное и учитывает все возможные ситуации, которые могут возникнуть в ходе решения); допускает неоднозначность толкования при описании некоторых действий; страдает многословностью.

Псевдокод – описание структуры алгоритма на естественном, частично формализованном языке, позволяющее выявить основные этапы решения задачи, перед точной его записью на языке программирования. В псевдокоде используются некоторые формальные конструкции и общепринятая математическая символика. Строгих синтаксических правил для записи псевдокода не существует. Это облегчает запись алгоритма при проектировании и позволяет описать алгоритм, используя любой набор команд. Однако в псевдокоде обычно используются некоторые конструкции, присущие формальным языкам, что облегчает переход от псевдокода к записи алгоритма на языке программирования. Единого или формального определения псевдокода не существует, поэтому возможны различные псевдокоды, отличающиеся набором используемых слов и конструкций.

Блок-схема – описание структуры алгоритма с помощью геометрических фигур с линиями-связями, показывающими порядок выполнения отдельных инструкций. Этот способ имеет ряд преимуществ. Благодаря наглядности, он обеспечивает «читаемость» алгоритма и явно отображает порядок выполнения отдельных команд. В блок-схеме каждой формальной конструкции соответствует определенная геометрическая фигура или связанная линиями совокупность фигур.

Описания алгоритма в словесной форме, на псевдокоде или в виде блок-схемы допускают некоторый произвол при изображении команд. Вместе с тем она настолько достаточна, что позволяет человеку понять суть дела и исполнить алгоритм. На практике исполнителями алгоритмов выступают компьютеры. Поэтому алгоритм, предназначенный для исполнения на компьютере, должен быть записан на «понятном» ему языке, такой формализованный язык называют языком программирования.

Программа – описание структуры алгоритма на языке алгоритмического программирования. С другой стороны, понятие «программа» нельзя трактовать только таким образом, программа на языке декларативного программирования представляет собой совокупность описанных знаний и не содержит явного алгоритма исполнения.

Элементарные шаги алгоритма можно объединить в следующие алгоритмические конструкции: линейные (последовательные), разветвляющиеся, циклические.

Линейной называют алгоритмическую конструкцию, реализованную в виде последовательности действий (шагов), в которой каждое действие (шаг) алгоритма выполняется ровно один раз, причем после каждого i -го действия (шага) выполняется (i +1)-е действие (шаг), если i -е действие – не конец алгоритма.

Пример:

Опишем алгоритм сложения двух чисел на псевдокоде в виде блок-схемы (рис. 16).

Псевдокод:

1. Ввод двух чисел a, b.

2. Вычисляем сумму S = а + b.

3. Вывод S.

4. Конец.

Рис. 16 Блок-схема к примеру

Разветвляющейся (или ветвящейся) называется алгоритмическая конструкция, обеспечивающая выбор между двумя альтернативами в зависимости от значения входных данных. При каждом конкретном наборе входных данных разветвляющийся алгоритм сводится к линейному. Различают неполное {если – то) и полное (если – то – иначе) ветвления. Полное ветвление позволяет организовать две ветви в алгоритме (то или иначе), каждая из которых ведет к общей точке их слияния, так что выполнение алгоритма продолжается независимо от того, какой путь был выбран (рис. 17).

Рис. 17 Полное ветвление

Неполное ветвление предполагает наличие некоторых действий алгоритма только на одной ветви (то), вторая ветвь отсутствует, т.е. для одного из результатов проверки никаких действий выполнять не надо, управление сразу переходит к точке слияния (рис. 18).

Рис. 18 Неполное ветвление

Пример (рис. 19):

Вывести значение наибольшего из двух чисел.

Псевдокод:

1. Ввод двух чисел а, b.

2. ЕСЛИ а > b, ТО «выводим а»,

ИНАЧЕ «выводим b».

3. Конец.

Рис. 19 Блок-схема к примеру

Часто при выборе одного из возможных вариантов действий приходится проверять значение выражения на принадлежность заданному набору данных. Для этого существует команда «Выбор». При ее исполнении сначала вычисляется значение некоторого выражения Z. Затем последовательно проверяются условия VI, V2,..., Vп относительно Z, начиная с первого, до тех пор, пока не встретится условие, принимающее значение ИСТИНА. Далее выполняется соответствующее этому условию действие (или серия действий), после чего команда выбора завершается. Если ни одно из условий не является истинным, то выполняется действие (или набор действий), идущее по ветви ЛОЖЬ для каждого из условий (рис. 20).

Рис. 20 Команда «Выбор»

Циклической (или циклом) называют алгоритмическую конструкцию, в которой некая, идущая подряд группа действий (шагов) алгоритма может выполняться несколько раз, в зависимости от входных данных или условия задачи. Группа повторяющихся действий на каждом шагу цикла называется телом цикла. Любая циклическая конструкция содержит в себе элементы ветвящейся алгоритмической конструкции.

Рассмотрим три типа циклических алгоритмов: цикл с параметром (который называют арифметическим циклом), цикл с предусловием и цикл с постусловием (их называют итерационными).

В арифметическом цикле (рис. 21) число его шагов (повторений) однозначно определяется правилом изменения параметра, которое задается с помощью начального (N) и конечного (К) значений параметра и шагом (А) его изменения. Т.е., на первом шаге цикла значение параметра равно N, на втором – N + h, на третьем – N + 2h и т.д.

На последнем шаге цикла значение параметра не больше К, но такое, что дальнейшее его изменение приведет к значению, большему, чем К.

Рис. 21 Арифметический цикл

Количество шагов цикла с предусловием (рис. 22) заранее не определено и зависит от входных данных задачи. В данной циклической структуре сначала проверяется значение условного выражения (условие) перед выполнением очередного шага цикла. Если значение условного выражения истинно, исполняется тело цикла. После чего управление вновь передается проверке условия и т.д. Эти действия повторяются до тех пор, пока условное выражение не примет значение ЛОЖЬ. При первом же несоблюдении условия цикл завершается.

Рис. 22 Цикл с предусловием

Особенностью цикла с предусловием является то, что если изначально условное выражение ложно, то тело цикла не выполнится ни разу.

Как и в цикле с предусловием, в циклической конструкции с постусловием (рис. 23) заранее не определено число повторений тела цикла, оно зависит от входных данных задачи. В отличие от цикла с предусловием, тело цикла с постусловием всегда будет выполнено хотя бы один раз, после чего проверяется условие. В этой конструкции тело цикла будет выполняться до тех пор, пока значение условного выражения ложно. Как только оно становится истинным, выполнение команды прекращается.

Рис. 23 Цикл с постусловием

Реальные данные, которые обрабатывает программа, – это целые и вещественные числа, символы и логические величины. Эти простые типы данных называют базовыми. Все данные, обрабатываемые компьютером, хранятся в ячейках памяти компьютера, каждая из которых имеет свой адрес. Для того чтобы не следить за тем, по какому адресу будут записаны те или иные данные, в языках программирования используется понятие переменной, позволяющее отвлечься от адреса ячейки памяти и обращаться к ней с помощью имени (идентификатора).

Переменная – есть именованный объект (ячейка памяти), который может изменять свое значение. Имя переменной указывает на значение, а способ ее хранения и адрес остаются скрытыми от программиста. Кроме имени и значения, переменная имеет тип, определяющий, какая информация находится в памяти. Тип переменной задает:

· используемый способ записи информации в ячейки памяти;

· необходимый объем памяти для ее хранения.

Объем памяти для каждого типа определяется таким образом, чтобы в него можно было поместить любое значение из допустимого диапазона значений данного типа.

Если переменные присутствуют в программе, на протяжении всего времени ее работы – их называют статическими. Переменные, создающиеся и уничтожающиеся на разных этапах выполнения программы, называют динамическими.

Все остальные данные в программе, значения которых не изменяются на протяжении ее работы, называют константами или постоянными. Константы, как и переменные, имеют тип. Их можно указывать явно или для удобства обозначать идентификаторами.

Для повышения производительности и качества работы необходимо иметь данные, максимально приближенные к реальным аналогам. Тип данных, позволяющий хранить вместе под одним именем несколько переменных, называется структурированным. Каждый язык программирования имеет свои структурированные типы.

Рассмотрим структуру, объединяющую элементы одного типа данных, – массив.

Массивом называется упорядоченная совокупность однотипных величин, имеющих общее имя, элементы которой адресуются (различаются) порядковыми номерами (индексами). Элементы массива в памяти компьютера хранятся по соседству, одиночные элементы простого типа такого расположения данных в памяти не предполагают. Массивы различаются количеством индексов, определяющих их элементы.

Одномерный массив предполагает наличие у каждого элемента только одного индекса. Количество элементов массива называют размерностью. При определении одномерного массива его размерность записывается в круглых скобках, рядом с его именем. Ввод элементов одномерного массива осуществляется поэлементно, в порядке, необходимом для решения конкретной задачи. Обычно, когда требуется ввести весь массив, порядок ввода элементов не важен, и элементы вводятся в порядке возрастания их индексов.

Рассмотрим двумерный массив. В математике двумерный массив (таблица чисел) называется матрицей. Каждый ее элемент имеет два индекса а_ij первый индекс i определяет номер строки, в которой находится элемент (координата по горизонтали), а второй j – номер столбца (координата по вертикали). Двумерный массив характеризуется двумя размерностями N и М, определяющими число строк и столбцов соответственно/ Ввод элементов двумерного массива осуществляется построчно, в свою очередь, ввод каждой строки производится поэлементно, тем самым определяется циклическая конструкция, реализующая вложение циклов. Внешний цикл определяет номер вводимой строки (i), внутренний – номер элемента по столбцу j).

Сегодня практически все программы создаются с помощью языков программирования. Теоретически программу можно написать и на естественном языке (говорят: программирование на метаязыке), но из-за неоднозначности естественного языка автоматически перевести такую программу в машинный код пока невозможно.

Языки программирования – это формальные искусственные языки. Как и естественные языки, они имеют алфавит, словарный запас, грамматику и синтаксис, а также семантику.

Алфавит – разрешенный к использованию набор символов, с помощью которого могут быть образованы слова и величины данного языка.

Синтаксис – система правил, определяющих допустимые конструкции языка программирования из букв алфавита.

Семантика – система правил однозначного толкования каждой языковой конструкции, позволяющих производить процесс обработки данных.

Взаимодействие синтаксических и семантических правил определяет основные понятия языка, такие как операторы, идентификаторы, константы, переменные, функции, процедуры и т.д. В отличие от естественных, язык программирования имеет ограниченный запас слов (операторов) и строгие правила их написания, а правила грамматики и семантики, как и для любого формального языка, явно однозначно и четко сформулированы.

Языки программирования, ориентированные на команды процессора и учитывающие его особенности, называют языками низкого уровня. «Низкий уровень» не означает неразвитый, имеется в виду, что операторы этого языка близки к машинному коду и ориентированы на конкретные команды процессора. Языком самого низкого уровня является ассемблер. Программа, написанная на нем, представляет последовательность команд машинных кодов, но записанных с помощью символьных мнемоник. С помощью языков низкого уровня создаются компактные оптимальные программы, так как программист получает доступ ко всем возможностям процессора. С другой стороны, при этом требуется хорошо понимать устройство компьютера, а использование такой программы на компьютере с процессором другого типа невозможно. Такие языки программирования используются для написания небольших системных приложений, драйверов устройств, модулей стыковки с нестандартным оборудованием, когда важнее компактность, быстродействие, прямой доступ к аппаратным ресурсам.

Языки программирования, имитирующие естественные, обладающие укрупненными командами, ориентированные «на человека», называют языками высокого уровня. Чем выше уровень языка, тем ближе структуры данных и конструкции, использующиеся в программе, к понятиям исходной задачи. Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются, поэтому исходные тексты программ легко переносимы на другие платформы, имеющие трансляторы этого языка. Разрабатывать программы на языках высокого уровня с помощью понятных и мощных команд значительно проще, число ошибок, допускаемых в процессе программирования, намного меньше. В настоящее время насчитывается несколько сотен таких языков (без учета их диалектов). Таким образом, языки программирования высокого уровня, ориентированные на решение больших содержательных прикладных задач, являются аппаратно-независимыми и требуют использования соответствующих программ-переводчиков для преобразования текста программы в машинный код, который в итоге и обрабатывается процессором.

С помощью языка программирования создается текст программы, описывающий разработанный алгоритм. Чтобы программа была выполнена, надо либо весь ее текст перевести в машинный код (это действие и выполняет программа – компилятор) и затем передать на исполнение процессору, либо сразу выполнять команды языка, переводя на машинный язык и исполняя каждую команду поочередно (этим занимаются программы – интерпретаторы).

Интерпретатор функционирует следующим образом: берет очередной оператор языка из текста программы, анализирует его структуру и затем сразу исполняет. После успешного выполнения текущей команды интерпретатор переходит к анализу и исполнению следующей. Если один и тот же оператор в программе выполняется несколько раз, интерпретатор всякий раз воспринимает его так, будто встретил впервые. Поэтому программы, в которых требуется произвести большой объем повторяющихся вычислений, будут работать медленно. Для выполнения программы на другом компьютере также необходимо установить интерпретатор, так как без него программа представляет собой набор слов и работать не может.

Компиляторы полностью обрабатывают весь текст программы (его называют исходным кодом или source code). Они осуществляют поиск синтаксических ошибок, выполняют семантический анализ и только затем, если текст программы в точности соответствует правилам языка, его автоматически переводят (транслируют) на машинный язык (говорят: генерируют объектный код или object code). Нередко при этом выполняется оптимизация с помощью набора методов, позволяющих повысить быстродействие программы. Сгенерированный объектный код обрабатывается специальной программой – сборщиком или редактором связей, который производит связывание объектного и машинного кодов. Текст программы преобразуется в готовый к исполнению ЕХЕ-файл (исполнимый код), его можно сохранить в памяти компьютера или на диске. Этот файл имеет самостоятельное значение и может работать под управлением операционной системы. Его можно перенести на другие компьютеры с процессором, поддерживающим соответствующий машинный код. Основной недостаток компиляторов – трудоемкость трансляции языков программирования, ориентированных на обработку данных сложной структуры, заранее неизвестной или динамически меняющейся во время работы программы. Для таких программ в машинный код вводятся дополнительные проверки и анализ наличия ресурсов операционной системы, средства динамического захвата и освобождения памяти компьютера, что на уровне статически заданных машинных инструкций осуществить достаточно сложно, а для некоторых задач практически невозможно.

С помощью интерпретатора, наоборот, для исследования содержимого памяти допустимо в любой момент прервать работу программы, организовать диалог с пользователем, выполнить любые сложные преобразования данных и при этом постоянно контролировать программно-аппаратную среду, что и обеспечивает высокую надежность работы программы. Интерпретатор при выполнении каждой команды подвергает проверке и анализу необходимые ресурсы операционной системы, при возникающих проблемах выдает сообщения об ошибках.

В реальных системах программирования смешаны технологии компиляции и интерпретации. В процессе отладки программу можно выполнять по шагам (трассировать), а результирующий код не обязательно будет машинным, он может быть, например, аппаратно-независимым промежуточным кодом абстрактного процессора, который в дальнейшем будет транслироваться в различных компьютерных архитектурах с помощью интерпретатора или компилятора в соответствующий машинный код.

Процесс создания программы включает:

· составление исходного кода программы на языке программирования;

· этап трансляции, необходимый для создания объектного кода программы;

· построение загрузочного модуля, готового к исполнению.

Все перечисленные выше действия требуют наличия специальных программных средств. Совокупность этих программных средств входит в состав системы программирования:

· текстовый редактор (необходимый для создания и редактирования исходного кода программы на языке программирования);

· компилятор;

· редактор связей;

· отладчик.

Современное состояние языков программирования можно представить в виде следующей классификации (рис. 24).

Рис. 24 Классификация языков программирования

Процедурное или императивное (от лат. imperativus – повелительный) программирование есть отражение фон Неймановской архитектуры компьютера. Программа, написанная на этом языке, представляет собой последовательность команд, определяющих алгоритм решения задачи. Основной командой является команда присвоения, предназначенная для определения и изменения содержимого памяти компьютера. Фундаментальная идея процедурного программирования – использование памяти компьютера для хранения данных. Функционирование программы сводится к последовательному выполнению команд с целью преобразования исходного состояния памяти, т.е. программа производит пошаговое преобразование содержимого памяти, изменяя его от исходного состояния к результирующему.

Суть функционального (аппликативного) программирования определена А.П. Ершовым как «способ составления программ, в которых единственным действием является вызов функции, единственным способом расчленения программы на части является введение имени функции, а единственным правилом композиции – оператор суперпозиции функций. Никаких ячеек памяти, ни операторов присваивания, ни циклов, ни, тем более, блок-схем, ни передачи управления». Ключевым понятием в функциональных языках является выражение. К ним относятся константы, структурированные объекты, функции, их тела и вызовы функций. Функциональный язык программирования состоит из совокупности базовых функций; классов констант, действия над которыми могут производить функции; предписаний, устанавливающих правила построения выражений и новых функций на основе базовых или рекурсивно через себя. Программа, написанная на функциональном языке, напоминает определение и перечень специфических особенностей задачи и представляет собой последовательность описаний функций и выражений. Выражение вычисляется редукционным способом, т.е. сведением сложного к простому. Обращения к базовым функциям приводят к их замене соответствующими значениями. Вызовы функций, не являющихся базовыми, заменяются их телами, а их параметры – фактическими аргументами. Функциональное программирование не рассматривает память как место для хранения данных, в нем используется математическое понятие переменной и функции. Переменные временно обозначают объекты программы. Как и в математике, функции функциональных языков отображают одни объекты в другие, аргументы – в значения. Нет принципиальных различий между константами и функциями, т.е. между операциями и данными. Функция может быть результатом обращения к другой функции и может быть элементом структурированного объекта. При обращении к функции число ее аргументов не обязательно должно совпадать с числом параметров, определенных при ее описании.

Концепция логического программирования базируется на понятии отношение. Логическая программа – это совокупность аксиом и правил, определяющих отношения между объектами и целью. Выполнение программы представляет собой попытку доказательства логического утверждения, построенного из программы по правилам, определенным семантикой используемого языка. Результатом вычислений является вывод следствий из аксиом. Алгоритм логической программы предполагает определение и перечень специфических свойств объектов и отношений между ними, а не определение порядка выполнения отдельных шагов. Это подтверждает декларативный характер логического языка программирования. Логические программы не отличаются высоким быстродействием, так как процесс их выполнения сводится к построению прямых и обратных цепочек рассуждений разнообразными методами поиска.

Основой объектно-ориентированного программирования (ООП) является понятие объект. Его суть состоит в том, что объект объединяет в себе структуры данных и характерные только для него процедуры (методы) их обработки. Такой подход полностью меняет стиль программирования, он заключается в отображении физических объектов реального мира на программную среду. Работать с объектами удобнее и естественнее, чем с традиционными конструкциями процедур преобразования данных. Объединение данных и свойственных им процедур обработки в одном объекте, детальная реализация которых остается скрытой для пользователей, называется инкапсуляцией и является одним из важнейших принципов ООП.

Другим фундаментальным понятием ООП является класс. Класс есть шаблон, на основе которого может быть создан конкретный программный объект, он описывает свойства и методы, определяющие поведение объектов этого класса. В ООП класс представляет собой абстрактный тип данных и является механизмом для создания объектов. Объявление класса есть логическая абстракция, определяющая новый тип объекта, а определение объекта как экземпляра класса создает этот объект физически, т.е. размещает объект в памяти. ООП является более естественным, так как предоставляет возможность выбрать имеющиеся или создать новые объекты и организовать взаимодействия между ними. Следовательно, объектно-ориентированные языки по сравнению с процедурными являются языками более высокого уровня.

Следующими важнейшими принципами ООП являются наследование и полиморфизм. Наследование предусматривает создание новых классов на базе существующих и позволяет классу-потомку иметь (наследовать) все свойства класса-родителя. При работе с объектами иерархии «родители – дети – и т.д.» разрешается задавать одинаковые имена различным по реализации методам, для обработки объектов разных ступеней иерархии. Это явление называется полиморфизм. Благодаря полиморфизму в ООП обработка объектов упрощается, так как одинаковым действиям объектов соответствуют одноименные методы. Полиморфизм (от греч. «многоликость») означает, что рожденные объекты обладают информацией о том, какие методы они должны использовать в зависимости от того, в каком месте цепочки наследования они находятся. Другим основополагающим принципом ООП является модульность, – объекты заключают в себе полное определение их характеристик, никакие определения методов и свойств объекта не должны располагаться вне его, это делает возможным свободное копирование и внедрение одного объекта в другие.

Раздел 5. Компьютерные сети. Защита информации в сетях

Компьютерная сеть (Computer Network) – это множество компьютеров, соединенных линиями связи и работающих под управлением специального программного обеспечения.

Под линией связи обычно понимают совокупность технических устройств, и физической среды, обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику. В реальной жизни примерами линий связи могут служить участки кабеля и усилители, обеспечивающие передачу сигналов между коммутаторами телефонной сети. На основе линий связи строятся каналы связи.

Каналом связи обычно называют систему технических устройств и линий связи, обеспечивающую передачу информации между абонентами. Соотношение между понятиями «канал» и «линия» описывается следующим образом: канал связи может включать в себя несколько разнородных линий связи, а одна линия связи может использоваться несколькими каналами (рис. 25).

Рис. 25 Линии и каналы связи

Назначение компьютерных сетей:

· предоставление пользователям возможности доступа к различным информационным ресурсам (например, документам, программам, базам данных и т.д.), распределенным по этим компьютерам и их совместное использование;

· обеспечение высокой надежности при помощи альтернативных источников информации;

· ускорение передачи информации.

Имеется два важнейших параметра классификации сетей: технология передачи и размеры.

Существуют два типа технологии передачи:

· широковещательные сети;

· сети с передачей от узла к узлу.

Широковещательные сети обладают единым каналом связи, совместно используемым всеми машинами сети. Короткие сообщения, называемые пакетами, посылаемые одной машиной, принимаются всеми машинами. Поле адреса в пакете указывает, кому направляется сообщение. При получении пакета машина проверяет его адресное поле. Если пакет адресован этой машине, она обрабатывает пакет. Пакеты, адресованные другим машинам, игнорируются.

Сети с передачей от узла к узлу состоят из большого количества соединенных пар машин. В такой сети пакету необходимо пройти через ряд промежуточных машин, чтобы добраться до пункта назначения. Часто при этом существует несколько возможных путей от источника к получателю.

Обычно небольшие сети используют широковещательную передачу, тогда как в крупных сетях применяется передача от узла к узлу.

Другим критерием классификации сетей является их размер. Размеры сетей являются важным классификационным фактором, поскольку в сетях различного размера применяется различная техника. Сети по этому признаку можно разделить на локальные, муниципальные и глобальные.

Локальными сетями (ЛВС – локальные вычислительные сети или LAN – Local Area Network) называют сети, размещающиеся, как правило, в одном здании или на территории какой-либо организации размерами до нескольких километров. Их часто используют для предоставления совместного доступа компьютеров к ресурсам (например, принтерам) и обмена информацией. Локальные сети отличаются от других сетей тремя характеристиками: размерами, технологией передачи данных и топологией. Обычные ЛВС имеют пропускную способность канала связи от 10 до 100 Мбит/с, небольшую задержку – десятые доли мкс и очень мало ошибок.

Муниципальные или региональные сети (MAN – Metropolitan AN) являются увеличенными версиями локальных сетей и обычно используют схожие технологии. Такая сеть может объединять несколько предприятий корпорации или город. Муниципальная сеть может поддерживать передачу цифровых данных, звука и включать в себя кабельное телевидение. Обычно муниципальная сеть не содержит переключающих элементов для переадресации пакетов во внешние линии, что упрощает структуру сети.

Глобальные сети (Wide AN или ГВС) охватывают значительную территорию, часто целую страну или даже континент. Они объединяют множество машин, предназначенных для выполнения приложений. Эти машины называются хостами. Хосты соединяются коммуникационными подсетями или просто подсетями. Задачей подсети является передача сообщений от хоста хосту, подобно тому, как телефонная система переносит слова говорящего слушающему. То есть коммуникативный аспект сети – подсеть отделен от прикладного аспекта – хостов, что значительно упрощает структуру сети.

Сети также подразделяются на два типа: одноранговые и на основе сервера. Между этими двумя типами сетей существуют принципиальные различия, которые определяют их разные возможности. Выбор типа сети зависит от многих факторов: размера предприятия и вида его деятельности, необходимого уровня безопасности, доступности административной поддержки, объема сетевого трафика, потребностей сетевых пользователей, финансовых возможностей.

В одноранговой сети все компьютеры равноправны. Каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер. Нет отдельного компьютера, ответственного за администрирование всей сети. Пользователи сами решают, какие ресурсы на своем компьютере сделать доступными в сети. Одноранговые сети, как правило, объединяют не более 10 компьютеров. Отсюда их другое название – рабочие группы. Одноранговые сети относительно просты, дешевле сетей на основе сервера, но требуют более мощных компьютеров. Требования к производительности и уровню защиты сетевого программного обеспечения (ПО) ниже, чем в сетях с выделенным сервером. Поддержка одноранговых сетей встроена во многие операционные системы (ОС), поэтому для организации одноранговой сети дополнительного ПО не требуется.

Если в сети более 10 компьютеров, то одноранговая сеть становится недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей имеют другую конфигурацию – они работают на основе выделенного сервера. Выделенным сервером называется такой компьютер, который функционирует только как сервер и не используется в качестве клиента или рабочей станции. Он специально оптимизирован для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и обеспечивает защиту файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом. Основным аргументом при выборе сети на основе сервера является защита данных. Проблемами безопасности занимается один администратор: он формирует единую политику безопасности и применяет ее в отношении каждого пользователя сети. Сети на основе сервера, в отличие от одноранговых сетей, способны поддерживать тысячи пользователей. При этом к характеристикам компьютеров и квалификации пользователей предъявляются более мягкие требования, чем в одноранговых сетях.

Термин топология сети характеризует способ организации физических связей компьютеров и других сетевых компонентов. Выбор той или иной топологии влияет на состав необходимого сетевого оборудования, возможности расширения сети и способ управления сетью. Топология – это стандартный термин. Все сети строятся на основе базовых топологий: шина, звезда, кольцо, ячеистая. Сами по себе базовые топологии не сложны, однако на практике часто встречаются довольно сложные их комбинации.

Топология шина наиболее простая из всех топологий и весьма распространенная. В ней используется один кабель, называемый магистралью или сегментом, вдоль которого подключены все компьютеры. В сети с топологией шина данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети, но принимает их тот, адрес которого совпадает с адресом получателя, зашифрованном в этих сигналах. Причем в каждый момент времени передачу может вести только один компьютер. Поэтому производительность такой сети зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть. На быстродействие сети также влияют:

· тип аппаратного обеспечения сетевых компьютеров;

· частота, с которой компьютеры передают данные;

· тип работающих сетевых приложений;

· тип сетевого кабеля;

· расстояние между компьютерами в сети.

Шина – пассивная топология: компьютеры только слушают передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому выход одного или нескольких компьютеров из строя никак не сказывается на работе сети. Электрические сигналы распространяются по всему кабелю – от одного конца к другому. Сигналы, достигшие концов кабеля, отражаются от них. Возникает наложение сигналов, находящихся в разных фазах, и, как следствие, их искажение и ослабление. Поэтому сигналы, достигшие конца кабеля, следует погасить. Для гашения сигналов на концах кабеля устанавливают терминаторы. При разрыве кабеля или отсутствии терминаторов функционирование сети прекращается. Сеть падает.

При топологии звезда все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному устройству, называемому концентратором (hub). Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным.

Недостатки этой топологии: дополнительный расход кабеля, установка концентратора. Главное преимущество этой топологии перед шиной – более высокая надежность. Выход из строя одного или нескольких компьютеров на работу сети не влияет. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора приводит к падению сети. Кроме того, концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи.

В топологии кольцо компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии шина, здесь каждый компьютер выступает в роли репитера (повторителя), усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому выход из строя хотя бы одного компьютера приводит к падению сети. Способ передачи данных по кольцу называется передачей маркера. Маркер (token) – это специальная последовательность бит, передающаяся по сети. В каждой сети существует только один маркер. Маркер передается по кольцу последовательно от одного компьютера к другому до тех пор, пока его не захватит тот компьютер, который хочет передать данные. Передающий компьютер добавляет к маркеру данные и адрес получателя, и отправляет его дальше по кольцу. Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя. Затем принимающий компьютер посылает передающему сообщение, в котором подтверждает факт приема. Получив подтверждение, передающий компьютер восстанавливает маркер и возвращает его в сеть. Скорость движения маркера сопоставима со скоростью света.

На сегодня подавляющая часть компьютерных сетей использует для соединения кабели. Это среда передачи сигналов между компьютерами. В большинстве сетей применяются три основные группы кабелей:

· коаксиальный кабель (тонкий, толстый);

· витая пара (twisted pair) (неэкранированная – unshielded, экранированная – shielded);

· оптоволоконный кабель.

Коаксиальный кабель до недавнего времени был самым распространенным. Недорогой, легкий, гибкий, удобный, безопасный и простой в установке. Существует два типа коаксиальных кабелей: тонкий (спецификация 10Base2) и толстый (спецификация 10Base5). Тонкий – гибкий, диаметр 0,64 см (0,25"). Прост в применении и подходит практически для любого типа сети. Подключается непосредственно к плате сетевого адаптера. Передает сигнал на 185 м практически без затухания. Волновое сопротивление – 50 ом. Толстый – жесткий, диаметр 1,27 см (0,5"). Его иногда называют стандартный Ethernet (первый кабель в популярной сетевой архитектуре). Жила толще, затухание меньше. Передает сигнал без затухания на 500 м. Используют в качестве магистрали, соединяющей несколько небольших сетей. Волновое сопротивление – 75 ом. Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применяется специальное устройство – трансивер (transceiver – приемопередатчик). Он снабжен коннектором, который называется вампир или пронзающий ответвитель. К сетевой плате трансивер подключается с помощью кабеля с разъемом. Для подключения тонкого коаксиального кабеля используются BNC-коннекторы (British Naval Connector). Применяются BNC–Т-коннекторы для соединения сетевого кабеля с сетевой платой компьютера, BNC–баррел-коннекторы для сращивания двух отрезков кабеля, BNC-терминаторы для поглощения сигналов на обоих концах кабеля в сетях с топологией шина.

Витая пара – это два перевитых изолированных медных провода. Несколько витых пар проводов часто помещают в одну защитную оболочку. Переплетение проводов позволяет избавиться от электрических помех, наводимых соседними проводами и другими внешними источниками, например двигателями, трансформаторами, мощными реле. Неэкранированная витая пара (UTP) широко используется в ЛВС, максимальная длина 100 м. UTP определена особым стандартом, в котором указаны нормативные характеристики кабелей для различных применений, что гарантирует единообразие продукции. Экранированная витая пара (STP) помещена в медную оплетку. Кроме того, пары проводов обмотаны фольгой. Поэтому STP меньше подвержены влиянию электрических помех и может передавать сигналы с более высокой скоростью и на большие расстояния. Преимущества витой пары – дешевизна, простота при подключении. Недостатки – нельзя использовать при передаче данных на большие расстояния с высокой скоростью.

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это надежный способ передачи, так как электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя вскрыть и перехватить данные. Оптоволоконные линии предназначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоростях, так как сигнал в них практически не затухает и не искажается. Оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами: одно – для передачи, другое – для приема. Скорость передачи данных в настоящее время составляет от 100 Мбит/с. Между тем, получает все большее распространение скорость 1 Гбит/с, теоретически – до 200 Гбит/с. Расстояние – многие километры. Кабель не подвержен электрическим помехам. Существенным недостатком этой технологии является дороговизна и сложность в установке и подключении. Типичная оптическая сеть состоит из лазерного передатчика света, мультиплексора/демультиплексора для объединения оптических сигналов с разными длинами волн, усилителей оптических сигналов, демультиплексоров и приемников, преобразующих оптический сигнал обратно в электрический. Все эти компоненты обычно собираются вручную.

Для передачи по кабелю кодированных сигналов используют две технологии – немодулированную и модулированную передачу. Немодулированные системы передают данные в виде цифровых сигналов, которые представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля (полоса пропускания – разница между максимальной и минимальной частотой, которую можно передать по кабелю). Устройство в сетях с немодулированной передачей посылает данные в обоих направлениях. Для того, чтобы избежать затухания и искажения сигнала в смодулированных системах, используют репитеры, которые усиливают и ретранслируют сигнал. Модулированные системы передают данные в виде аналогового сигнала (электрического или светового), занимающего некоторую полосу частот. Если полосы пропускания достаточно, то один кабель могут одновременно использовать несколько систем (например, транслировать передачи кабельного телевидения и передавать данные). Каждой передающей системе выделяется часть полосы пропускания. Для восстановления сигнала в модулированных системах используют усилители. В модулированной системе устройства имеют раздельные тракты для приема и передачи сигнала, так как передача идет в одном направлении. Чтобы устройства могли и передавать, и принимать данные, используют разбиение полосы пропускания на два канала, которые работают с разными частотами для передачи и приема, или прокладку двух кабелей – для передачи и приема.

Работа сети заключается в передаче данных от одного компьютера к другому. В этом процессе можно выделить следующие задачи:

· распознавание данных;

· разбиение данных на управляемые блоки;

· добавление информации к каждому блоку о местонахождении данных и получателе;

· добавление информации для синхронизации и проверки ошибок;

· перемещение данных в сеть и отправка их по заданному адресу;

Сетевая ОС при выполнении этих задач строго следует определенному набору процедур. Эти процедуры называются протоколами. Они регламентируют каждую сетевую операцию. Стандартные протоколы позволяют программному и аппаратному обеспечению разных производителей нормально взаимодействовать. Существует два главных набора стандартов: эталонная модель OSI и ее модификация Project 802. Для понимания технической стороны функционирования сетей необходимо иметь представление об этих моделях.

В 1978 г. ISO (International Standards Organization) выпустила набор спецификаций, описывающих модель взаимодействия открытых систем, т.е. систем, доступных для связи с другими системами. Это был первый шаг к международной стандартизации протоколов. Все системы могли теперь использовать одинаковые протоколы и стандарты для обмена информацией. В 1984 г. ISO выпустила новую версию своей модели, названную эталонной моделью взаимодействия открытых систем ISO. Эта версия стала международным стандартом. Ее спецификации используют производители при разработке сетевых продуктов, ее придерживаются при построении сетей. Полностью модель носит название ISO/OSI (Open System Interconnection Reference Model). Для краткости будем ее называть модель OSI.

Модель OSI имеет семь уровней (рис. 26). Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы. Появление именно семи уровней было обусловлено функциональными особенностями модели.

Рис. 26 Эталонная модель взаимодействия открытых систем

Определенные сетевые функции, выполняемые на каждом уровне, взаимодействуют только с функциями соседних уровней – вышестоящего и нижележащего. Каждый уровень выполняет несколько операций при подготовке данных для доставки по сети на другой компьютер. Уровни отделяются друг от друга границами – интерфейсами. Все запросы от одного уровня к другому передаются через интерфейс. Каждый уровень, выполняя свои функции, пользуется услугами нижележащего уровня. Самые нижние уровни – 1-й и 2-й – определяют физическую среду при передаче битов данных через сетевую плату и кабель. Самые верхние уровни определяют, каким способом реализуется доступ приложений к услугам связи.

Задача каждого уровня – предоставление услуг вышележащему уровню, маскируя при этом детали реализации этих услуг. Каждый уровень на компьютере-отправителе работает так, как будто он напрямую связан с соответствующим уровнем на компьютере-получателе. Эта виртуальная связь показана на рисунке пунктирными линиями. В действительности же связь осуществляется между соседними уровнями одного компьютера. ПО каждого уровня реализует определенные сетевые функции в соответствии с набором протоколов.

Перед отправкой в сеть данные разбиваются на пакеты, передаваемые между устройствами сети как единое целое. Пакет проходит последовательно все уровни ПО от прикладного до физического, при этом на каждом уровне к пакету добавляется форматирующая или адресная информация, необходимая для безошибочной передачи данных по сети. На принимающей стороне пакет также проходит через все уровни, но в обратном порядке. ПО каждого уровня анализирует информацию пакета, удаляет ту информацию, которая добавлена к пакету на, таком же уровне отправителем, и передает пакет следующему уровню. По достижении пакетом Прикладного уровня вся служебная информация будет удалена, и данные примут свой первоначальный вид.

Рассмотрим каждый из семи уровней модели OSI и услуги, которые они предоставляют смежным уровням.

Прикладной (Application) уровень представляет собой окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам. Услуги, которые он обеспечивает, напрямую поддерживают приложения пользователя. Прикладной уровень управляет общим доступом к сети, потоком данных и восстановлением данных после сбоев связи.

Уровень представления (Presentation) определяет формат, используемый для обмена данными между сетевыми компьютерами. Типичный пример работы служб представительского уровня – кодирование передаваемых данных определенным стандартным образом. Уровень представления отвечает за преобразование протоколов, трансляцию и шифрование данных, смену кодовой таблицы и расширение графических команд. Кроме того, он управляет сжатием данных для уменьшения объема передаваемых бит.

Сеансовый уровень (Session) позволяет двум приложениям разных компьютеров устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом. Сеанс может предоставлять еще и расширенный набор услуг, полезный для некоторых приложений. сеансовый уровень управляет диалогом между взаимодействующими процессами, устанавливая, какая из сторон, когда, как долго и т.д. должна осуществлять передачу.

Основная функция транспортного уровня (Transport) – принять данные от сеансового уровня, разбить их при необходимости на небольшие части и передать сетевому уровню, гарантируя, что эти части в правильном порядке прибудут по назначению. Все это должно быть сделано эффективно и так, чтобы изолировать более высокие уровни от каких-либо изменений в аппаратной технологии. Транспортный уровень также следит за созданием и удалением сетевых соединений, управляет потоком сообщений, проверяет ошибки и участвует в решении задач, связанных с отправкой и получением пакетов. Примеры протоколов транспортного уровня – TCP и SPX.

Сетевой уровень (Network) управляет операциями подсети. Он отвечает за адресацию сообщений и перевод логических адресов и имен в физические. Сетевой уровень разрешает также проблемы, связанные с разными способами адресации и разными протоколами при переходе пакетов из одной сети в другую, позволяя объединять разнородные сети. Примеры протоколов сетевого уровня – IP и IPX.

Основная задача уровня передачи данных или канального (Data Link) – преобразовать способность физического уровня передавать данные в надежную линию связи, свободную от необнаруженных ошибок с точки зрения вышестоящего сетевого уровня. Эту задачу канальный уровень выполняет при помощи разбиения входных данных на кадры размером от нескольких сот до нескольких тысяч байтов. Каждый следующий кадр данных передается только после получения и обработки кадра подтверждения, посылаемого обратно получателем. Кадр – это логически организованная структура, в которую можно помещать данные. На рис. 27 представлен простой кадр данных, где идентификатор отправителя – адрес компьютера-отправителя, а идентификатор получателя – адрес компьютера-получателя. Управляющая информация используется для маршрутизации, указания типа пакета и сегментации. CRC (Cyclical Redundancy Check – циклический код) позволяет выявить ошибки и гарантирует правильный прием информации.

Рис. 27 Кадр данных

Физический уровень (Physical) осуществляет передачу неструктурированного, сырого, потока бит по физической среде (например, по сетевому кабелю). На этом уровне реализуются электрический, оптический, механический и функциональный интерфейсы с кабелем. Физический уровень также формирует сигналы, которые переносят данные, поступившие ото всех вышележащих уровней. На этом уровне определяется способ соединения сетевого кабеля с сетевой платой и способ передачи сигналов по сетевому кабелю. Физический уровень отвечает за кодирование данных и синхронизацию бит, гарантируя, что переданная единица будет воспринята именно как единица, а не как ноль. Уровень устанавливает длительность каждого бита и способ перевода в электрические или оптические импульсы, передаваемые по сетевому кабелю.

Сетевые архитектуры – это комбинация стандартов, топологий и протоколов, необходимых для создания работоспособной сети.

Для использования сетевого ресурса необходимо получить доступ к нему. Существуют три метода доступа: множественный доступ с контролем несущей, доступ с передачей маркера, доступ по приоритету запроса. Метод доступа – набор правил, которые определяют, как компьютер должен отправлять и принимать данные по сетевому кабелю.

Компьютеры получают доступ к сети поочередно на короткое время. Обычно несколько компьютеров в сети имеют совместный доступ к кабелю. Однако если два компьютера попытаются передавать данные одновременно, их пакеты столкнутся и будут испорчены. Возникает так называемая коллизия. Все компьютеры в сети должны использовать один и тот же метод доступа, иначе произойдет сбой в работе сети, когда отдельные компьютеры, чьи методы доминируют, не позволят остальным осуществлять передачу. Множественный доступ с контролем несущей подразделяется на:

· множественный доступ с обнаружением коллизий;

· множественный доступ с предотвращением коллизий.

Рассмотрим особенности каждого метода доступа. Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD). Все компьютеры в сети – и клиенты, и серверы – прослушивают кабель, стремясь обнаружить передаваемые данные, т.е. трафик. Компьютер может начать передачу только тогда, когда убедится, что кабель свободен – трафик отсутствует. Пока кабель занят, ни один из компьютеров не может вести передачу. Если возникает коллизия, то эти компьютеры приостанавливают передачу на случайный интервал времени, а затем вновь стараются наладить связь. Причем периоды ожидания у них разные, что снижает вероятность одновременного возобновления передачи. Название метода раскрывает его суть: компьютеры как бы прослушивают кабель, отсюда – контроль несущей. Чаще всего сразу несколько компьютеров в сети хотят передать данные, отсюда множественный доступ. Прослушивание кабеля дает возможность обнаружить коллизии, отсюда обнаружение коллизий.

Способность обнаруживать коллизии ограничивает область действия самого CSMA/CD. При длине кабеля > 2,5 км механизм обнаружения коллизий становится неэффективным – некоторые компьютеры могут не услышать сигнал и начнут передачу, что приведет к коллизии и разрушению данных. CSMA/CD является состязательным методом, так как компьютеры конкурируют между собой за право передавать данные. Он является громоздким, но современные реализации настолько быстры, что пользователи не замечают, что сеть работает, используя состязательный метод. Однако чем больше компьютеров в сети, тем интенсивнее сетевой трафик, и число коллизий возрастает, а это приводит к уменьшению пропускной способности сети. Поэтому в некоторых случаях метод CSMA/CD все же оказывается недостаточно быстрым. Так, лавинообразное нарастание повторных передач способно парализовать работу всей сети. Вероятность возникновения подобной ситуации зависит от числа пользователей, работающих в сети, и приложений, с которыми они работают. Например, БД используют сеть интенсивнее, чем ТП.

Множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA). Этот метод самый непопулярный среди всех методов доступа. Каждый компьютер перед передачей данных в сеть сигнализирует о своем намерении, поэтому остальные компьютеры «узнают» о готовящейся передаче и могут избежать коллизий. Однако широковещательное оповещение увеличивает общий трафик и уменьшает пропускную способность сети. Поэтому CSMA/CA работает медленнее, чем CSMA/CD.

Доступ с передачей маркера. Суть метода заключается в следующем: пакет особого типа, маркер (token), циркулирует от компьютера к компьютеру. Чтобы послать данные в сеть, любой компьютер должен сначала «дождаться» прихода свободного маркера и «захватить» его. Захватив маркер, компьютер может передавать данные. Когда какой-либо компьютер наполнит маркер своей информацией и пошлет его по сетевому кабелю, другие компьютеры уже не смогут передавать данные, так как в каждый момент времени только один компьютер использует маркер. В сети не возникает ни состязания, ни коллизий, ни временных задержек.

Доступ по приоритету запроса (demand priority). Относительно новый метод доступа, разработанный для сети Ethernet со скоростью передачи 100 Мбит/с – 100VG-AnyLan. Он стандартизован IEEE в категории 802.12. Этот метод учитывает своеобразную конфигурацию сетей 100VG-AnyLan, которые состоят только из концентраторов и оконечных узлов. Концентраторы управляют доступом к кабелю, последовательно опрашивая каждый узел в сети и выявляя запросы на передачу. Концентратор должен знать все адреса связи и узлы и проверять их работоспособность. Оконечным узлом в соответствии со спецификацией 100VG-AnyLan может быть компьютер, мост, маршрутизатор или коммутатор. При доступе по приоритету запроса, как и при CSMA/CD, два компьютера могут конкурировать за право передать данные. Однако в этом методе реализуется принцип, по которому определенные типы данных, если возникло состязание, имеют соответствующий приоритет. Получив одновременно два запроса, концентратор вначале отдает предпочтение запросу с более высоким приоритетом. Если запросы имеют одинаковый приоритет, они будут выполнены в произвольном порядке.

Для сетей с использованием доступа по приоритету запроса разработана специальная схема кабеля, поэтому каждый компьютер может одновременно передавать и принимать данные. Применяется восьмипроводный кабель, по каждой паре проводов которого сигнал передается с частотой 25 Мгц.

Чтобы быстро, не тратя времени на ожидание, передавать информацию по сети, данные разбиваются на маленькие управляемые блоки, содержащие все необходимые сведения для их передачи. Эти блоки называются пакетами. Под термином «пакет» подразумевается единица информации, передаваемая между устройствами сети как единое целое. При разбиении данных на пакеты сетевая ОС добавляет к каждому пакету специальную управляющую информацию, которая обеспечивает передачу исходных данных небольшими блоками, сбор данных в определенном порядке (при их получении), проверку данных на наличие ошибок (после сборки).

Компоненты пакета группируются по трем разделам: заголовок, данные и трейлер.

Заголовок включает:

· сигнал о том, что передается пакет,

· адрес источника,

· адрес получателя,

· информацию, синхронизирующую передачу.

Для большинства сетей размер пакета составляет от 512 байт до 4 Кбайт.

Содержимое трейлера зависит от протокола связи (протокол – это набор правил или стандартов для осуществления связи и обмена информацией между компьютерами). Чаще всего трейлер содержит информацию для проверки ошибок, называемую избыточным циклическим кодом (Cyclical Redundancy Check, CRC). CRC – это число, получаемое в результате математических преобразований данных пакета и исходной информации. Когда пакет достигает места назначения, эти преобразования повторяются. Если результат совпадает с CRC – пакет принимается без ошибок. В противном случае передача пакета повторяется.

Формат и размер пакета зависят от типа сети. Максимальный размер пакета определяет количество пакетов, которое будет создано сетевой ОС для передачи большого блока данных.

Слово Internet происходит от выражения interconnected networks (связанные сети). Это глобальное сообщество малых и больших сетей. В широком смысле – это глобальное информационное пространство, хранящее огромное количество информации на миллионах компьютеров, которые обмениваются данными.

Доставка информации по нужному адресу выполняется с помощью маршрутизаторов, определяющих, по какому маршруту передавать информацию. Маршрутизатор – это устройство, которое работает с несколькими каналами, направляя в выбранный канал очередной блок данных. Выбор канала осуществляется по адресу, указанному в заголовке поступившего сообщения.

Различают два типа протоколов интернет: базовые и прикладные. Базовые протоколы отвечают за физическую пересылку сообщений между компьютерами в сети Internet. Это протоколы IP и TCP. Прикладными называют протоколы более высокого уровня, они отвечают за функционирование специализированных служб. Например, протокол HTTP служит для передачи гипертекстовых сообщений, протокол FTP – для передачи файлов, SMTP – для передачи электронной почты.

Набор протоколов разных уровней, работающих одновременно, называют стеком протоколов. Каждый нижележащий уровень стека протоколов имеет свою систему правил и предоставляет сервис вышележащим. Аналогично каждый протокол в стеке протоколов выполняет свою функцию, не заботясь о функциях протокола другого уровня.

Каждому компьютеру, подключенному к Интернету, присваивается идентификационный номер, который называется IP-адресом. При сеансовом подключении к Интернету IP-адрес выделяется компьютеру только на время этого сеанса. Присвоение адреса компьютеру на время сеанса связи называется динамическим распределением IP-адресов. Оно удобно для провайдера, поскольку один и тот же IP-адрес в разные периоды времени может быть выделен разным пользователям. Таким образом, Интернет-провайдер должен иметь по одному IP-адресу на каждый обслуживаемый им модем, а не на каждого клиента. IP-адрес имеет формат ххх.ххх.ххх.ххх, где ххх – числа от 0 до 255. Рассмотрим типичный IP-адрес: 193.27.61.137. Для облегчения запоминания IP-адрес обычно выражают рядом чисел в десятичной системе счисления, разделенных точками. Но компьютеры хранят его в бинарной форме.

Четыре числа в IP-адресе называются октетами, поскольку в каждом из них при двоичном представлении имеется восемь разрядов. Октеты делят на две секции: Net и Host. Net-секция используется для того, чтобы определить сеть, к которой принадлежит компьютер. Host, который называют узлом, определяет конкретный компьютер в сети.

На ранней стадии своего развития Интернет состоял из небольшого количества компьютеров, объединенных модемами и телефонными линиями. Тогда пользователи могли установить соединение с компьютером, набрав цифровой адрес. По мере увеличения их количества цифровые имена стали заменять текстовыми, потому что текстовое имя проще запомнить, чем цифровое. Возникла проблема автоматизации этого процесса, и в 1983 г. в Висконсинском университете США была создана так называемая DNS-система (Domain Name System), которая автоматически устанавливала соответствие между текстовыми именами и IP-адресами. Вместо чисел была предложена ставшая сегодня для нас привычной запись типа www. myname. gorod. ru.

В доменной системе имен реализуется принцип назначения имен с определением ответственности за их подмножество соответствующих сетевых групп. Каждая группа придерживается этого простого правила. Имена, которые она присваивает, единственны среди множества ее непосредственных подчиненных, поэтому никакие две системы, где бы они ни находились в Интернете, не смогут получить одинаковые имена.

Для перевода буквенного доменного имени в IP-адрес цифрового формата служат DNS-серверы.

Каждая страна имеет свой домен: аu – Австралия, be – Бельгия и т.д. Это географические домены верхнего уровня. Помимо географического признака используется организационный признак, в соответствии с которым существуют следующие доменные имена первого уровня:

· com – коммерческие предприятия,

· edu – образовательные учреждения,

· gov – государственные учреждения,

· mil – военные организации,

· net – сетевые образования,

· org – учреждения других организаций и сетевых ресурсов.

Внутри каждого доменного имени первого уровня находится целый ряд доменных имен второго уровня. Домен верхнего уровня располагается в имени правее, а домен нижнего уровня – левее.

Чтобы найти документ в сети Интернет, достаточно знать ссылку на него – так называемый универсальный указатель на ресурс URL (Uniform Resource Locator – унифицированный указатель ресурса), который указывает местонахождение каждого файла, хранящегося на компьютере, подключенном к Интернету. Адрес URL является сетевым расширением понятия полного имени ресурса, например, файла или приложения и пути к нему в операционной системе. В URL, кроме имени файла и директории, где он находится, указывается сетевое имя компьютера, на котором этот ресурс расположен, и протокол доступа к ресурсу, который можно использовать для обращения к нему.

В число наиболее часто используемых служб Интернет входят электронная почта, WWW, служба новостей Интернет, передача файлов по протоколу FTP, терминальный доступ по протоколу Telnet и ряд других служб.

Электронная почта возникла раньше, чем Интернет, однако она не только не устарела, но, напротив, является наиболее массовой службой Сети и постоянно приобретает новых пользователей. Электронное письмо, как и обычное, содержит адреса отправителя и получателя. В него можно вложить графическое изображение или иной файл. На него можно поставить электронную подпись, которая играет ту же роль, что и подпись в обычном письме. Адрес электронной почты имеет формат: имя пользователя @ имя домена, например [e-mail]. Часть слева от значка @ – это имя почтового ящика (E-mail Account Name) на сервере, из которого владелец этого адреса забирает письма (в данном примере – Ivanov). Как правило, имя пользователя совпадает с именем почтового ящика. Часть справа от значка @ называется доменом и указывает на местонахождение этого почтового ящика. Нужно отметить, что носителем адреса электронной почты является вовсе не конечный пункт доставки, т.е. не адрес вашего домашнего компьютера, а адрес сервера, на котором вы будете получать почту. Для передачи писем используются протокол SMTP (Simple Mail Transfer Protocol – простой протокол пересылки почты) и соответственно SMTP-серверы. Для приема почтовых сообщений в настоящее время наиболее часто используется протокол РОРЗ (Post Office Protocol – протокол почтового офиса), который контролирует право пользователя забирать почту из ящика и поэтому требует предоставления имени пользователя и пароля.

WWW – самый популярный сервис Интернета. Именно он, благодаря своей относительной простоте и наглядности для пользователей, сделал столь массовыми обращения к ресурсам Сети. В самом общем плане WWW – это система Web-серверов, поддерживающая документы, форматированные специальным образом. Пользователь с помощью клиентской программы (браузера) осуществляет запрос той или иной информации на сервере, а Web-сервер обслуживает запрос браузера. Браузер – это программа, обеспечивающая обращение к искомому ресурсу на сервере по его URL, интерпретирующая полученный результат и демонстрирующая его на клиентском компьютере. Протокол, по которому происходит доставка Web-сервером документа Web-браузеру, носит название HTTP (Hypertext Transfer Protocol – протокол передачи гипертекста). Гипертекст – это текст, содержащий гиперссылки, связывающие слова или картинки документа с другим ресурсом (с каким-нибудь еще документом или с иным разделом этого же документа), при этом подобные связанные слова или картинки документа, как правило, выделяются, обычно с помощью подчеркивания. Пользователь может активировать эту связь щелчком мыши. Поскольку современные электронные документы содержат не только текст, но и любую мультимедийную информацию (текст, графика, звук), в качестве ссылок стали использовать не только текстовые, но и графические объекты. Со временем понятие гипертекста было расширено до понятия гипермедиа. Гипермедиа – это метод организации мультимедийной информации на основе ссылок на разные типы данных.

Введем ряд определений, используемых при описании средств и методов защиты информации в системах автоматизированной обработки, построенных на основе средств вычислительной техники.

Компьютерная система (КС) – организационно-техническая система, представляющую совокупность следующих взаимосвязанных компонентов: технические средства обработки и передачи данных; методы и алгоритмы обработки в виде соответствующего программного обеспечения; данные – информация на различных носителях и находящаяся в процессе обработки; конечные пользователи – персонал и пользователи, использующие КС с целью удовлетворения информационных потребностей; объект доступа – любой элемент КС, доступ к которому может быть произвольно ограничен (файлы, устройства, каналы); субъект доступа – любая сущность, способная инициировать выполнение операций над объектом (пользователи, процессы).

Информационная безопасность – состояние КС, при котором она способна противостоять дестабилизирующему воздействию внешних и внутренних информационных угроз и при этом не создавать таких угроз для элементов самой КС и внешней среды.

Конфиденциальность информации – свойство информации быть доступной только ограниченному кругу конечных пользователей и иных субъектов доступа, прошедших соответствующую проверку и допущенных к ее использованию.

Целостность информации – свойство сохранять свою структуру и содержание в процессе хранения, использования и передачи.

Достоверность информации – свойство, выражаемое в строгой принадлежности информации субъекту, который является ее источником.

Доступ к информации – возможность субъекта осуществлять определенные действия с информацией.

Санкционированный доступ к информации – доступ с выполнением правил разграничения доступа к информации.

Несанкционированный доступ (НСД) – доступ с нарушением правил разграничения доступа субъекта к информации, с использованием штатных средств (программного или аппаратного обеспечения), предоставляемых КС.

Правила разграничения доступа – регламентация прав доступа субъекта к определенному компоненту системы.

Идентификация – получение от субъекта доступа к сведениям (имя, учетный номер и т.д.), позволяющим выделить его из множества субъектов.

Аутентификация – получение от субъекта сведений (пароль, биометрические параметры и т.д.), подтверждающих, что идентифицируемый субъект является тем, за кого себя выдает.

Угроза информационной безопасности КС – возможность воздействия на информацию, обрабатываемую КС, с целью ее искажения, уничтожения, копирования или блокирования, а также возможность воздействия на компоненты КС, приводящие к сбою их функционирования.

Уязвимость КС – любая характеристика, которая может привести к реализации угрозы.

Атака КС – действия злоумышленника, предпринимаемые с целью обнаружения уязвимости КС и получения несанкционированного доступа к информации.

Безопасная, или защищенная, КС – КС, снабженная средствами защиты для противодействия угрозам безопасности.

Комплекс средств защиты – совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих информационную безопасность.

Политика безопасности – совокупность норм и правил, регламентирующих работу средств защиты от заданного множества угроз.

Дискреционная модель разграничения доступа – способ разграничения доступа субъектов к объектам, при котором права доступа задаются некоторым перечнем прав доступа субъекта к объекту. При реализации представляет собой матрицу, строками которой являются субъекты, а столбцами – объекты; элементы матрицы характеризуют набор прав доступа.

Полномочная (мандатная) модель разграничения доступа – способ разграничения доступа субъектов к объектам, при котором каждому объекту ставится в соответствие уровень секретности, а каждому субъекту уровень доверия к нему. Субъект может получить доступ к объекту, если его уровень доверия не меньше уровня секретности объекта.

Классификация угроз может быть проведена по ряду базовых признаков.

· по природе возникновения: объективные природные явления, не зависящие от человека; субъективные действия, вызванные деятельностью человека.

· по степени преднамеренности: ошибки конечного пользователя или персонала; преднамеренного действия, для получения НСД к информации.

· по степени зависимости от активности КС: проявляющиеся независимо от активности КС (вскрытие шифров, хищение носителей информации); проявляющиеся в процессе обработки данных (внедрение вирусов, сбор «мусора» в памяти, сохранение и анализ работы клавиатуры и устройств отображения).

· по степени воздействия на КС: пассивные угрозы (сбор данных путем выведывания или подсматривания за работой пользователей); активные угрозы (внедрение программных или аппаратных закладок и вирусов для модификации информации или дезорганизации работы КС).

· по способу доступа к ресурсам КС: получение паролей и прав доступа, используя халатность владельцев и персонала, несанкционированное использование терминалов пользователей, физического сетевого адреса, аппаратного блока кодирования и др.; обход средств защиты, путем загрузки посторонней операционной защиты со сменного носителя; использование недокументированных возможностей операционной системы.

· по текущему месту расположения информации в КС: внешние запоминающие устройства; оперативная память; сети связи; монитор или иное отображающее устройство (возможность скрытой съемки работы принтеров, графопостроителей, световых панелей и т.д.).

[1] История и методология информатики / Новосибирский государственный университет; РАН, Сибирское отделение, Институт вычислительных технологий [Электронный ресурс] // www.sbras.ru / NSKseminar / upload / 200704091527140.hystory.pdf.

[2] Закарлюк, Н.М. Информатика как наука и как вид практической деятельности / Н.М. Закарлюк [Электронный ресурс] // www.ict.edu.ru/ft/004336/15.pdf

[3] Федеральный закон № 149-ФЗ от 27.07.2006 «Об информации, информационных технологиях и о защите информации» (принят ГД ФС РФ 08.07.2006)

[4] Сигнал – это изменяющийся во времени физический процесс. Такой процесс может содержать различные характеристики

[5] Носитель информации – среда для записи и хранения информации. Носителем информации может быть:

- любой материальный предмет: бумага, камень, дерево, стол, классная доска, звездная пыль, мусор на полу и т. д.;

- волны различной природы: акустическая (звук), электромагнитная (свет, радиоволна), гравитационная (давление, притяжение) и т. д.;

- вещество в различном состоянии: концентрация молекул в жидком растворе, температура и давление газа и т. д.

К машинным носителям информации относятся: перфоленты, перфокарты, магнитные ленты, магнитные диски, оптические диски и т. д.

[6] Клод Шеннон – американский инженер и математик, один из основоположников теории информации.

[7] Форм-фактор – спецификация, определяющая размеры материнской платы, расположение крепежных отверстий, сокета центрального процессора, слотов оперативной памяти, интерфейсов шин, портов ввода/вывода, разъемов для подключения питанияы

Дата добавления: 2014-01-06