Основные понятия информатики. Информационные технологии

ЛЕКЦИЯ по дисциплине «Информационные технологии» для обучающихся по направлению подготовки (специальности) 20.05.01 «Пожарная безопасность» Тема № 1 «Аппаратное обеспечение информационных технологий» Занятие № 1 «Основные понятия информатики» ВВОДНАЯ ЧАСТЬ: Актуальность: Информация - все те сведения, которые уменьшают степень неопределенности нашего знания о каком-либо объекте. А, соответственно, информационная технология - система процедур преобразования информации с целью её формирования, организации, обработки, распространения и использования. Информационные технологии - это все технологии, использующие специальные технические средства (ЭВМ, аудио, кино, видео). Когда компьютеры стали широко использоваться в процессе образования, появился термин «Новая информационная технология обучения». Информационные и коммуникационные технологии (ИКТ) - это широкий спектр цифровых технологий, используемых для создания, передачи и распространения информации и оказания услуг (компьютерное оборудование, программное обеспечение, телефонные линии, сотовая связь, электронная почта, сотовые и спутниковые технологии, сети беспроводной и кабельной связи, мультимедийные средства, а также Интернет). Применение средств ИКТ в деятельности сотрудников пожарной охраны - эффективный метод формирования активизации познавательной деятельности, а также организации творческой деятельности. После этого преподаватель озвучивает основные задачи и цели усвоения дисциплины. Задачи дисциплины «Информационные технологии»: • изучить общие сведения об информации, понятие информации, и информационных технологий, общую характеристику процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации, представление информации в ЭВМ, технические и программные средства реализации • информационных процессов, основы защиты информации и сведений, составляющих государственную тайну, информационные системы применяемые в профессиональной деятельности; • овладеть навыками работы с программами, используемы в профессиональной деятельности; • сформировать представление о направлениях развития информационных технологий в различных сферах профессиональной деятельности Цели освоения дисциплины «Информационные технологии»: • формирование мировоззрения и развитие системного мышления; • формирование практических навыков по грамотному применению необходимых для эффективного выполнения функциональных обязанностей по должностному предназначению. Значимость темы для дальнейшей практической деятельности обучающихся: Исходя из целей и задач усвоение дисциплины «Информационные технологии» можно сказать о дальнейшей значимости темы 1 «Основные понятия информатики». Прежде всего, это - создание и внедрение современных методов, технических средств и новейших информационных технологий в сферу пожарной безопасности. Литература по данной теме Основная: 1 Информатика. Базовый курс : учебное пособие : [гриф Мин. обр.] / ред. С. В. Симонович. - 3-е изд. - СПб. : Питер, 2014. - 640 с. : ил. - (Учебник для вузов) 2 Информационные технологии : учебное пособие / И. А. Коноплева, О. А. Хохлова, А. В. Денисов. - 2-е изд. - М. : Проспект, 2013. - 328 с. : рис., схемы. - Библиогр.: с. 324-325 Экземпляры: всего:8 - ЧЗ(1), АБУ(7). Дополнительная: 1 Архитектура ЭВМ и систем : учебник : [гриф Мин. обр.] / В. Л. Бройдо, О. П. Ильина. - 2-е изд. - СПб. : Питер, 2009. - 720 с. : ил. - (Учебник для вузов). Нормативно-правовая: 1 Доклад «О долгосрочных перспективах развития системы МЧС России (МЧС России - 2030) Доклад Министра РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий. М.: МЧС России, 2012» 2 Государственный доклад «О состоянии защиты населения и территорий Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в 2012 году». 3 Основы единой государственной политики РФ в области ГО на период 2020 года (утверждена Президентом РФ от 03.09.2011, № ПР-2613). 4 Стратегия инновационного развития РФ на период до 2020 года (утверждена распоряжением Правительства РФ от 08.12.2011 года, №2227-р). 5 Федеральный закон от 22.07.2008 г. №123 – ФЗ (ред.от 10.07.2012 ) «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности». 6 Закон РФ от 29 декабря 2012 года №273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» с изменениями и дополнениями на 2013 год. 7 Организационно-методические указания по подготовке те рриториальных органов, спасательных воинских формирований, подразделений федеральной противопожарной службы, военизированных горноспасательных частей, образовательных учреждений и организаций МЧС России в области гражданской обороны, предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, обеспечения пожарной безопасности и безопасности людей на водных объектах на 2014-2016 годы I. Учебные вопросы 1 учебный вопрос: Структура учебного курса и науки информатики (35 мин) Оставляя в стороне прикладные информационные технологии, опишем составные части «ядра» современной информатики. Каждая из этих частей может рассматриваться как относительно самостоятельная научная дисциплина; взаимоотношения между ними примерно такие же, как между алгеброй, геометрией и математическим анализом в классической математике - все они хоть и самостоятельные дисциплины, но, несомненно, части одной науки. Основные разделы информатики приведены на рис.1. 1. Теоретическая информатика. Это математическая дисциплина, она использует методы математики для построения и изучения моделей обработки, передачи и использования информации, создает тот теоретический фундамент, на котором строится все здание информатики. Она распадается на ряд самостоятельных дисциплин. 2. Кибернетика. Наука об управлении в живых, неживых и искусственных системах. Кибернетики может рассматриваться как прикладная информатика в области создания и использования автоматических и автоматизированных систем управления разной степени сложности, от управления отдельным объектом (станком, автомобилем и т.п.) до сложнейших систем управления целыми отраслями промышленности, банковскими системами, системами связи и даже сообществами людей. Наиболее активно развивается техническая кибернетика, результаты которой используются для целей управления в промышленности и науке. 3. Программирование. Эта дисциплина полностью связана с вычислительными машинами. Включает создание отдельных программ и пакетов прикладных программ, разработку языков программирования, создание операционных систем, организацию взаимодействия компьютеров с помощью протоколов связи. 4. Искусственный интеллект (ИИ). Основная цель работ в области ИИ – проникнуть в тайны творческой деятельности людей, их способности к овладению навыками, знаниями и умениями. ИИ занимается теоретическими и прикладными вопросами. Например, робототехникой (создание роботов), созданием баз знаний и экспертных систем на основе этих баз знаний. Некоторые из экспертных систем находят свое применение в юридической деятельности («Маньяк», «Блок» – раскрытие хищений в строительстве и т.п.) 5. Информационные системы (ИС). Человеко-машинные системы, предназначенные для хранения, поиска и выдачи информации по запросам пользователей. Современное состояние развития информационных систем и технологий в США, странах Западной Европы и Японии характеризуется, в частности, следующими тенденциями: 1. Созданием большого количества банков данных большого объема, содержащих информацию практически по всем видам деятельности общества. 2. Созданием локальных, многофункциональных проблемно-ориентированных информационных систем различного назначения. В России наблюдаются аналогичные тенденции. Созданы банки данных, содержащие научную, технологическую и другую информацию, в т.ч. правовую (системы «Кодекс», «Гарант», «КонсультантПлюс» и т.п.). В органах внутренних дел информация хранится в форме различных учетов (дактилоскопический, пофамильный, учеты похищенных и обнаруженных вещей, пулегильзотеки и др.). Часть из них переведена в электронную форму, однако это лишь относительно небольшая часть. Задача перевода всех учетов в электронную форму и организация доступа к ним через вычислительную сеть является одной из наиболее актуальных. Для организации доступа к централизованно или распределенно хранящейся информации создаются информационно-вычислительные сети разного уровня. Для этого необходима разработка специфического оборудования, программного обеспечения, развитие средств связи и коммуникации (последнее особенно актуально для России с ее большими расстояниями и традиционно плохим качеством линий связи. 6. Вычислительная техника. Развитие вычислительной техники – это самостоятельной направление, в котором часть задач не имеет прямого отношения к информатике (микроэлектроника). Однако при разработке, проектировании и производстве компьютерной техники наиболее широко используются достижения информатики. 1.2. Место информатики в системе наук Рассмотрим место науки информатики в традиционно сложившейся системе наук (технических, естественных, гуманитарных и т.д.). В частности, это позволило бы найти место общеобразовательного курса информационных технологий в ряду других учебных дисциплин. По определению Андре́я Петро́вича Ершо́ва (советский учёный, первоначальник теоретического и системного программирования, создатель Сибирской школы информатики, академик АН СССР. Его работы оказали огромное влияние на формирование и развитие вычислительной техники не только в СССР, но и во всём мире) - информатика - «фундаментальная естественная наука». Академик Бори́с Никола́евич Нау́мов (советский учёный в области автоматизации) определял информатику «как естественную науку, изучающую общие свойства информации, процессы, методы и средства ее обработки (сбор, хранение, преобразование, перемещение, выдача)». Уточним, что такое фундаментальная наука и что такое естественная наука. К фундаментальным принято относить те науки, основные понятия которых носят общенаучный характер, используются во многих других науках и видах деятельности. Нет, например, сомнений в фундаментальности столь разных наук как математика и философия. В этом же ряду и информатика, так как понятия «информация», «процессы обработки информации» несомненно имеют общенаучную значимость. Естественные науки - физика, химия, биология и другие - имеют дело с объективными сущностями мира, существующими независимо от нашего сознания. Отнесение к ним информатики отражает единство законов обработки информации в системах самой разной природы - искусственных, биологических, общественных. 2 учебный вопрос: Понятия информатика, информация (35 мин) Слово «информатика» пришло к нам из Франции и не сразу прижилось в нашей стране. Лишь с середины 70-х годов термин «информатика» прочно вошел в обиход. Информатика – это наука о преобразовании информации в существе своем базирующаяся на вычислительной технике. Преобразование информации включает в себя операции по ее сбору, хранению, переработке, передаче и отображению. Тремя основными понятиями информатики являются: информация, компьютер и алгоритм. Для термина «информация» насчитывается более 400 определений. Слово «информация» происходит от латинского слова «informatio», которым первоначально обозначался процесс передачи сообщения. Информация – это состояние осведомленности представленное в форме данных. Под информацией понимаются - сведения об окружающем мире и протекающих в нем процессов, воспринимаемых человеком или специальными устройствами для обеспечения целенаправленной деятельности. Информации присущи такие свойства, как ее своевременность, объективность и субъективность, полнота, достоверность, адекватность, доступность и актуальность. Своевременность означает получение информации в том момент времени, когда ее обработка может принести максимальный эффект. Понятие объективности информации является относительным. Более объективной принято считать ту информацию, в которую методы вносят меньший субъективный элемент. Так, например, принято считать, что в результате наблюдения фотоснимка природного объекта или явления образуется более объективная информация, чем в результате наблюдения рисунка того же объекта, выполненного человеком. Полнота информации во многом характеризует качество информации и определяет достаточность данных для принятия решений или для создания новых данных на основе имеющихся. Чем полнее данные, тем шире диапазон методов, которые можно использовать, тем проще подобрать метод, вносящий минимум погрешностей в ход информационного процесса. Достоверность информации. Данные возникают в момент регистрации сигналов, но не все сигналы являются «полезными» – всегда присутствует какой-то уровень посторонних сигналов, в результате чего полезные данные сопровождаются определенным уровнем «информационного шума». Если полезный сигнал зарегистрирован более четко, чем посторонние сигналы, достоверность информации может быть более высокой. При увеличении уровня шумов достоверность информации снижается. В этом случае для передачи того же количества информации требуется использовать либо больше данных, либо более сложные методы. Адекватность информации – это степень соответствия реальному объективному состоянию дела. Доступность информации – мера возможности получить ту или иную информацию. На степень доступности информации влияют одновременно как доступность данных, так и доступность адекватных методов для их интерпретации. Актуальность информации – это степень соответствия информации текущему моменту времени. Записывают определение: Под информационной технологией понимают совокупность технологических элементов (устройств и/или методов) и процессов, используемых людьми для обработки информации Новые информационные технологии - это специальный термин, характеризующий использование новейших для данного этапа развития достижений науки и техники в области информатизации Классификация информационных технологий ИТ в настоящее время можно классифицировать по ряду признаков, в частности (рисунок 2): способу реализации в автоматизированных информационных системах (АИС); • степени охвата АИТ задач управления; • классам реализуемых технологических операций; • типу пользовательского интерфейса; • вариантам использования сети ЭВМ; • обслуживаемой предметной области. 3. Эволюция и классификация ЭВМ (45 мин) 3.1. Эволюция ЭВМ. Предыстория информационной революции I этап. Появление речи и письменности (ок.2350 г. до н.э.). II этап. Появление книгопечатания (1445 г.). III этап. Появление средств передачи информации (почта, телеграф 1816 г.). IV этап. Появление вычислительной техники (1945 г.). Появление персонального компьютера (1975г.). Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения было создано на базе механических часов. В 1623 году его разработал Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в университете Тьюбингена (Германия). В наши дни рабочая модель устройства была воспроизведена по чертежам и подтвердила свою работоспособность. Сам изобретатель в письмах называл машину «суммирующими часами». В 1642 году французский механик Блез Паскаль (1623-1662) разработал более компактное суммирующее устройство, которое стало первым в мире механическим калькулятором, выпускавшимся серийно (главным образом для нужд парижских ростовщиков и менял). В 1673 году немецкий математик и философ Г.В.Лейбниц (1646-1717) создал механический калькулятор, который мог выполнять операции умножения и деления путем многократного повторения операций сложения и вычитания. Выдающимся английским математиком и изобретателем Чарльзом Бэббиджем (1792-1871) в его Аналитической машине, стало то, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. Возможность представления состояний элементов устройств двоичными цифрами впервые была предложена Готфридом Вильгельмом Лейбницем в 1666 году. В первой половине XIX века, английский ученый Джордж Буль, внес в науку революционные изменения. В 1945 году знаменитый математик Фон Нейман сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, на основании которых английским исследователем Морисом Уилксом в 1949 году был построен первый компьютер. Первая в Европе ЭВМ была создана в СССР в 1951 г. под руководством академика С.А.Лебедева и называлась Малая Электронная Счетная Машина – МЭСМ. Первая ПЭВМ была сконструирована американской фирмой MITS в 1975 году и названа Altair 880. В 1976 году была создана следующая ПЭВМ (С.Возняк и С.Джобс), получившая название Apple-1. Весной 1977 года теми же авторами был изготовлен относительно дешевый и вместе с тем вполне законченный персональный компьютер Apple-2, вызвавший взрыв в области ПЭВМ. Он был построен по принципу «открытой архитектуры». Этот принцип заключался в том, что пользователь мог без труда открыть компьютер и расширить его возможности, добавляя или заменяя в нем электронные платы. В начале 80-х годов в число производителей ПЭВМ влились компьютерные гиганты International Business Machine Corp. (IBM) и Hewlett Packard (НР). Это не могло не привести к структурным изменениям на рынке персональных компьютеров. Так в 1981 году IBM выпустила первую удачную 16 – разрядную модель PC (Personal Computer) и с этого момента стала флагманом в производстве не только больших, но и персональных ЭВМ. В 1983-84 появились новые модели машин этой же фирмы, а именно: PC XT (eXtended Technology) и PC AT (Advanced Technology) соответственно. Они стали неписанными стандартами в области ПЭВМ. В 1987 году на рынке ПЭВМ произошло новое потрясение – фирма IBM объявила о выпуске следующего семейства ПЭВМ –PS/2 (Personal System/2), в которое включены не только 16-ти, но и 32 – разрядные модели машин. Дальнейшие перспективы развития компьютерной техники связываются с использованием микропроцессоров Pentium, способных обрабатывать несколько команд за один тактовый цикл. Все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству x86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086, на базе которого собиралась первая модель компьютера IBM PC. Впоследствии выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium 60, 66, 75, 90, 100, 133; несколько моделей процессоров Intel Pentium MMX, модели Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III. Все эти модели, а также модели процессоров компаний AMD и Cyrix относятся к семейству x86 и обладают совместимостью по принципу «сверху вниз». 3.2.Поколение ЭВМ В соответствии с элементной базой и уровнем развития программных средств выделяют четыре реальных поколения ЭВМ, краткая характеристика которых приведена в таблице: Параметры сравнения Поколения ЭВМ первое Второе третье четвертое Период времени 1946 - 1959 1960 – 1969 1970 - 1979 с 1980 г. Элементная база (для УУ, АЛУ) Электронные (или электрические) лампы Полупроводники (транзисторы) Интегральные схемы Большие интегральные схемы (БИС) Основной тип ЭВМ Большие Малые (мини) Микро Основные устройства ввода Пульт, перфокарточный, перфоленточный ввод Добавился алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура Алфавитно-цифровой дисплей, клавиатура Цветной графический дисплей, сканер, клавиатура Основные устройства вывода Алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), перфоленточный вывод Графопостроитель, принтер Внешняя память Магнитные ленты, барабаны, перфоленты, перфокарты Добавился магнитный диск Перфоленты, магнитный диск Магнитные и оптические диски Ключевые решения в ПО Универсальные языки программирования, трансляторы Пакетные операционные системы, оптимизирующие трансляторы Интерактивные операционные системы, структурированные языки программирования Дружественность ПО, сетевые операционные системы Режим работы ЭВМ Однопрограммный Пакетный Разделения времени Персональная работа и сетевая обработка данных Цель использования ЭВМ Научно-технические расчеты Технические и экономические расчеты Управление и экономические расчеты Телекоммуникации, информационное обслуживание I   поколение (до 1959 г.)  Все ЭВМ I-го поколения были сделаны на основе (вакуумных) электронных ламп, что делало их ненадежными - лампы приходилось часто менять. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла. Притом для каждой машины использовался свой язык программирования. Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства, оперативные запоминающие устройства были реализованы на основе ртутных линий задержки электроннолучевых трубок. Эти неудобства начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров. Основные компьютеры первого поколения: 1946г. ЭНИАК В 1946 г. американские инженер-электронщик Дж. П. Эккерт и физик Дж.У. Моучли в Пенсильванском университете сконструировали, по заказу военного ведомства США, первую электронно-вычислительную машину - “Эниак” (Electronic Numerical Integrator and Computer). Которая предназначалась для решения задач баллистики. Она работала в тысячу раз быстрее, чем "Марк-1", выполняя за одну секунду 300 умножений или 5000 сложений многоразрядных чисел. Размеры: 30 м. в длину, объём - 85 м3., вес - 30 тонн. Использовалось около 20000 электронных ламп и1500 реле. Мощность ее была до 150 кВт. 1949г. ЭДСАК. Первая машина с хранимой программой - ”Эдсак” - была создана в Кембриджском университете (Англия) в 1949 г. Она имела запоминающее устройство на 512 ртутных линиях задержки. Время выполнения сложения было 0,07 мс, умножения - 8,5 мс.     1951г. МЭСМ В 1948г. году академик Сергей Алексеевич Лебедев предложил проект первой на континенте Европы ЭВМ -  Малой электронной счетно-решающей машины (МЭСМ). В 1951г. МЭСМ официально вводится в эксплуатацию, на ней регулярно решаются вычислительные задачи. Машина оперировала с 20­разрядными двоичными кодами с быстродействием 50 операций в секунду, имела оперативную память в 100 ячеек на электронных лампах. 1951г. UNIVAC-1. (Англия) В 1951 г. была создана машина “Юнивак”(UNIVAC) - первый серийный компьютер с хранимой программой. В этой машине впервые была использована магнитная лента для записи и хранения информации. 1952-1953г. БЭСМ-2 Вводится в эксплуатацию БЭСМ-2(большая электронная счетная машина) с быстродействием около 10 тыс. операций в секунду над 39-разрядными двоичными числами. Оперативная память на электронно-акустических линиях задержки - 1024 слова, затем на электронно-лучевых трубках и позже на ферритовых сердечниках. ВЗУ состояло из двух магнитных барабанов и магнитной ленты емкость свыше 100 тыс. слов. II   поколение (1960-1969) В 1958 г. в ЭВМ были применены полупроводниковые транзисторы, изобретённые в 1948 г. Уильямом Шокли, они были более надёжны, долговечны, малы, могли выполнить значительно более сложные вычисления, обладали большой оперативной памятью. 1 транзистор способен был заменить ~ 40 электронных ламп и работает с большей скоростью. Во II-ом поколении компьютеров дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты ("БЭСМ-6", "Минск-2","Урал-14") и магнитные сердечники, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.   В качестве программного обеспечения стали использовать языки программирования высокого уровня, были написаны специальные трансляторы с этих языков на язык машинных команд. Для ускорения вычислений в этих машинах было реализовано некоторое перекрытие команд: последующая команда начинала выполняться до окончания предыдущей. ЭВМ «Минск-2» эксплуатируется одной из голландских фирм Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы. Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе. III поколение (1970-1979) В 1960 г. появились первые интегральные схемы (ИС), которые получили широкое распространение в связи с малыми размерами, но громадными возможностями. ИС - это кремниевый кристалл, площадь которого примерно 10 мм2. 1 ИС способна заменить десятки тысяч транзисторов. 1 кристалл выполняет такую же работу, как и 30-ти тонный “Эниак”. А компьютер с использованием ИС достигает производительности в 10 млн. операций в секунду. В 1964 году, фирма IBM объявила о создании шести моделей семейства IBM 360 (System 360), ставших первыми компьютерами третьего поколения. Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами. Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина. Примеры машин третьего поколения — семейства IBM-360, IBM-370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др. Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.   Четвертое поколение с 1980 г. • Тип ЭВМ – ПК в сети. • Цель использования компьютера – телекоммуникации, информационное обслуживание. • Режим работы компьютера – сетевая обработка. • Интеграция данных – сверхвысокая. • Основные средства наложения информации – оптические, гибкие, жесткие диски. • Ключевые решения в обработке информации – коллективный доступ к информационным ресурсам, информационная безопасность. • Тип пользователя – мало обученные пользователи. • Расположение пользователя – произвольное, мобильное. “Иллиак”, ”Эльбрус”, ”Макинтош” 3.3. Классификация ЭВМ Существует достаточно много систем классификации компьютеров. Классификация по назначению – один из наиболее ранних методов классификации (рис.1). Он связан с тем, как компьютер применяется. Рис.2. Классификация ЭВМ по назначению Супер-ЭВМ – принято называть уникальные ЭВМ или вычислительные системы, предназначенные для решения особо сложных научно-технических и планово-экономических задач, а также задач обработки информации и управления в специальных системах реального времени (например системах противовоздушной обороны, автоматизированных системах управления дорожным движением и т.д.). Первые суперкомпьютеры имели производительность порядка 1 кфлопс, т.е. 1000 операций с плавающей точкой в секунду. Компьютер CDC 6600, имевший производительность в 1 миллион флопсов (1 Мфлопс) был создан в 1964 году. Большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции. Большие ЭВМ конструктивно выполнены в виде нескольких стоек, включая устройства ввода-вывода, а также внешние запоминающие устройства на магнитных дисках и лентах. Для установки машин требуется достаточно большое помещение, оборудованное средствами обеспечения заданного температурного режима. Обслуживание больших ЭВМ трудоемко, зато их производительность лежит в пределах от нескольких сот тысяч до нескольких миллионов команд в секунду. К большим ЭВМ относятся большинство моделей IBM 360/370 и их отечественных аналогов – ЕС ЭВМ. ЕС 1046 – производительность 1,3 млн. команд/сек; занимаемая площадь – 100 - 127 кв.м., ЕС 1066 – производительность 5,5 млн. команд/сек; занимаемая площадь – 200 – 260 кв.м., Мини-ЭВМ находят широкое применение в научно-технических и планово-экономических расчетах невысокой сложности, автоматизации экспериментальных исследований, управлении технологическими процессами и др. Наибольшее распространение в нашей стране получили мини-ЭВМ серии СМ. Средства СМ ЭВМ используются в системах управления технологическими процессами и агрегатами, автоматизации научных исследований и экспериментов, проектирования, для выполнения коммерческих и инженерных расчетов, в локальных и территориально распределенных комплексах сбора и обработки данных, в управлении объектами непромышленной сферы. ЭВМ ЕС и СМ ЭВМ являлись в свое время основными машинами, которыми оснащались вычислительные центры. Изобретение в 1969 году микропроцессора привело к появлению в 70-х годах еще одного класса ЭВМ – микро-ЭВМ. Именно наличие МП служит определяющим признаком микро-ЭВМ. Основная область применения микро-ЭВМ – автоматизация экспериментальных исследований и управленческой деятельности, управление технологическими процессами. В конце 70 гг. большое распространение получила практика встраивания микро-ЭВМ в сложные измерительные приборы и технологическое оборудование. Персональные компьютеры или персональные ЭВМ. Эта категория ЭВМ получила особо бурное развитие в течении последних двадцати лет. Из названия ясно, что такой компьютер предназначен для обслуживания одного рабочего места. Начиная с 1999 года в области персональных компьютеров начинает действовать международный сертификационный стандарт – спецификация РС99. Он регламентирует принципы классификации персональных компьютеров и оговаривает минимальные и рекомендуемые требования к каждой из этих категорий. Данный стандарт устанавливает следующие категории персональных компьютеров: Consumer PC (массовый ПК): Office PC (деловой ПК): Mobile PC (портативный ПК): Workstation PC (рабочая станция): Entertainmemt PC (развлекательный ПК). 4.Основы построения центральных устройств компьютера 4.1. Основы построения центральных устройств персонального компьютера. Для автоматизации обработки информации используются различные по назначению классы компьютеров. Персональный компьютер (ПК) - это не один электронный аппарат, а небольшой комплекс взаимосвязанных устройств, каждое из которых выполняет определенные функции. Часто употребляемый термин “конфигурация ПК” означает, что конкретный компьютер может работать с разным набором внешних (или периферийных) устройств, например, с принтером, модемом, сканером и т.д. ПК имеет 4 основные характеристики: • Производительность (быстродействие) ПК – возможность компьютера обрабатывать большие объёмы информации. • Производительность (быстродействие) процессора – количество элементарных операций выполняемых за 1 секунду. • Тактовая частота процессора (частота синхронизации) - число тактов процессора в секунду, а такт – промежуток времени (микросекунды) за который выполняется элементарная операция (например сложение).  • Разрядность процессора – max длина (кол-во разрядов) двоичного кода, который может обрабатываться и передаваться процессором целиком. • Время доступа - Быстродействие модулей оперативной памяти, это период времени, необходимый для считывание min порции информации из ячеек памяти или записи в память. • Объем памяти (ёмкость) –  max объем информации, который может храниться в ней. • Плотность записи – объем информации, записанной на единице длины дорожки (бит/мм) • Скорость обмена информации – скорость записи/считывания на носитель, которая определяется скоростью вращения и перемещения этого носителя в устройстве Настольные ПК – автономные и сетевые автоматизированные рабочие места (АРМ) экономистов, бухгалтеров, финансистов, менеджеров и других специалистов. Настольные ПК, используемые в ЛВС, называют сетевыми рабочими станциями, клиентскими компьютерами. В зависимости от модели процессора, емкости оперативной памяти (ОП), жесткого магнитного диска (ЖМД) различают офисные ПК, высокопроизводительные ПК и ПК-серверы. Рабочие (графические) станции – системы автоматизированного проектирования, издательские системы, системы для моделирования, анимации. Мощные компьютеры с большой емкостью внешней, оперативной и видеопамяти. Графические станции имеют высококачественные мониторы с размером экрана 19 и более дюймов. Серверы – мощные, надежные компьютеры, используемые в качестве файловых серверов, серверов баз данных, приложений в ЛВС, Web-серверов и др. В АИС используются серверы различной мощности – от однопроцессорных начального уровня для небольших рабочих групп (масштаба отдела, малого предприятия) до многопроцессорных, высоконадежных и высокопроизводительных уровня крупного предприятия. Большинство серверов, применяемых в АИС предприятий, построены на базе CISC-процессоров (Intel, AMD – серверы х86) и RISC-процессоров. В зависимости от используемой сетевой (серверной) операционной системы (платформы) различают Windows-, Unux- Linux-серверы. Мэйнфреймы (большие ЭВМ) – самые мощные компьютеры, применяемые в наиболее крупных банках, организациях, предприятиях, министерствах, ведомствах. Переносные (портативные) компьютеры (ноутбуки и др.) используются для выполнения различных работ руководителями, менеджерами и другими специалистами, в т.ч. в поездках, командировках, на совещаниях, а также для удаленного мобильного доступа к данным предприятия, Web-cерверам и передачи заказов, сообщений электронной почты. Бездисковые рабочие станции – ПК без ГМД, ЖМД, CD-ROM, устройств записи на магнитную ленту, компакт-диски. Используются, в основном, для ввода данных в системах централизованной обработки данных (например, АРМ операционистов автоматизированных банковских систем). Мультимедийные компьютеры – ПК с высококачественными аудио- и видеокартами, звуковыми колонками. Эти характеристики не важны для АРМ бухгалтеров, менеджеров, экономистов, финансистов, не работающих, как правило, с мультимедийными программами. Для обработки экономической, финансовой информации в большинстве АИС предприятий используются в основном настольные ПК и серверы, в наиболее крупных – мэйинфреймы. Для обеспечения высокой надежности автоматизированных банковских и других информационных систем, работающих круглосуточно 7 дней в неделю 365 дней в году, применяются кластеры из двух серверов. При аварийном сбое одного сервера кластер обеспечивает возврат приложения в рабочее состояние и его восстановление на момент сбоя на втором сервере. Серверы (узлы) кластера могут быть территориально разнесены, соединены оптическим кабелем. Например, в центральном офисе банка установлен основной сервер, а в одном из отделений – резервный. ЭВМ различаются мощностью, производительностью. Мощность ЭВМ – это совокупность характеристик, определяющая возможность использования ЭВМ для выполнения тех или иных функций, задач. Мощность ЭВМ определяют модель, тактовая частота процессора (CPU), объем оперативной памяти (оперативного запоминающего устройства – ОЗУ, RAM), объем жесткого магнитного диска (ЖМД, HDD). Производительность ЭВМ определяется по результатам тестирования с помощью соответствующих программ (времени выполнения расчетов, решения типичных задач обработки информации и т.п.). Производительность ЭВМ определяют модель, тактовая частота процессора, тип системной и локальных шин (PCI, PCI-X и др.), объем, тип оперативной памяти (DRAM, EDO RAM, SDRAM ECC, RDRAM ECC), объем ЖМД, среднее время доступа, скорость обмена данными с оперативной памятью, объем кэш-памяти (cache) второго уровня. Другие характеристики ЭВМ, в т.ч. объем видеопамяти (VRAM), скорость работы привода компакт-дисков (CD-RW/DVD-ROM) в меньшей степени влияют на производительность ЭВМ при решении экономических задач. Наряду с жесткими, гибкими и оптическими дисками для хранения информации используются: стримеры – накопители на магнитной ленте (МЛ), называемые также ленточными накопителями, магнитооптические (МО) устройства с перезаписываемыми МО-дисками, дисковые массивы RAID (объем от десятков Гбайт до нескольких Тбайт), переносные накопители со сменными магнитными дисками (ZIP-накопители 100/250 Мбайт, накопители JAZ 1/2 Гбайт). МО-диски объединяют оптический и магнитный способы записи информации (возможна перезапись информации). Они используются для резервного копирования данных, хранения (накопления) больших массивов информации. Быстродействие современных моделей МО-дисководов сопоставимо с накопителями ЖМД. Офисный ПК для автономной работы (автоматизация учета, подготовка документов, решение других экономических задач) имеет, например, следующие характеристики: процессор Intel Celeron 1.7–2.0 ГГц, ОП 128 Мбайт, ЖМД 40 Гбайт. Высокопроизводительный ПК – процессор Intel Pentiun IV 2.4–2.6 ГГц (или AMD Athlon), ОП 256-512 Мбайт, ЖМД 60 Гбайт. 4.2. Основные блоки персонального компьютера и их назначение Персональный компьютер в своем составе содержит следующие основные элементы: 4.2.1. Системный блок 4.2.2. материнская плата 4.2.3. микропроцессор; 4.2.4. жесткий диск; 4.2.5. CD-ROM; 4.2.6. Видеокарта (видеоадаптер) 4.2.7. Звуковая карта 4.2.8. Оперативная память Типовая структурная схема персонального компьютера 4.2.1. Системный блок: Критерии выбора Основные параметры корпуса — форм-фактор, материал корпуса, тип блока питания. Именно эти характеристики чаще всего определяют выбор, поэтому есть смысл рассмотреть их подробнее. Форм-фактор и габариты корпуса определяют, сколько места займет ПК на рабочем столе/под столом и какие комплектующие он вместит. Например, маленький корпус не годится для мощных игровых систем, поскольку не обеспечивает достаточно места для габаритных видеокарт/процессорного кулера, а также хорошей вентиляции. Как правило, самые крупные корпуса имеют форм-фактор Big Tower. Их ширина составляет порядка 15—20 см, а высота — 50 см и более. Эти корпуса используются в основном для мощных компьютеров с производительными комплектующими. Middle Tower — корпуса среднего размера. По ширине они чаще всего не отличаются от предыдущей категории, но их высота меньше — 40—45 см. Корпус Middle Tower способен вместить системную плату формата ATX, несколько жестких дисков, полноразмерный блок питания и хорошую систему охлаждения. Такой корпус универсален. Корпуса форм-фактора Mini Towerо бычно используются в офисах. Они небольшие. Высота такого корпуса 30—35 см — достаточно, чтобы установить один оптический привод и один-два жестких диска. Корпуса форм-фактора Micro Tower миниатюрны. Их высота составляет 20—25 см. Системную плату в такой корпус — micro-ATX, обычно в данный тип плат интегрированы большинство компонентов (видеоадаптер, звуковая карта и так далее). Корпуса Micro Tower предназначены для компьютеров, используемых в роли домашних медиацентров или для работы в офисе. Иногда для тех же целей используются горизонтальные (desktop) варианты корпуса Micro Tower. 4.2.2. Материнская плата Материнская плата - (англ. motherboard, MB; сленг. мама, мать, материнка) — это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Как правило, материнская плата содержит разъёмы (слоты) для подключения дополнительных контроллеров, для подключения которых обычно используются шины USB, PCI и PCI-Express. Конец формы Основные компоненты, установленные на материнской (системной) плате: 1. Центральный процессор —  установлен в спец. разъем и охлаждается радиатором и вентилятором. 2. Набор системной логики (англ. chipset) — набор микросхем, обеспечивающих подключение ЦПУ к ОЗУ и контроллерам периферийных устройств. Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух СБИС: «северного» и южного мостов». Именно набор системной логики определяет все ключевые особенности системной платы и то, какие устройства могут подключаться к ней. 3. Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) 4. Загрузочное ПЗУ — хранит ПО, которое исполняется сразу после включения питания. Микросхемы перепрограммируемой памяти, в которой хранятся программы BIOS, программы тестирования ПК, загрузки ОС, драйверы устройств, начальные установки.  5. Разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты)  PCI / ISA / AGP/ PCI-E,  разъемы для подключения накопителя на ГМД и ЖД. Все компоненты мат.пл. связаны между собой системой проводников (линий), по которым происходит обмен информацией. Эти линии называют информационной шиной (Bus). Взаимодействие между компонентами и устройствами ПК, подключенными к разным шинам, осуществляется с помощью мостов, реализованных на одной из микросхем Chipset. (например соединение шины ISA и PCI реализовано в микросхеме 82371АВ). Северный и Южный мост Для согласования тактовой частоты и разрядности устройств на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (их набор называется чипсетом), включающие в себя контроллер оперативной памяти и видеопамяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост) Характеристики материнской платы • Поколение процессора • Диапазон поддерживаемых процессором тактовых частот в рамках одного поколения. • Частота системной шины напрямую связана с частотой и скоростью работы процессора. • Базовый набор микросхем (chipset). От модели чипсета зависят основные характеристики мат.пл.: поддерживаемые процессоры и ОП, тип системной шины, порты внешних и внутренних устройств. На одних и тех же чипсетах строятся различными фирмами мат. платы. Существует несколько базовых чипсетов. Intel, VIA, Nvideo, Ali, Sis. • Фирма-производитель ABIT, ACORP, ASUSTEK, GIGABITE, INTEL, ELITEGROUP • Форм-фактор – способ расположения основных микросхем и слотов Baby AT, AT, ATX и ATX- Виды разъемов материнской платы Разъем для установки процессора. Для различных видов процессоров он свой. PCI – разъем обычно самый короткий на плате, белый, разделенный перемычкой на 2 части. В него может быть установлена видеокарта, звуковая карта, сетевая плата, внутренний модем, специальные карты сканеров и др. (типа PCI). Высокая производительность, автоматическая настройка подключаемых контроллеров, малая нагрузка на процессор и независимость от типа ЦП. ISA – (Industry Standart Architecture) 16 разрядная архитектура. EISA – 32х-разрядная архитектура (расширенный ISA). Более медленный интерфейс, чем предыдущий PCI. Слоты длиннее в 1,5 раза и черного цвета. К ним обычно подключается множество дополнительных карт. Обычно их 2-4 шт. В современных ПК(Р4 К7 этих медленных разъемов нет). В “минимальной комплектации” шина имеет три типа линий: * линии адресации - используемая центральным процессором или устройствами, способными инициировать сеансы DMA (Прямой доступ к памяти (англ. Direct Memory Access, DMA) — режим обмена данными между устройствами или же между устройством и основной памятью (RAM), без участия Центрального Процессора (ЦП). В результате скорость передачи увеличивается, так как данные не пересылаются в ЦП и обратно), для указания физического адреса слова ОЗУ (или начала блока слов), к которому устройство может обратиться для проведения операции чтения или записи. * линии данных - предназначенная для передачи информации. В компьютерной технике принято различать выводы устройств по назначению: одни для передачи информации (например, в виде сигналов низкого или высокого уровня), другие для сообщения всем устройствам (шина адреса) — кому эти данные предназначены. * линии управления- по которой передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию (считывание или запись информации из памяти) нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т. д. AGP (Advanced\Accelerated Graphic Port) – ускоренный графический порт. Pro (профессиональная серия). Это отдельное соединение находящееся между ЦП и графическим контроллером, что дает возможность процессору быстрее посылать команды на ИС графики, а графическому контроллеру — обмениваться данными с основной памятью со значительно большей скоростью. Позволяет подключить одно устройство, дополняя шину PCI. Предназначен для задач с графикой: 3D-игры, вывод сцен с виртуальной реальностью, сложная обработка видеоизображений (слайдов, фотографий). О выборе материнской платы • Первое, что вам нужно сделать, выбирая материнскую плату, это убедиться, что выбираемая модель совместима с процессором. • Обязательно проверьте количество слотов PCI, присутствующих в материнской плате. Этот тип разъема используется для подключения различных устройств, например, звуковой карты, видеокарты, модема и т.д. От количества  PCI – слотов будет зависеть в будущем возможность расширения конфигурации и апгрейд системы. • Материнская плата также должна иметь достаточное количество USB-портов. Они используются для подключения разнообразных периферийных устройств, таких как компьютерная мышь, клавиатура, принтер, веб-камера и т.д. • Обратите внимание, чтобы модель покупаемой материнской платы была совместима с высокопроизводительной оперативной памятью. 4.2.3. Центральный процессор Центральный процессор (ЦП, или центральное процессорное устройство — ЦПУ; англ. central processing unit, сокращенно — CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — электронный блок либо микросхема — исполнитель машинных инструкций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором. Главными характеристиками ЦПУ являются: • фирма производитель • серия • количество вычислительных ядер • тип  установочного разъема (сокет) • тактовая частота. Производитель (бренд). На сегодняшний день все центральные процессоры для настольных компьютеров и ноутбуков разделены на два больших лагеря под марками Intel и AMD, которые вместе покрывают около 92% общего мирового рынка микропроцессоров. Несмотря на то, что из них доля Intel составляет примерно 80%, эти две компании уже много лет с переменным успехом конкурируют между собой, пытаясь завлечь покупателей под свои знамена. Серия – является одной из ключевых характеристик центрального процессора. Как правило, оба производителя разделяют свою продукцию на несколько групп по их быстродействию, ориентации на разные категории пользователей и различные сегменты рынка. Каждая из таких групп составляет семейство или серию со своим отличительным названием, по которому можно понять не только ценовую нишу продукта, но и в общем, его функциональные возможности. Количество вычислительных ядер. Еще в прошлом десятилетии разделение процессоров по количеству ядер не было вовсе, так как все они были одноядерными. Но времена меняются, и сегодня одноядерные ЦП можно назвать анахронизмом, а на смену им пришли многоядерные собратья. Самыми распространёнными из них являются двух и четырехъядерные чипы. Несколько меньше распространены процессоры с тремя, шестью и восемью вычислительными ядрами. Наличие в процессоре сразу нескольких ядер призвано увеличить его производительность, и как вы понимаете, чем их больше, тем она выше. Правда при работе со старым, неоптимизированным под многоядерные вычисления, программным обеспечением это правило может и не работать. Тип разъема. Любой процессор устанавливается в системную плату, на которой для этого существует специальный разъем (гнездо) или по-другому - сокет (Socket). Процессоры разных производителей, серий и поколений устанавливаются в разные типы разъемов. Сейчас, для настольных ПК, таковых семь – четыре для чипов Intel и три для AMD. Основным и самым распространенным сокетом для центральных процессоров Intel считается LGA 1155, LGA1156, LGA1366 и LGA1155, а AMD — AM2+ и AM3. Тактовая частота – характеристика определяющая производительность процессора, измеряющаяся в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц) и показывающая то количество операций, которое он может проделать в секунду.  Правда, проводить сравнение производительности разных моделей процессоров только по показателю их тактовой частоты в корне неверно. Дело в том, что для выполнения одной операции, разным чипам может потребоваться разное количество тактов. Кроме того, современные системы при вычислениях используют конвейерную и параллельную обработки, и могут за один такт выполнить сразу несколько операций. Все это приводит к тому, что разные модели процессоров, имеющие одинаковую тактовую частоту, могут показывать совершенно различную производительность. Технологический процесс (технология производства) При производстве микросхем и в частности кристаллов микропроцессоров в промышленных условиях используется фотолитография – метод,  которым с помощью литографического оборудования на тонкую кремневую подложку наносятся проводники, изоляторы и полупроводники, которые и формируют ядро процессора. В свою очередь используемое литографическое оборудование имеет определенную разрешающую способность, которая и определяет название применяемого технологического процесса. Кремниевая пластина с чипами процессоров Intel Чем же так важен технологический процесс, с помощью которого изготавливаются процессоры? Постоянное совершенствование технологий позволяет пропорционально уменьшать размеры полупроводниковых структур, что способствует уменьшению размера процессорных ядер и их энергопотребления, а так же снижению их стоимости. В свою очередь снижение энергопотребления уменьшает тепловыделение процессора, что позволяет увеличивать их тактовую частоту, а значит и вычислительную мощность. Так же небольшое тепловыделение позволяет применять более производительные решения в мобильных компьютерах (ноутбуки, нетбуки, планшеты). Энергопотребление и тепловыделение На ранней стадии своего развития микропроцессоры потребляли совсем небольшое количество энергии. Но с ростом тактовых частот и количества транзисторов в ядре чипов, этот показатель стал стремительно расти. Практически не учитываемый на первых порах фактор энергопотребления на сегодняшний день имеет колоссальное влияние на эволюцию процессоров. Чем выше энергопотребление процессора, тем больше он выделяет тепла, которое может привести к перегреву и выходу из строя, как самого процессора, так и окружающих его микросхем. Для отведения тепла используются специальные системы охлаждения, размер которых, напрямую зависит от количества выделяемого тепла процессором. В начале 2000-ых годов тепловыделения некоторых процессоров выросло выше 150 Вт, а для их охлаждения приходилось использовать массивные и шумные вентиляторы. Более того, средняя мощность блоков питания того времени составляла 300 Вт, а это значит что более половины ее должно было уходить на обслуживание «прожорливого» процессора. Именно тогда стало понятно, что дальнейшее наращивание вычислительной мощности процессоров невозможно без снижения их энергопотребления. Разработчики были вынуждены кардинально пересмотреть процессорные архитектуры и начать активно внедрять технологии, способствующие снизить тепловыделение. Процессоры, работающие на сверхвысоких тактовых частотах, приходится остужать вот такими гигантскими системами охлаждения. Для оценки тепловыделения процессоров была введена величина, характеризующая требования к производительности систем охлаждения и получившая название TDP. TDP показывает на отвод какого количества тепла должна быть рассчитана та или иная система охлаждения при использовании с определенной моделью процессора. Например, TDP процессоров для мобильных ПК должно быть менее 45 Вт, так как использование в ноутбуках или нетбуках больших и тяжелых систем охлаждения невозможно. На сегодняшний день, в эру расцвета портативных устройств (ноутбуки, неттопы, планшеты), разработчикам удалось добиться колоссальных результатов на поприще снижения энергопотребления. Этому поспособствовали: переход на более тонкий технологический процесс при производстве кристаллов, внедрение новых материалов для снижения токов утечки, изменение компоновки процессоров, применение всевозможных датчиков и интеллектуальных систем, отслеживающих температуру и напряжения, а так же внедрение других технологий энергосбережения. Все эти меры позволяют разработчикам продолжать наращивать вычислительные мощности процессоров и использовать более производительные решения в компактных устройствах. На практике, учитывать тепловые характеристики процессора при покупке стоит, если вы хотите собрать бесшумную компактную систему, или например, желаете что бы будущий ноутбук работал как можно дольше от аккумулятора. Многоуровневый кэш Кэш — объем памяти с очень большой скоростью доступа, необходимый для ускорения обращения к данным, постоянно находящимся в памяти с меньшей скоростью доступа (оперативной памяти). При выборе процессора, помните, что увеличение размера кэш-памяти положительно влияет на производительность большинства приложений. Кэш центрального процессора различается тремя уровнями (L1, L2 и L3), располагаясь непосредственно на ядре процессора. В него попадают данные из оперативной памяти для более высокой скорости обработки. Стоит также учесть, что для многоядерных CPU указывается объем кэш-памяти первого уровня для одного ядра. Кэш второго уровня выполняет аналогичные функции, отличаясь более низкой скоростью и большим объемом. Если вы предполагаете использовать процессор для ресурсоемких задач, то модель с большим объемом кэша второго уровня будет предпочтительнее, учитывая что для многоядерных процессоров указывается суммарный объем кэша L2. Кэшем L3 комплектуются самые производительные процессоры, такие как AMD Phenom, AMD Phenom II, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7, Intel Xeon. Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может достигать 30 Мб. 4.2.4. Жесткий диск Жесткий диск — основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, а группа дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, этот «диск» имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского диска, а 2n поверхностей, где n - число отдельных дисков в группе. Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно- логическое устройство — контроллер жесткого диска. В прошлом оно представляло собой отдельную дочернюю плату, которую подключали к одному из свободных слотов материнской платы. Технологии записи данных Принцип работы жёстких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции. 4.2.5. Дисковод компакт-дисков CD-ROM Дисковод компакт-дисков CD-ROM - аббревиатура СD-RОМ(Compact Disk Read-Only Memory) переводится на русский язык как постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска. Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. Цифровая запись на компакт-диске отличается от записи на магнитных дисках очень высокой плотностью, и стандартный компакт-диск может хранить примерно 650 – 900 Мбайт данных. 4.2.6. Видеокарта (видеоадаптер) Совместно с монитором видеокарта образует видеоподсистему персонального Видеока́рта (также видео ка́рта, видеоада́птер, графический ада́птер, графи́ческая пла́та, графи́ческая ка́рта, графи́ческий ускори́тель, 3D-ка́рта)  — электронное устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти компьютера (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора. Первые мониторы, построенные на электронно-лучевых трубках, работали по телевизионному принципу сканирования экрана электронным лучом, и для отображения требовался видеосигнал, генерируемый видеокартой. Основные характеристики видеокарт: Тактовая частота видеочипа - рабочая частота GPU измеряется в мегагерцах, в миллионах тактов в секунду. Эта характеристика прямо влияет на производительность видеочипа, чем она выше, тем больший объем работы чип может выполнить в единицу времени, обработать большее количество вершин и пикселей. Скорость заполнения (филлрейт) - скорость заполнения показывает, с какой скоростью видеочип способен отрисовывать пиксели. Различают два типа филлрейта: пиксельный (pixel fill rate) и текстурный (texel rate). Количество блоков пиксельных шейдеров (или пиксельных процессоров) - пиксельные процессоры - это одни из главных блоков видеочипа, которые выполняют специальные программы, известные также как пиксельные шейдеры. Количество блоков вершинных шейдеров (или вершинных процессоров) - аналогично предыдущему пункту, эти блоки выполняют программы шейдеров, но уже вершинных. Данная характеристика важна для некоторых игр, но не так явно, как предыдущая, так как даже современными играми блоки вершинных шейдеров почти никогда не бывают загружены даже наполовину. Количество унифицированных шейдерных блоков (или универсальных процессоров) - унифицированные шейдерные блоки объединяют два типа перечисленных выше блоков, они могут исполнять как вершинные, так и пиксельные программы (а также геометрические, которые появились в DirectX 10). Блоки текстурирования (TMU) - эти блоки работают совместно с шейдерными процессорами всех указанных типов, ими осуществляется выборка и фильтрация текстурных данных, необходимых для построения сцены. Число текстурных блоков в видеочипе определяет текстурную производительность, скорость выборки из текстур. Блоки операций растеризации (ROP) - блоки растеризации осуществляют операции записи рассчитанных видеокартой пикселей в буферы и операции их смешивания (блендинга). Объем видеопамяти - собственная память используется видеочипами для хранения необходимых данных: текстур, вершин, буферов и т.п. Ширина шины памяти - ширина шины памяти является важнейшей характеристикой, влияющей на пропускную способность памяти (ПСП). Большая ширина позволяет передавать большее количество информации из видеопамяти в GPU и обратно в единицу времени, что положительно влияет на производительность в большинстве случаев. Частота видеопамяти - еще одним параметром, влияющим на пропускную способность памяти, является её тактовая частота. А как мы поняли выше, повышение ПСП прямо влияет на производительность видеокарты в 3D приложениях. Типы памяти - На видеокарты устанавливают несколько различных типов памяти. Старую SDR память с одинарной скоростью передачи мы рассматривать не будем, её уже почти нигде не встретишь. Все современные типы памяти DDR и GDDR позволяют передавать в два раза большее количество данных на той же тактовой частоте за единицу времени, поэтому цифру её рабочей частоты зачастую указывают удвоенной (умножают на два). 4.2.7. Звуковая карта Звуковая карта - (звуковая плата, аудиокарта; англ. sound card) — дополнительное оборудование персонального компьютера, позволяющее обрабатывать звук (выводить на акустические системы и/или записывать). На момент появления звуковые платы представляли собой отдельные карты расширения, устанавливаемые в соответствующий слот. 4.2.8. Оперативная память Оперативная память (RAM–Random Access Memory) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM) Динамическая оперативная память (Dynamic RAM – DRAM) используется в большинстве систем оперативной памяти персональных компьютеров. Основное преимущество этого типа памяти состоит в том, что ее ячейки упакованы очень плотно, т.е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а значит, на их основе можно построить память большей емкости. Существует тип памяти, совершенно отличный от других, - статическая оперативная память (Static RAM – SRAM). Она названа так потому, что, в отличии от динамической оперативной памяти, для сохранения ее содержимого не требуется периодической регенерации. Но это не единственное ее преимущество. SRAM имеет более высокое быстродействие, чем динамическая оперативная память, и может работать на той же частоте, что и современные Преподаватель делает выводы по четвертому учебному вопросу: 5. Основы построения периферийных устройств ПК 5.1.Устройства для ввода информации • клавиатура — основное устройство, обеспечивающее возможность ввода цифровых и буквенных символов; • мышь, трекбол, джойстик — ручные манипуляторы для управления объектами на экране; • сканер — устройство для ввода графической или текстовой информации с листа; • графический планшет — на его поверхности с помощью специального пера можно писать, рисовать, при этом изображение появляется на экране монитора; • Сенсорные устройства ввода — прикосновение пальца к такому экрану заменяет аналогичное управление с помощью мыши; (световое перо (англ. light pen, также — стило, англ. stylus) — один из инструментов ввода графических данных в компьютер, разновидность манипуляторов. Внешне имеет вид шариковой ручки или карандаша, соединённого проводом с одним из портов ввода-вывода компьютера. Обычно на световом пере имеется одна или несколько кнопок, которые могут нажиматься рукой, удерживающей перо, сенсорный экран, дигитайзер - это еще одно устройство ввода графической информации, имеющее пока сравнительно узкое применение для некоторых специальных целей. Свое название дигитайзеры получили от английского digit - цифра. То есть по-русски их можно назвать просто "оцифровыватели".) • Средство речевого ввода (микрофон) — устройство для ввода звуковой информации; • цифровые видеокамеры и фотоаппараты — обеспечивают запись изображений на жесткий диск. Сканер Сканер используется для ввода в память компьютера изображений, представленных в виде фотографий, рисунков, схем, а также для сканирования текстов, чтобы не набирать их на клавиатуре. Сканируемое изображение освещается белым цветом (черно-белые сканеры) или тремя цветами (красным, зеленым и синим). Отраженный свет проецируется на линейку с фотоэлементами, которые последовательно «считывают» изображение и преобразуют его в компьютерный форма. Существуют разные типы сканеров. • Сканер (англ. scanner, от scan «пристально разглядывать, рассматривать») — это устройство, которое, анализируя какой-либо объект (обычно изображение, текст), создаёт цифровую копию изображения объекта. Процесс получения этой копии называется сканированием. • Сканер изображений — устройство, выполняющее преобразование изображений в цифровой формат. ◦ Ручной сканер — портативная разновидность сканера. ◦ Сканер штрих-кода — устройство для считывания информации, представленной в виде штрих-кода. ◦ Сканер киноплёнки — устройство для преобразования изображения на киноплёнке в цифровые файлы высокого разрешения. • 3D-сканер — устройство для считывания формы объёмного объекта. • Биометрические сканеры используются для целей идентификации личности; например: ◦ Сканер сетчатки глаза считывает рисунок сетчатки глаза; ◦ Сканер отпечатка пальца считывает папиллярный рисунок подушечки пальца руки. • Сканер портов — программный инструмент в области сетевых технологий. • Сканеры уязвимостей — программные или аппаратные средства для диагностики сетевых компьютеров на предмет возможных проблем в системе безопасности. • Сканер в программировании — часть компилятора, осуществляющая лексический анализ. • Сканирующий радиоприёмник — радиоприёмник, осуществляющий поиск радиопередачи на заданных частотах или в заданном диапазоне. • Сканер (телепередача) — познавательная телепередача, состоящая из нескольких кратких сюжетов. 5.2. Устройства для вывода информации • монитор — на его экране отображается текстовая и графическая информация; • принтер — устройство для печати информации на бумаге; • графопостроитель (плоттер) — устройство для печати больших по размерам схем, чертежей; • устройства звукового вывода — встроенный динамик, звуковые колонки или обычные наушники (эти устройства значительно расширяют демонстрационные возможности ПК, поэтому вместе с устройством чтения компакт-дисков их относят к средствам мультимедиа). Мониторы: Имеется только два типа -  это ЭЛТ и LCD или TFT. ЭЛТ-мониторы основаны на электронно-лучевой трубке, они уже свое отживают. Их популярность падает из-за громоздкости и издаваемого излучения, они занимают много места и плохо вписываются в интерьер. Но у них есть и свой плюс - у них хорошая цветопередача, поэтому если вам компьютер нужен для профессиональной работы с цветом, то выбирайте именно ЭЛТ-монитор, так как LCD-мониторы в цветопередаче намного уступают. LCD и TFT (они же ЖК) отличаются между собой, типом матрицы, но, по сути, являются одним и тем же. Именно они сейчас и являются самыми популярными, хотя на самом деле у них куча недостатков: плохая цветопередача, небольшой угол обзора, низкое быстродействие, фиксированное разрешение, при котором не теряется качество картинки и, что немаловажно, это высокая цена. LCD-мониторы плюсы: низкое потребление энергии, компактные габариты, возможность широкой диагонали и при этом небольшого веса, абсолютно плоская поверхность, хорошая фокусировка, практически полное отсутствие излучения и многое другое. Среди моделей мониторов так же можно выделить  как с глянцевой, так и матовой поверхностью. Матовая поверхность позволяет экономить на яркости, картинка у него всегда будет ярче, чем у глянцевого, особенно это заметно в солнечную погоду. При выборе монитора также нужно обратить внимание на производителя. Среди производителей мониторов больше всего зарекомендовали себя на рынке: Acer, Philips, Samsung, LG, BenQ и NEC. Надеюсь, что все вышесказанное поможет вам в выборе, который вас в дальнейшем не разочарует. Характеристики мониторов 1. Тип матрицы — одна из важнейших характеристик мониторов. 2. Разрешение 3. Яркость 4. Контрастность 5. Количество отображаемых цветов 6. Угол обзора 7. Время реакции пиксела 8. Интерфейс монитора 9. Индивидуальные особенности мониторов Принтер Принтер (от англ. print — печать; син. печатающее устройство) — периферийное устройство компьютера, предназначенное для перевода текста или графики на физический носитель из электронного вида малыми тиражами (от единиц до сотен) без создания печатной формы. Этим принтеры отличаются от полиграфического оборудования и ризографов, которое за счёт печатной формы быстрее и дешевле на крупных тиражах (сотни и более экземпляров). По принципу переноса изображения на носитель принтеры делятся на: • ударно-шрифтовые (алфавитно-цифровые, АЦПУ) - барабанные, на основе лепесткового печатающего устройства или пишущей машинки с электромагнитным приводом. Исторические типы. Морально устарели в 1980-е годы. С начала 1990-х годов не выпускаются. • матричные; • лазерные (также светодиодные принтеры); • струйные; • сублимационные • твердочернильные • 3D принтеры По количеству цветов печати • на монохромные(одноцветные) (монохромные) • цветные. На цветных принтерах, к качестве основы цветовой модели используются цвета CMYK: • Cyan - голубой • Magenta - пурпурный • Yellow - желтый • Kobalt - черный (английское название соответствует названию тяжелого металла (кобальта), входящего в состав черных красителей) По соединению с источником данных (откуда принтер может получать данные для печати), или интерфейсу: • по проводным каналам: ◦ через SCSI кабель ◦ через последовательный порт ◦ через параллельный порт (IEEE 1284) ◦ по шине Universal Serial Bus (USB) ◦ через локальную сеть (LAN, NET) ◦ с помощью двух портов, при этом один из портов управляет приводом ЧПУ, через другой порт идут данные на печатающие головки • посредством беспроводного соединения: ◦ через ИК-порт (IRDA) ◦ по Bluetooth ◦ по Wi-Fi (в том числе с помощью AirPrint) Сетевой принтер — принтер позволяющий принимать задания на печать (см. Очередь печати) от нескольких компьютеров, подключенных к локальной сети. Программное обеспечение сетевых принтеров поддерживает один или несколько специальных протоколов передачи данных, таких как IPP. Такое решение является наиболее универсальным, так как обеспечивает возможным вывод на печать из различных операционных систем, чего нельзя сказать о Bluetooth- и USB-принтерах. Тема № 1 «Аппаратное обеспечение информационных технологий Занятие № 1.5 «Основы математической логики» 1. Основные операции алгебры логики При отработке первого учебного вопроса знакомлю курсантов с о общими понятиями форм мышления. (курсанты записывают) Логика – наука о формах и способах мышления. Алгебра логики (алгебра высказываний) — раздел математической логики, в котором изучаются логические операции над высказываниями[1]. Чаще всего предполагается, что высказывания могут быть только истинными или ложными, то есть используется так называемая бинарная или двоичная логика, в отличие от, например, троичной логики. Формальная логика существует более 2-х тыс. лет. Первые зачатки логики мы видим в работах Аристотеля (384-322г. до н.э. – греческий философ и ученый, основоположник формальной логики) Идея построения логики была предложена немецким математиком Готфридом Вильгельмом Лейбницем (1646-1716). Реализовал идеи Лейбница английский математики и логик Джордж Буль  (1815-1864г.г.) Его труды: 1. «Математический анализ логики» 1847г. 2. «логическое исчисление» 1848г. 3. «Исследование законов мышления» 1854г. Можно сказать, что Д.Буль создал алгебру в которой буквами обозначены высказывания. Высказывание – это форма мышления, в которой что-либо утверждается или отрицается о реальных предметах, как свойствах и отношениях между ними. Высказывание может быть либо истинно, либо ложно. Например: Земля - планета Солнечной системы. (Истинно.) 2 + 8 < 5 (Ложно.) 5 · 5 = 25 (Истинно.) Высказывания могут быть истинными или ложными. Истинному высказыванию соответствует значение логической переменной 1, а ложному – значение 0. В нашем случае А = 1 (истинно), В = 0 (ложно). В алгебре высказываний над высказываниями можно проводить логические операции, в результате которых получаются новые, составные высказывания. Для образования новых высказываний наиболее часто используются базовые логические операции, выражаемые с помощью логических связок «и», «или», «не» и др. В алгебре логики выделяют базовые логические операции: конъюнкция, дизъюнкция, инверсия. 1.1 Логическое умножение (конъюнкция). Объединение двух или нескольких высказываний в одно с помощью союза «и» называется операцией логического умножения или конъюнкцией. Конъюнкция - это логическая операция, ставящая в соответствие каждым двум простым (или исходным) высказываниям составное высказывание, являющееся истинным тогда и только тогда, когда оба исходных высказывания истинны. Если хотя бы одно из составляющих высказываний ложно, то и полученное из них с помощью союза «И» сложное высказывание также считается ложным. Конъюнкция - логическое умножение (от латинского conjunctio - союз, связь): • в естественном языке соответствует союзу «И»; • в алгебре высказываний обозначение «&»; • в языках программирования обозначение «And». В алгебре множеств конъюнкции соответствует операция пересече-ния множеств, т.е. множеству получившемуся в результате умножения множеств А и В соответствует множество, состоящее из элементов, принадлежащих одновременно двум множествам.  Таблица истинности Диаграмма Эйлера-Венна A B А&В 1 1 1 1 1 Итак, если два высказывания соединены союзом "И", то полученное сложное высказывание истинно тогда и только тогда, когда истинны оба исходных высказывания. 1.2. Логическое сложение (дизъюнкция). Дизъюнкция - логическое сложение (от латинского disjunctio - разобщение, различие): • в естественном языке соответствует союзу «ИЛИ»; • в алгебре высказываний обозначение «V» или «+»; • в языках программирования обозначение «Or». Дизъюнкция - это логическая операция, которая каждым двум простым (или исходным) высказываниям ставит в соответствие составное высказывание, являющееся ложным тогда и только тогда, когда оба исходных высказывания ложны и истинным, когда хотя бы одно из двух образующих его высказываний истинно. В алгебре множеств дизъюнкции соответствует операция объединения множеств, т.е. множеству получившемуся в результате сложения множеств А и В соответствует множество, состоящее из элементов, принадлежащих либо множеству А, либо множеству В.  Таблица истинности Диаграмма Эйлера-Венна A B  A + B   1  1 1  1  0  1  0  1  1  0  0  0 Итак, если два высказывания соединены союзом "ИЛИ", то полученное сложное высказывание истинно когда истинно хотя бы одно из составляющих высказываний. 1.3. Отрицание Рассмотренные выше операции были двуместными (бинарными), т.е. выполнялись над двумя операндами (высказываниями). В алгебре логики определена и широко используется и одноместная (унарная) операция отрицание. Инверсия - отрицание (от латинского disjunctio - разобщение, различие): • в естественном языке соответствует словам «неверно, что...» и частице «не»; • в алгебре высказываний обозначение «¬» или «-»; • в языках программирования обозначение «Not». Отрицание - логическая операция, которая с помощью связки «не» каждому исходному высказыванию ставит в соответствие составное высказывание, заключающееся в том, что исходное высказывание отрицается. В алгебре множеств логическому отрицанию соответствует операция дополнения до универсального множества, т.е. множеству получившемуся в результате отрицания множества А соответствует множество, дополняющее его до универсального множества.  Таблица истинности Диаграмма Эйлера-Венна A ¬ А  0  1  1  0 Итак, если исходное выражение истинно, то результат отрицания будет ложным, и наоборот, если исходное выражение ложно, то результат отрицания будет истинным. 1.4 Логическое следование (импликация): Высказывание, составленное из двух высказываний при помощи связки «если ..., то ...», называется логическим следованием, импликацией (импликация от латинского implico - тесно связываю).  A => B  "Из А следует В" Итак, новое высказывание, полученное с помощью импликации, является ложным тогда и только тогда, когда условие (посылка А) - истинно, а следствие (заключение В) - ложно и истинно во всех остальных случаях.  Пример. Дано сложное высказывание: «Если выглянет солнце, то станет тепло». Требуется записать его в виде логической формулы. Обозначим через Апростое высказывание «выглянет солнце», а через В - «станет тепло». Тогда логической формулой этого сложного высказывания будет импликация: A -> B.  1.5. Эквивалентность (логическое тождество): Высказывание, составленное из двух высказываний при помощи связки «тогда и только тогда, когда», называется эквивалентностью (эквивалентность -логическое тождество, равнозначность, взаимная обусловленность. )  A <=> B  "А равносильно В" Итак, новое высказывание, полученное с использованием эквивалентности, является истинным тогда и только тогда, когда оба исходных высказывания одновременно истинны или одновременно ложны.   В алгебре логики логические связки и соответствующие им логические операции имеют специальные названия и обозначаются следующим образом: Логическая связка Название логической операции Обозначения не Отрицание, инверсия Ø, ù и, а, но Конъюнкция, логическое умножение &, • , Ù или Дизъюнкция, логическое сложение V, + если ..., то Импликация, следование Þ,® тогда и только тогда, когда эквивалентность, эквиваленция, равнозначность Û, ~, º, « При отработке второго учебного вопроса (15 мин) Следует отработать на практике доказательство равнозначностей 2. Доказательство равнозначностей При изучении второго учебного вопроса объясняю основные законы алгебры логики. 1. Закон двойного отрицания (двойное отрицание исключает отрицание): А = . 2. Переместительный (коммутативный) закон: ◦ для логического сложения: А  B = B  A; ◦ для логического умножения: A & B = B & A. Результат операции над высказываниями не зависит от того, в каком порядке берутся эти высказывания. 3. Сочетательный (ассоциативный) закон: ◦ для логического сложения: (А  B)  C = A  (B  C); ◦ для логического умножения: (A & B) & C = A & (B & C). При одинаковых знаках скобки можно ставить произвольно или вообще опускать. 4. Распределительный (дистрибутивный) закон: ◦ для логического сложения: (А  B) & C = (A & C)  (B & C); ◦ для логического умножения: (A & B)  C = (A  C) & (B  C). Закон определяет правило выноса общего высказывания за скобку. 5. Закон общей инверсии (законы де Моргана): ◦ для логического сложения: =  &; ◦ для логического умножения: =     6. Закон идемпотентности (от латинских слов idem — тот же самый и potens — сильный; дословно — равносильный): ◦ для логического сложения: А  A = A; ◦ для логического умножения: A & A = A . Закон означает отсутствие показателей степени. 7. Законы исключения констант: ◦ для логического сложения: А  1 = 1, А  0 = A; ◦ для логического умножения: A & 1 = A, A & 0 = 0. 8. Закон противоречия: ◦ A &  = 0. Невозможно, чтобы противоречащие высказывания были одновременно истинными. 9. Закон исключения третьего: ◦ A   = 1. Из двух противоречащих высказываний об одном и том же предмете одно всегда истинно, а второе — ложно, третьего не дано. 10. Закон поглощения: ◦ для логического сложения: А  (A & B) = A; ◦ для логического умножения: A & (A  B) = A. Знание законов логики позволяет проверять правильность рассуждений и доказательств. Основываясь на законах, можно выполнять упрощение сложных логических выражений. Такой процесс замены сложной логической функции более простой, но равносильной ей, называется минимизацией функции. Некоторые преобразования логических формул похожи на преобразования формул в обычной алгебре (вынесение общего множителя за скобки, использование переместительного и сочетательного законов и т.п.), другие - основаны на свойствах, которыми не обладают операции обычной алгебры (использование распределительного закона для конъюнкции, законов поглощения, склеивания, де Моргана и др.). Нарушения законов логики приводят к логическим ошибкам и вытекающим из них противоречиям. Так же, как и в алгебре арифметики, в алгебре логики устанавливается приоритет выполнения логических операций. Они упорядочены в следующей последовательности: Упрощение формул. Пример 1. Упростить выражения  так, чтобы в полученных формулах не содержалось отрицания сложных высказываний. Решение:    Пример 2. Упростить логическое выражение. _______________ _____ F = (A v B) → (B v C) Решение (используются законы де Моргана, закон двойного отрицания, распределительный закон): _______________ _____ _____ _____ F = (A v B) → (B v C) = A v B & (B v C) = (A v B) & (B v C) = B v (A & C) Пример 3. Установить истинность высказывания Решение. X Y 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 При отработке третьего учебного вопроса (45  мин) Следует отработать и закрепить на практике основные законы алгебры логики. При отработке 3 учебного вопроса преподаватель вместе с курсантами отрабатывает на практике основные законы алгебры логики и доказательство равнозначностей (пример 1-3). Дает задания для самостоятельной работы курсантов (пример 4-12). Примеры. 1. Составим таблицу истинности для формулы , которая содержит две переменные x и y. В первых двух столбцах таблицы запишем четыре возможных пары значений этих переменных, в последующих столбцах — значения промежуточных формул и в последнем столбце — значение формулы. В результате получим таблицу: Переменные Промежуточные логические формулы Формула 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Из таблицы видно, что при всех наборах значений переменных x и y формула принимает значение 1, то есть является тождественно истинной. 2. Таблица истинности для формулы : Переменные Промежуточные логические формулы Формула 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Из таблицы видно, что при всех наборах значений переменных x и y формула принимает значение 0, то есть является тождественно ложной. 3. Таблица истинности для формулы : Переменные Промежуточные логические формулы Формула 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Из таблицы видно, что формула в некоторых случаях принимает значение 1, а в некоторых — 0, то есть является выполнимой. Некоторые преобразования логических формул похожи на преобразования формул в обычной алгебре (вынесение общего множителя за скобки, использование переместительного и сочетательного законов и т.п.), тогда как другие преобразования основаны на свойствах, которыми не обладают операции обычной алгебры (использование распределительного закона для конъюнкции, законов поглощения, склеивания, де Моргана и др.). Покажем на примерах некоторые приемы и способы, применяемые при упрощении логических формул: Примеры 4-12: 4.   (законы алгебры логики применяются в следующей последовательности: правило де Моргана, сочетательный закон, правило операций переменной с её инверсией и правило операций с константами); 5.   (применяется правило де Моргана, выносится за скобки общий множитель, используется правило операций переменной с её инверсией); 6.   (повторяется второй сомножитель, что разрешено законом идемпотенции; затем комбинируются два первых и два последних сомножителя и используется закон склеивания); 7.   (вводится вспомогательный логический сомножитель (); затем комбинируются два крайних и два средних логических слагаемых и используется закон поглощения); 8.   (сначала добиваемся, чтобы знак отрицания стоял только перед отдельными переменными, а не перед их комбинациями, для этого дважды применяем правило де Моргана; затем используем закон двойного отрицания); 9.   (выносятся за скобки общие множители; применяется правило операций с константами); 10.   (к отрицаниям неэлементарных формул применяется правило де Моргана; используются законы двойного отрицания и склеивания); 11.   (общий множитель x выносится за скобки, комбинируются слагаемые в скобках — первое с третьим и второе с четвертым, к дизъюнкции применяется правило операции переменной с её инверсией); 10.   (используются распределительный закон для дизъюнкции, правило операции переменной с ее инверсией, правило операций с константами, переместительный закон и распределительный закон для конъюнкции); 11. Составим таблицу истинности функции . 12. Заполним таблицу истинности трехместной логической функции . Эта таблица имеет вид Тема 1. Аппаратное обеспечение информационных технологий Занятие № 1.3 «Основы построения систем счисления» Назначение и возможности применяемых систем счисления. Следует изучить что же такое система счисления и для чего она служит? изучить возможности применяемых систем счисления (позиционные и непозиционные). Курсанты делают заметки в конспект. Что же такое система счисления и для чего она служит? Давайте разберемся с этими вопросами. Система счисления - это так называемая знаковая система, способ записи чисел с помощью знаков, именуемых цифрами. Система счисления: • даёт представления множества чисел (целых или вещественных); • даёт каждому числу уникальное представление (или, по крайней мере, стандартное представление); • отражает алгебраическую или арифметическую структуру чисел. Системы счисления подразделяются позиционные системы счисления, непозиционные и смешанные. Непозиционные системы счисления В ней количественный эквивалент каждой цифры, входящей в запись данного числа, не зависит от места (позиции) этой цифры в ряду других цифр. Пример: римская система счисления. В ней для записи различных целых чисел используются символы I, V, X, L, C, D, M и т.д., обозначающие соответственно 1, 5, 10, 50, 100, 500, 1000 и т.д. Например, запись MCMLXXXV означает число 1985. Общим недостатком непозиционных систем является сложность представления в них достаточно больших чисел, так как при этом получается чрезвычайно громоздкая запись чисел или требуется очень большой алфавит используемых цифр. В ЭВМ применяют только позиционные системы счисления, в которых количественный эквивалент каждой цифры алфавита зависит не только от вида этой цифры, но и от ее местоположения в записи числа. Позиционные системы счисления В позиционных системах счисления вес каждой цифры изменяется в зависимости от ее позиции в последовательности цифр, изображающих число. Любая позиционная система характеризуется своим основанием. Основание позиционной системы счисления - это количество различных знаков или символов, используемых для изображения цифр в данной системе. За основание можно принять любое натуральное число - два, три, четыре, шестнадцать и т.д. Следовательно, возможно бесконечное множество позиционных систем. Примером позиционной формы записи чисел является та, которой мы пользуемся (так называемая арабская форма чисел). Так, в числах 123 и 321 значения цифры 3, например, определяются ее положением в числе: в первом случае она обозначает три единицы (т.е. просто три), а во втором – три сотни (т.е. триста). Тогда полное число получается по формуле: где l – количество разрядов числа, уменьшенное на 1, i – порядок разряда, m – основание системы счисления, ai – множитель, принимающий любые целочисленные значения от 0 до m-1, и соответствующий цифре i-го порядка числа. Действия с числами в различенных системах счисления. 1. Перевод из 10-й в B-ричную (т.е. в любую другую) a) исходное целое число делится на основание системы счисления, в которую переводится (на 2 - при переводе в двоичную систему счисления или на 16 - при переводе в шестнадцатеричную); получается частное и остаток; b) если полученное частное меньше основания системы счисления, в которую выполняется перевод, процесс деления прекращается, переходят к шагу в). Иначе над частным выполняют действия, описанные в шаге а); c) все полученные остатки и последнее частное преобразуются в соответствии с таблицей перевода в цифры той системы счисления, в которую выполняется перевод; d) формируется результирующее число: его старший разряд – полученное последнее частное, каждый последующий младший разряд образуется из полученных остатков от деления, начиная с последнего и кончая первым. Таким образом, младший разряд полученного числа – первый остаток от деления, а старший – последнее частное. Пример 1. Выполнить перевод числа 19 в двоичную систему счисления: Таким образом, 19 = 100112. Пример 2. Перевести десятичное число 315 в восьмеричную систему счисления: Отсюда следует: 31510 = 4738 . Пример 3.  Выполнить перевод числа 19 в шестнадцатеричную систему счисления: В шестнадцатеричной системе счисления используются цифры от 0 до 9 и шесть первых латинских букв – A (10), B (11), C (12), D (13), E (14), F (15). Таким образом, 19 = 1316.         Пример 4. Выполнить перевод числа 123 в шестнадцатеричную систему счисления:        Таким образом, 123 = 7В16. Таким образом, 19 = 1316.         Преподаватель дает несколько примеров для самостоятельного вычисления: 23010→х16 (Е616) 27210→х16 (11016) 43210→х16 (1В016) 2. Перевод из В-ричной в десятичную систему счисления 1.1. Перевод из двоичной систем счисления в десятичную. Для перевода двоичного числа в десятичное необходимо это число представить в виде суммы произведений степеней основания двоичной системы счисления на соответствующие цифры в разрядах двоичного числа. Например, требуется перевести двоичное число 1010101112 в десятичное. В этом числе 9 цифр и 9 разрядов (разряды считаются, начиная с нулевого, которому соответствует младший бит). В соответствии с уже известным нам правилом представим его в виде суммы степеней с основанием 2: 1010101112 = +(1·28)+(0·27)+(1·26)+(0·25)+(1·24)+(0·23)+(1·22)+(1·21)+(1·20) = 1+2+4+16+64+266= 343210 Из этого примера видно, в частности, что десятичная система счисления более компактно отображает числа - 3 цифры (т.е. бита) вместо 8 цифр в двоичной системе счисления. Для вычислений "вручную" и решения примеров и контрольных заданий вам могут пригодиться таблицы степеней оснований изучаемых систем счисления (2, 8, 10, 16) 1.2. Перевод из восьмеричной систем счисления в десятичную. Для перевода восьмеричного числа в десятичное необходимо это число представить в виде суммы произведений степеней основания восьмеричной системы счисления на соответствующие цифры в разрядах восьмеричного числа.  Например, требуется перевести восьмеричное число 2357 в десятичное. В этом числе 4 цифры и 4 разряда ( разряды считаются, начиная с нулевого, которому соответствует младший бит). В соответствии с уже известным нам правилом представим его в виде суммы степеней с основанием 8:  23578 = (2·83)+(3·82)+(5·81)+(7·80) = 2·512 + 3·64 + 5·8 + 7·1 = 126310 Самостоятельно: 1108→х10 (7210) 1.3. Перевод из 16-ной систем счисления в десятичную. Для перевода шестнадцатеричного числа в десятичное необходимо это число представить в виде суммы произведений степеней основания шестнадцатеричной системы счисления на соответствующие цифры в разрядах шестнадцатеричного числа.  Например, требуется перевести шестнадцатеричное число F45ED23C в десятичное. В этом числе 8 цифр и 8 разрядов (помним, что разряды считаются, начиная с нулевого, которому соответствует младший бит). В соответствии с вышеуказанным правилом представим его в виде суммы степеней с основанием 16:  F45ED23C16 = (15·167)+(4·166)+(5·165)+(14·164)+(13·163)+(2·162)+(3·161)+(12·160) = 409985490810 1.4. Перевод из двоичной систем счисления в восьмеричную. Для того чтобы перевести число из двоичной системы в восьмерич­ную, необходимо выполнить следующие действия. Двигаясь от запятой влево и вправо, разбить двоичное число на группы по три разряда, допол­няя при необходимости нулями крайние левую и правую группы. Затем триаду заменить соответствующей восьмеричной цифрой. Пример. Переведем таким способом двоичное число 1010012 в восьмеричное: 101    0012 => 1  22 + 0  21 + 1  20         0  22 + 0  21 + 1  20 => 518. Для упрощения перевода можно заранее подготовить таблицу преобразования двоичных триад (групп по 3 цифры) в восьмеричные цифры: Двоичные триады 000 001 010 011 100 101 110 111 Восьмеричные цифры 1 2 3 4 5 6 7   Самостоятельно: 101012→х8 (258) 1.5. Перевод из двоичной систем счисления в шестнадцатеричную.   Для того чтобы перевести число из двоичной системы в шестнадцатеричную, выполнить следующие действия. для перевода целого двоичного числа в шестнадцатеричное его нужно разбить на группы по четыре цифры (тетрады), начиная справа, и, если в последней левой группе окажется меньше четырех цифр, дополнить ее слева нулями. Для перевода дробного двоичного числа (правильной дроби) в шестнадцатеричное необходимо разбить его на тетрады слева направо и, если в последней правой группе окажется меньше четырех цифр, то необходимо дополнить ее справа нулями. Затем надо преобразовать каждую группу в шестнадцате-ричную цифру, воспользовавшись для этого предварительно составленной таблицей соответствия двоичных тетрад и шестнадцатеричных цифр. Пример. Переведем целое двоичное число А2 = 1010012 в шестнадцатеричное: Двоичные тетрады 0010 1001 Шестнадцатеричные цифры 2 9 В результате имеем: А16 = 2916. Самостоятельно: 101012→х16 (1516) Таблица соответствия первых 17 положительных чисел основных систем счисления Двоичная система Восьмеричная система Десятичная система Шестнадцатеричная система 1 1 1 1 10 2 2 2 11 3 3 3 100 4 4 4 101 5 5 5 110 6 6 6 111 7 7 7 1000 10 8 8 1001 11 9 9 1010 12 10 A 1011 13 11 B 1100 14 12 C 1101 15 13 D 1110 16 14 E 1111 17 15 F 10000 20 16 10 2. Сложение чисел в разных позиционных системах счисления Сложение. Таблица двоичного сложения предельно проста. Только в одном случае, когда производится сложение 1+1, происходит перенос в старший разряд. Пример. Рассмотрим несколько примеров сложения двоичных чисел: 1001 1101 11111 + + + 1010 1011 1 ------ ------ --------- 10011 11000 100000   Арифметические операции в восьмеричной и шестнадцатеричной системах счисления. Аналогично можно выполнять арифметические действия в восьмеричной и шестнадцатеричной системах счисления. Необходимо только помнить, что величина переноса в следующий разряд при сложении и заем из старшего разряда при вычитании определяется величиной основания системы счисления: Самостоятельно: 1) 378 и 758 =1348; 1) A16 и F16=1916; 2) 1658 и 378=2248; 2) 1916 и C16=2516; Решение практических задач. Обучающимся раздается раздаточный материал (в электронном виде Приложение 2+ Приложение 3 – ответы) и они самостоятельно приступают к практической отработке 3 учебного вопроса. Пример 1. Х16 Х2 Х8 348→Х10 Х16 Пример 2. Х2 Х8 Х2 Х16 Х8 25616→ Х10 Х8 Пример 3. Х8 Х16 12010→Х2 Х10 Х8 Х10 Пример 4. Х8 Х16 1268→Х10 Х2 Х8 Пример 5. 1Е416 + FAC16 ------------------- Х10 Пример 6. 1416 + AC16 ------------------- Х2 Пример 7. 1112 + 758 + 3410 ------------------- Х16 Тема № 4 «Информационные системы» Занятие № 1 «Общая характеристика информационных систем» Литература Основная: 1. Информатика. Базовый курс : учебное пособие : [гриф Мин. обр.] / ред. С. В. Симонович. - 3-е изд. - СПб. : Питер, 2014. - 640 с. : ил. - (Учебник для вузов) 2. Информационные технологии : учебное пособие / И. А. Коноплева, О. А. Хохлова, А. В. Денисов. - 2-е изд. - М. : Проспект, 2013. - 328 с. : рис., схемы. - Библиогр.: с. 324-325 Экземпляры: всего:8 - ЧЗ(1), АБУ(7). Дополнительная: 2. Базы данных : учебное пособие : [гриф МЧС] / А. Ю. Иванов ; МЧС России. - СПб. : СПбУ ГПС МЧС России, 2010. - 204 с. I. Учебные вопросы Вводная часть (15 минут) Актуальность изучения данной темы заключается в том, что в Государственном докладе «О состоянии защиты населения и территорий Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в 2012году» сказано, что в 2012 году произошло 228 ЧС техногенного характера, в результате которых погибло 600 человек, пострадало 24 075 человек при этом одним из основных источников возникновения техногенных ЧС назван высокий уровень износа основных и производственных фондов и систем защиты. Поэтому необходимо уметь работать с разнообразными автоматизированными системами, оценивать причины нормальной их работы, так и при повреждении. После этого преподаватель переходит к рассмотрению история развития информационных систем Этапы развития информационных систем История развития информационных систем и цели их использования на разных периодах представлены в таблице ниже Период времени Концепция использования информации Вид информационных систем Цель использования 1950 - 1960 гг. Бумажный поток расчетных документов Информационные системы обработки расчетных документов на электромеханических бухгалтерских машинах Повышение скорости обработки документов Упрощение процедуры обработки счетов и расчета зарплаты 1960 - 1970 гг. Основная помощь в подготовке отчетов Управленческие информационные системы для производственной информации Ускорение процесса подготовки отчетности 1970 - 1980 гг. Управленческий контроль реализации (продаж) Системы поддержки принятия решений Системы для высшего звена управления Выборка наиболее рационального решения 1980 - 2000 гг. Информация - стратегический ресурс, обеспечивающий конкурентное преимущество Стратегические информационные системы Автоматизированные офисы Выживание и процветание фирмы Первые информационные системы появились в 50-х гг. В эти годы они были предназначены для обработки счетов и расчета зарплаты, а реализовывались на электромеханических бухгалтерских счетных машинах. Это приводило к некоторому сокращению затрат и времени на подготовку бумажных документов. 60-е гг. знаменуются изменением отношения к информационным системам. Информация, полученная из них, стала применяться для периодической отчетности по многим параметрам. Дня этого организациям требовалось компьютерное оборудование широкого назначения, способное обслуживать множество функций, а не только обрабатывать счета и считать зарплату, как было ранее. В 70-х - начале 80-х гг. информационные системы начинают широко использоваться в качестве средства управленческого контроля, поддерживающего и ускоряющего процесс принятия решений. К концу 80-х гг. концепция использования информационных систем вновь изменяется. Они становятся стратегическим источником информации и используются на всех уровнях организации любого профиля. Информационные системы этого периода, предоставляя вовремя нужную информацию, помогают организации достичь успеха в своей деятельности, создавать новые товары и услуги, находить новые рынки сбыта, обеспечивать себе достойных партнеров, организовывать выпуск продукции по низкой цене и многое другое. 1. Понятийный аппарат информационных систем (45 минут) Термин информационная система (ИС) используется как в широком, так и в узком смысле. В широком смысле информационная система есть совокупность технического, программного и организационного обеспечения, а также персонала, предназначенная для того, чтобы своевременно обеспечивать надлежащих людей надлежащей информацией. Также в достаточно широком смысле трактует понятие информационной системы Федеральный закон РФ от 27 июля 2006 года № 149-ФЗ «Об информации, информационных технологиях и о защите информации»: «информационная система — совокупность содержащейся в базах данных информации и обеспечивающих её обработку информационных технологий и технических средств». Одно из наиболее широких определений ИС дал М. Р. Когаловский (Михаил Рувимович Когаловский — российский учёный в области баз данных и информационных систем, ведущий научный сотрудник Института проблем рынка РАН.): «информационной системой называется комплекс, включающий вычислительное и коммуникационное оборудование, программное обеспечение, лингвистические средства и информационные ресурсы, а также системный персонал и обеспечивающий поддержку динамической информационной модели некоторой части реального мира для удовлетворения информационных потребностей пользователей». Стандарт ISO/IEC 2382-1 дает следующее определение: «Информационная система — система обработки информации, работающая совместно с организационными ресурсами, такими как люди, технические средства и финансовые ресурсы, которые обеспечивают и распределяют информацию». Российский ГОСТ РВ 51987 определяет информационную систему как «автоматизированную систему, результатом функционирования которой является представление выходной информации для последующего использования». В узком смысле информационной системой называют только подмножество компонентов ИС в широком смысле, включающее базы данных, СУБД и специализированные прикладные программы. ИС в узком смысле рассматривают как программно-аппаратную систему, предназначенную для автоматизации целенаправленной деятельности конечных пользователей, обеспечивающую, в соответствии с заложенной в неё логикой обработки, возможность получения, модификации и хранения информации. В любом случае основной задачей ИС является удовлетворение конкретных информационных потребностей в рамках конкретной предметной области. Современные ИС де-факто немыслимы без использования баз данных и СУБД, поэтому термин «информационная система» на практике сливается по смыслу с термином «система баз данных». Ба́за да́нных — представленная в объективной форме совокупность самостоятельных материалов (статей, расчётов, нормативных актов, судебных решений и иных подобных материалов), систематизированных таким образом, чтобы эти материалы могли быть найдены и обработаны с помощью электронной вычислительной машины (ЭВМ) (Гражданский кодекс РФ, ст. 1260). Другие определения из авторитетных монографий и стандартов: База данных — организованная в соответствии с определёнными правилами и поддерживаемая в памяти компьютера совокупность данных, характеризующая актуальное состояние некоторой предметной области и используемая для удовлетворения информационных потребностей пользователей. База данных — совокупность данных, хранимых в соответствии со схемой данных, манипулирование которыми выполняют в соответствии с правилами средств моделирования данных. Система управления базами данных (СУБД) - программное обеспечение (ПО), с помощью которого пользователи могут определять, создавать и поддерживать базу данных, а также получать к ней контролируемый доступ. Классификации информационных систем Классификация по архитектуре По степени распределённости отличают: • настольные (desktop), или локальные ИС, в которых все компоненты (БД, СУБД, клиентские приложения) находятся на одном компьютере; • распределённые (distributed) ИС, в которых компоненты распределены по нескольким компьютерам. Распределённые ИС, в свою очередь, разделяют на: • файл-серверные ИС (ИС с архитектурой «файл-сервер»); • клиент-серверные ИС (ИС с архитектурой «клиент-сервер»). В файл-серверных ИС база данных находится на файловом сервере, а СУБД и клиентские приложения находятся на рабочих станциях. В клиент-серверных ИС база данных и СУБД находятся на сервере, а на рабочих станциях находятся клиентские приложения. В свою очередь, клиент-серверные ИС разделяют на двухзвенные и многозвенные. В двухзвенных (англ. two-tier) ИС всего два типа «звеньев»: сервер баз данных, на котором находятся БД и СУБД (back-end), и рабочие станции, на которых находятся клиентские приложения (front-end). Клиентские приложения обращаются к СУБД напрямую. В многозвенных (англ. multi-tier) ИС добавляются промежуточные «звенья»: серверы приложений (application servers). Пользовательские клиентские приложения не обращаются к СУБД напрямую, они взаимодействуют с промежуточными звеньями. Типичный пример применения многозвенности — современные веб-приложения, использующие базы данных. В таких приложениях помимо звена СУБД и клиентского звена, выполняющегося в веб-браузере, имеется как минимум одно промежуточное звено — веб-сервер с соответствующим серверным программным обеспечением. Классификация по степени автоматизации По степени автоматизации ИС делятся на: • автоматизированные: информационные системы, в которых автоматизация может быть неполной (то есть требуется постоянное вмешательство персонала); • автоматические: информационные системы, в которых автоматизация является полной, то есть вмешательство персонала не требуется или требуется только эпизодически. «Ручные ИС» («без компьютера») существовать не могут, поскольку существующие определения предписывают обязательное наличие в составе ИС аппаратно-программных средств. Вследствие этого понятия «автоматизированная информационная система», «компьютерная информационная система» и просто «информационная система» являются синонимами. Классификация по характеру обработки данных По характеру обработки данных ИС делятся на: • информационно-справочные, или информационно-поисковые ИС, в которых нет сложных алгоритмов обработки данных, а целью системы является поиск и выдача информации в удобном виде; • ИС обработки данных, или решающие ИС, в которых данные подвергаются обработке по сложным алгоритмам. К таким системам в первую очередь относят автоматизированные системы управления и системы поддержки принятия решений. Классификация по сфере применения Поскольку ИС создаются для удовлетворения информационных потребностей в рамках конкретной предметной области, то каждой предметной области (сфере применения) соответствует свой тип ИС. Перечислять все эти типы не имеет смысла, так как количество предметных областей велико, но можно указать в качестве примера следующие типы ИС: • Экономическая информационная система — информационная система, предназначенная для выполнения функций управления на предприятии. • Медицинская информационная система — информационная система, предназначенная для использования в лечебном или лечебно-профилактическом учреждении. • Географическая информационная система — информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных (пространственных данных). Классификация по охвату задач (масштабности • Персональная ИС предназначена для решения некоторого круга задач одного человека. • Групповая ИС ориентирована на коллективное использование информации членами рабочей группы или подразделения. • Корпоративная ИС в идеале охватывает все информационные процессы целого предприятия, достигая их полной согласованности, безызбыточности и прозрачности. Такие системы иногда называют системами комплексной автоматизации предприятия. Виды баз данных Существует огромное количество разновидностей баз данных, отличающихся по различным критериям. Например, в «Энциклопедии технологий баз данных», определяются свыше 50 видов БД. Основные классификации приведены ниже. Классификация по модели данных • Иерархическая • Объектная и объектно-ориентированная • Объектно-реляционная • Реляционная • Сетевая • Функциональная. Иерархическая модель данных — логическая модель данных в виде древовидной структуры, представляющая собой совокупность элементов, расположенных в порядке их подчинения от общего к частному и образующих перевернутое дерево (граф). Данная модель характеризуется такими параметрами, как уровни, узлы, связи. Принцип работы модели таков, что несколько узлов более низкого уровня соединяется при помощи связи с одним узлом более высокого уровня. Узел — информационная модель элемента, находящегося на данном уровне иерархии.  Организация данных в СУБД иерархического типа определяется в терминах: элемент, агрегат, запись (группа), групповое отношение, база данных. • Атрибут (элемент данных) - наименьшая единица структуры данных. Обычно каждому элементу при описании базы данных присваивается уникальное имя. По этому имени к нему обращаются при обработке. Элемент данных также часто называют полем. • Запись - именованная совокупность атрибутов. Использование записей позволяет за одно обращение к базе получить некоторую логически связанную совокупность данных. Именно записи изменяются, добавляются и удаляются. Тип записи определяется составом ее атрибутов. Экземпляр записи - конкретная запись с конкретным значением элементов • Групповое отношение - иерархическое отношение между записями двух типов. Родительская запись (владелец группового отношения) называется исходной записью, а дочерние записи (члены группового отношения) - подчиненными. Иерархическая база данных может хранить только такие древовидные структуры. Недостатки К основным недостаткам иерархических моделей следует отнести: неэффективность, медленный доступ к сегментам данных нижних уровней иерархии, четкая ориентация на определенные типы запросов и др. Также недостатком иерархической модели является ее громоздкость для обработки информации с достаточно сложными логическими связями, а также сложность понимания для обычного пользователя. Иерархические СУБД быстро прошли пик популярности, которая обусловливалась их ранним появлением на рынке. Затем их недостатки сделали их неконкурентоспособными, и в настоящее время иерархическая модель представляет исключительно исторический интерес. Сетевая модель данных — логическая модель данных, являющаяся расширением иерархического подхода, строгая математическая теория, описывающая структурный аспект, аспект целостности и аспект обработки данных в сетевых базах данных. Разница между иерархической моделью данных и сетевой состоит в том, что в иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка, а в сетевой структуре данных у потомка может иметься любое число предков. Сетевая БД состоит из набора экземпляров определенного типа записи и набора экземпляров определенного типа связей между этими записями. Недостатки Недостатком сетевой модели данных являются высокая сложность и жесткость схемы БД, построенной на ее основе. Поскольку логика процедуры выборки данных зависит от физической организации этих данных, то эта модель не является полностью независимой от приложения. Другими словами, если необходимо изменить структуру данных, то нужно изменить и приложение. Объектно-ориентированная база данных (ООБД) — база данных, в которой данные моделируются в виде объектов, их атрибутов, методов и классов. Достоинства модели ООБД Объектно-ориентированные базы данных позволяют представлять сложные объекты более непосредственным образом, нежели реляционные системы. Остановимся на некоторых имеющихся достижениях в области ООБД. Системы ООБД позволяют пользователям определять абстракции; облегчают проектирование некоторых связей; устраняют потребность в определяемых пользователями ключах; поддерживают новый набор предикатов сравнения; в некоторых случаях устраняют потребность в соединениях; в некоторых ситуациях обеспечивают более высокую производительность, нежели системы, основанные на реляционной модели; обеспечивают поддержку версий и длительных транзакций. Недостатки модели ООБД В объектно-ориентированных базах данных отсутствуют базовые средства, к которым пользователи систем баз данных привыкли и поэтому ожидают видеть. Среди прочего, можно отметить: отсутствие интероперабельности между РБД и ООБД; минимальную оптимизацию запросов; отсутствие стандартной алгебры запросов; отсутствие средств обеспечения запросов; отсутствие поддержки представлений; проблемы с безопасностью; отсутствие поддержки динамических изменений определений классов; ограниченная поддержка ограничений целостности; и т.д. 2. Уровни представления данных (15 минут) Второй учебный вопрос изучается на примере реляционной модели баз данных. Реляционная модель данных (РМД) — логическая модель данных, прикладная теория построения баз данных, которая является приложением к задачам обработки данных таких разделов математики как теории множеств и логика первого порядка. На реляционной модели данных строятся реляционные базы данных. Реляционная база данных - это совокупность отношений, содержащих всю информацию, которая должна храниться в БД. Однако пользователи могут воспринимать такую базу данных как совокупность таблиц. Основными понятиями реляционных баз данных являются: тип данных, домен, атрибут, кортеж, первичный ключ и отношение. Отношение. Плоская таблица, состоящая из столбцов и строк. В любой реляционной СУБД предполагается, что пользователь воспринимает базу данных как набор таблиц. Однако следует подчеркнуть, что это восприятие относится только к логической структуре базы данных, т.е. к внешнему и к концептуальному уровням архитектуры ANSI-SPARC. Подобное восприятие не относится к физической структуре базы данных, которая может быть реализована с помощью различных структур хранения. Атрибут. Именованный столбец отношения. В реляционной модели отношения используются для хранения информации об объектах, представленных в базе данных. Отношение обычно имеет вид двумерной таблицы, в которой строки соответствуют отдельным записям, а столбцы — атрибутам. При этом атрибуты могут располагаться в любом порядке — независимо от их переупорядочииания отношение будет оставаться одним и тем же, а потому иметь тот же смысл. Тип данных Понятие тип данных в реляционной модели данных полностью адекватно понятию типа данных в языках программирования. Обычно в современных реляционных БД допускается хранение символьных, числовых данных, битовых строк, специализированных числовых данных (таких как "деньги"), а также специальных "темпоральных" данных (дата, время, временной интервал). В нашем примере мы имеем дело с данными трех типов: строки символов, целые числа и "деньги". Домен Набор допустимых значений одного или нескольких атрибутов. Понятие домена более специфично для баз данных, хотя и имеет некоторые аналогии с подтипами в некоторых языках программирования. В самом общем виде домен определяется заданием некоторого базового типа данных, к которому относятся элементы домена, и произвольного логического выражения, применяемого к элементу типа данных. Если вычисление этого логического выражения дает результат "истина", то элемент данных является элементом домена. Наиболее правильной интуитивной трактовкой понятия домена является понимание домена как допустимого потенциального множества значений данного типа. Схема отношения, схема базы данных Схема отношения - это именованное множество пар имя атрибута, имя домена (или типа, если понятие домена не поддерживается). Степень, или "арность" схемы отношения,- мощность этого множества. Схема БД (в структурном смысле) - это набор именованных схем отношений. Кортеж, отношение Кортеж, соответствующий данной схеме отношения, - это множество пар имя атрибута, значение, которое содержит одно вхождение каждого имени атрибута, принадлежащего схеме отношения. "Значение" является допустимым значением домена данного атрибута (или типа данных, если понятие домена не поддерживается). Тем самым, степень, или "арность" кортежа, т.е. число элементов в нем, совпадает с "арностью" соответствующей схемы отношения. Т. е. кортеж - это набор именованных значений заданного типа. Отношение - это множество кортежей, соответствующих одной схеме отношения. 3.Содержание и порядок создания баз данных (10 минут) Изучения создание и содержание создания баз данных мы будем на примере СУБД Microsoft Access 2007 (в дальнейшем Access) предназначена для работы с реляционными базами данных. Эта СУБД входит в программный комплекс Microsoft Office (в вариантах Professional, Premium и Developer), компоненты которого работают в среде Windows. Access предназначен для выполнения, по крайней мере, пяти основных задач: 1. Управление базами данных. Используя различные меню и панели инструментов, можно получать непосредственный доступ к данным из самых разных источников компьютера и сетей. 2. Мощное средство отчетности. Даже если приложение Access не используется для ввода и извлечения данных, средства отчетности Access вполне можно применять для анализа данных. Отчеты Access гораздо легче сортировать и просматривать, чем отчеты других приложений. 3. Средство для создания динамических Web-страниц. Можно создавать Web-страницы, в которых изменения баз данных, лежащих в их основе, будут отражаться автоматически. 4. Среда для разработки приложений баз данных. Несмотря на то, что с помощью других инструментов разработки можно создавать более компактные и быстрые приложения, посредством одной только программы Access создаются полнофункциональные приложения баз данных, включая приложения клиент/сервер. Располагая программой Office Developer, можно распределять эти приложения среди пользователей, не имеющих собственных копий Access. 5. Инструмент для создания прототипов приложений. Даже если для создания приложений решено использовать Visual Basic, C++ или какой-то иной язык, с помощью Access можно испытывать прототипы создаваемых приложений. Access имеет инструментальные средства для создания: локальной БД, централизованной БД в локальной сети с файловым сервером, проектов (клиентских приложений, работающих с базами данных Microsoft SQL Server. Access позволяет осуществлять восстановление БД, сжатие БД, репликацию БД, защиту БД. Дает возможность конвертировать БД из предыдущих версий в текущую и наоборот. СУБД Access ориентирована на работу с объектами БД, к которым относятся таблицы, запросы, формы, отчеты, страницы, макросы и модули. Таблица - это основная структура, предназначенная для хранения информации в БД. По терминологии СУБД ее строки - это записи, а столбцы - поля БД. Записи идентифицируются по некоторой уникальной характеристике, включающей одно или несколько полей и называемой ключом. Запрос - это требование на: отбор данных, хранящихся в таблицах; выполнение вычислений над данными; изменения в БД. Форма - созданный на экране шаблон, используемый, главным образом, для ввода, просмотра и редактирования записей БД. Отчет - отображение на принтере или на экране информации из БД в виде, удобном для ее восприятия и анализа пользователем. Страница доступа к данным - диалоговая Web-страница, которая поддерживает динамическую связь с БД и позволяет просматривать, редактировать и вводить данные в базу, работая в окне браузера. Макрос - есть последовательность макрокоманд для автоматизации выполнения операций в среде Access без программирования. Модуль - это программа для работы с БД, написанная на языке Visual Basic for Applications (VBA). Объекты БД могут быть объединены в именованные группы объектов по функциональному или иному признаку. Все объекты, за исключением страниц доступа к данным, можно хранить в одном файле - файле БД с расширением .mdb. Это упрощает их перенос с компьютера на компьютер, облегчает создание связанных объектов, проверку целостности данных. Страницы сохраняются как самостоятельные файлы с расширением .html отдельно от БД, с которой они связаны. Отчеты можно сохранять в файле с расширением .snp (формат снимка отчета) и распространять среди пользователей по электронной почте. С целью защиты форм, отчетов и модулей VBA БД может быть сохранена в файле приложения с расширением .mde. При этом БД сжимается, оптимизируется использование памяти и повышается быстродействие БД. Проект размещается в файле с расширением .adp на компьютере пользователя. Тема № 6 «Работа с ресурсами информационно-вычислительных сетей» Занятие № 6.1 «Общая характеристика информационно-вычислительных сетей» Литература Основная: 3. Информатика. Базовый курс : учебное пособие : [гриф Мин. обр.] / ред. С. В. Симонович. - 3-е изд. - СПб. : Питер, 2014. - 640 с. : ил. - (Учебник для вузов) Дополнительная: 3. Программно-аппаратные средства обеспечения информационной безопасности вычислительных сетей : учебное пособие для вузов / ред., В. В. Платонов. - М. : ACADEMIA, 2013. - 240 с. : рис., табл. - (Высшее профессиональное образование) 4. Телекоммуникационные системы и сети : учебное пособие в 3-х т. : [гриф УМО]. Т. 3. Мультисервисные сети / В. В. Величко [и др.] ; ред. В. П. Шувалов. - М. : Горячая линия - Телеком, 2011 Нормативно-правовая: 1. Доклад «О долгосрочных перспективах развития системы МЧС России (МЧС России - 2030) Доклад Министра РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий. М.: МЧС России, 2012» 2. Государственный доклад «О состоянии защиты населения и территорий Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в 2012 году». 3. Основы единой государственной политики РФ в области ГО на период 2020 года (утверждена Президентом РФ от 03.09.2011, № ПР-2613). 4. Стратегия инновационного развития РФ на период до 2020 года (утверждена распоряжением Правительства РФ от 08.12.2011 года, №2227-р). 5. Федеральный закон от 22.07.2008 г. №123 – ФЗ (ред.от 10.07.2012 ) «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности». 6. Закон РФ от 29 декабря 2012 года №273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» с изменениями и дополнениями на 2013 год. ВВОДНАЯ ЧАСТЬ: Актуальность: На сегодняшний день в мире существует более 130 миллионов компьютеров и более 80 % из них объединены в различные информационно-вычислительные сети от малых локальных сетей в офисах до глобальных сетей типа Internet. Всемирная тенденция к объединению компьютеров в сети обусловлена рядом важных причин, таких как ускорение передачи информационных сообщений, возможность быстрого обмена информацией между пользователями, получение и передача сообщений (факсов, E - Mail писем и прочего) не отходя от рабочего места, возможность мгновенного получения любой информации из любой точки земного шара, а так же обмен информацией между компьютерами разных фирм производителей работающих под разным программным обеспечением. Информационно вычислительная сеть (ИВС) — локальная компьютерная сеть, имеющая весьма развитую инфраструктуру. В её состав, как правило, входят информационные системы (Интернет сайты, системы информационного оповещения и связи), системы электронного документооборота, файловые хранилища, и т.д. Сутью ИВС является централизация всех информационных процессов организации или предприятия. Значимость темы для дальнейшей практической деятельности обучающихся: Специфика современных проявлений преступности, изменения в ее структуре, когда все более значительное место занимает деятельность организованных, прекрасно технически оснащенных групп, располагающих значительной материальной базой, требует увеличения объема специальных познаний, повышения оперативности и расширения сферы их применения. Кроме того, объективизация процесса расследования как неотъемлемая часть гуманизации уголовного процесса, правовой реформы - невозможна без повышения значимости вещественных доказательств, их всестороннего и полного использование в доказывании, чему как раз способствует внедрение в судебно-эксперт­ную деятельность достижений современных технологий, и прежде всего, информационных. II. Учебные вопросы 1. Основные термины и определения (20 минут) История: Эволюция компьютерных сетей началась в 50-х годах прошлого века. Развитие компьютерных сетей сопряжено с развитием вычислительной техники и телекоммуникаций. Компьютерные сети могут рассматриваться как средство передачи информации на большие расстояния, для чего в них применяются методы кодирования и мультиплексирования данных, получившие развитие в различных телекоммуникационных системах. Хронология важнейших событий из истории развития компьютерных сетей: Период Время Первые глобальные связи компьютеров, первые эксперименты с пакетными сетями Конец 60-х Начало передач по телефонным сетям голоса в цифровой форме Конец 60-х Появление больших интегральных схем, первые мини-компьютеры, первые нестандартные локальные сети Начало 70-х Создание сетевой архитектуры IBM SNA 1974 Стандартизация технологии Х.25 1974 Появление персональных компьютеров, создание Интернета в современном виде, установка на всех узлах стека TCP/IP Начало 80-х Появление стандартных технологий локальных сетей (Ethernet — 1980 г., Token Ring, FDDI — 1985 г.) Середина 80-х Начало коммерческого использования Интернета Конец 80-х Изобретение Web 1991 После того как курсанты вместе с преподавателем рассмотрели историю возникновении сети, курсанты под диктовку записывают основные определения: Коммуникационная сеть — система, состоящая из объектов, осуществляющих функции генерации, преобразования, хранения и потребления продукта, называемых пунктами (узлами) сети, и линий передачи (связей, коммуникаций, соединений), осуществляющих передачу продукта между пунктами. Отличительная особенность коммуникационной сети — большие расстояния между пунктами по сравнению с геометрическими размерами участков пространства, занимаемых пунктами. В качестве продукта могут фигурировать информация, энергия, масса, и соответственно различают группы сетей информационных, энергетических, вещественных. В группах сетей возможно разделение на подгруппы. Так, среди вещественных сетей могут быть выделены сети транспортные, водопроводные, производственные и др. При функциональном проектировании сетей решаются задачи синтеза топологии, распределения продукта по узлам сети, а при конструкторском проектировании выполняются размещение пунктов в пространстве и проведение (трассировка) соединений. Информационная сеть — коммуникационная сеть, в которой продуктом генерирования, переработки, хранения и использования является информация. Глобальная вычислительная сеть объединяет множество локальных сетей и сотни тысяч — миллионы разнотипных ЭВМ по всему миру, физическая линия связи — оптокабель или космическая радиолиния связи (не только). Локальная вычислительная сеть (ЛВС) — система связи отдельно расположенных ЭВМ на относительно небольшом расстоянии (обычно в пределах помещении и/или этажа здания); обычно объединяет до нескольких десятков (чаще однотипных) компьютеров, физическая линия связи — «витая пара» или коаксиальный кабель. В последее время для связи между узлами все чаще используются беспроводные технологии стандартов 802.11. Корпоративная вычислительная сеть — локальная вычислительная сеть (крупной) организации, работающая на протоколах Интернет (стек TCP/IP) и использующая сервисы Интернет. При непосредственном подключении к глобальной сети — еще и телекоммуникационную среду Интернета. Рабочая группа (workgroup) — набор компьютеров, объединенных для удобства при просмотре сетевых ресурсов одним именем. Домен (domain) — определенная администратором сети совокупность компьютеров, использующих общую базу данных и систему защиты; каждый домен имеет уникальное имя. Узел (host) — подключенное к сети устройство (обычно компьютер), идентифицируемое собственным адресом (например, в сети Internet host-адресом является уникальное 32-разрядное двоичное число. (Это в IPv4. Ipv6 иначе) Трафик (traffic) — поток сообщений в разделяемой среде передачи данных, часто используется для грубой оценки уровня использования передающей среды (тяжелый, средний, легкий трафик). Маршрутизация — процесс определения (оптимального) пути доступа к объектам (компьютерам) сети. Пакет, кадр, сообщение, датаграмма — единица передаваемой по сети информации, определенное количество байт, сгруппированное вместе и посылаемое одновременно. То или иное наименование применяется в контексте описания различных уровней сетевого взаимодействия. Сетевая архитектура — концепция, представляющая логическую, функциональную и физическую организацию технических и программных средств сети и определяющая основные элементы информационной сети, характер и топологию взаимодействия этих элементов. Протокол — это набор семантических и синтаксических правил, определяющий поведение функциональных блоков сети при передаче данных. Другими словами, протокол — это совокупность соглашений относительно способа представления данных, обеспечивающего их передачу в нужных направлениях и правильную интерпретацию данных всеми участниками процесса информационного обмена. Программное обеспечение компьютерных сетей — комплекс программ, поддерживающий функции обмена информацией между отдельно расположенными ЭВМ. В настоящее время программное обеспечение компьютерных сетей обычно является (иногда опционально устанавливаемой) составной часть операционных систем. Повторитель — устройство, обеспечивающее усиление и фильтрацию сигнала без изменения его информативности. По мере передвижения по линиям связи сигналы затухают. Для уменьшения влияния затухания используются повторители. Причем повторитель не только копирует или повторяет принимаемые сигналы, но и восстанавливает характеристики сигнала: усиливает сигнал и уменьшает помехи. Сетево́й транси́вер — устройство для передачи и приёма сигнала между двумя физически разными средами системы связи. Это приёмник-передатчик, физическое устройство, которое соединяет интерфейс хоста с локальной сетью, такой как Ethernet. Трансиверы Ethernet содержат электронные устройства, передающие сигнал в кабель и детектирующие коллизии. Маршрутиза́тор (проф.жарг. ра́утер, ру́тер или ро́утер) специализированный сетевой компьютер, имеющий как минимум одинсетевой интерфейс и пересылающий пакеты данных между различными сегментами сети, связывающий разнородные сети различных архитектур, принимающий решения о пересылке на основании информации о топологии сети и определённых правил, заданных администратором. Роутер - его часто ещё называют маршрутизатором. Почему? Да потому что он является связующим звеном между двумя различными сетями и передает данные, основываясь на определенном маршруте, указанном в его таблице маршрутизации. Если выражаться очень просто, то роутер является посредником между Вашей сетью и выходом в интернет. Роутер исправляет все ошибки предшественников и именно поэтому в наше время он наиболее популярен. Особенно если учесть тот факт, что зачастую роутеры снабжаются Wi Fi антеннами для передачи интернета на беспроводные устройства, а так же имеют возможность подключать USB модемы. Сетевой концентратор или хаб (от англ. hub — центр) — устройство для объединения компьютеров в сеть Ethernet c применением кабельной инфраструктуры типа витая пара. В настоящее время вытеснены сетевыми коммутаторами. Хаб - это повторитель. Всё что к нему подключено - будет повторяться. На хаб даётся один IP адрес и поэтому всё связано.  Свитч пришёл на смену хабу и исправляет недостатки предшественника. Мост — устройство, выполняющее функции повторителя для тех сигналов (сообщений), адреса которых удовлетворяют заранее наложенным ограничениям. Одной из проблем больших сетей является напряженный сетевой трафик (поток сообщений в сети). Эта проблема может решаться следующим образом. Компьютерная сеть делится на сегменты. Передача сообщений из сегмента в сегмент осуществляется только целенаправленно, если абонент одного сегмента передает сообщение абоненту другого сегмента. Мост является устройством, ограничивающим движение по сети и не позволяющим сообщениям попадать из одной сети в другую без подтверждения права на переход. Шлюз — специальный аппаратно-программный комплекс, предназначенный для обеспечения совместимости между сетями, использующими различные протоколы взаимодействия. Шлюз преобразует форму представления и форматы данных при передачи их из одного сегмента в другой. Он не зависит от используемой передающей среды, но зависит от используемых протоколов обмена данными. Обычно шлюз выполняет преобразования между протоколами. Преподаватель делает вывод по первому учебному вопросу. Мы с вами изучили основные термины и определения, рассмотрели хронологию важнейших событий из истории развития компьютерных сетей. ВОПРОС 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ (10 минут)  Вычислительная сеть - это совокупность компьютеров, соединенных между собой с помощью каналов связи в единую систему и использующих общие ресурсы. В зависимости от средств связи и по территориальному признаку компьютерные сети делятся на:  локальные  региональные  глобальные. По способу доступа к информации сети бывают:  открытые (общедоступные)  закрытые (корпоративные). Локальная сеть - это вычислительная сеть, которая объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов локальной сети (2 - 2,5 км). Региональная сеть - это вычислительная сеть, которая связывает абонентов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга (десятки - сотни километров). Глобальная сеть - это вычислительная сеть, которая объединяет абонентов, расположенных в различных странах и даже континентах. Сервер - это компьютер, выделенный для обработки запросов от всех подсоединенных рабочих станций, предоставляющий доступ к общим сетевым ресурсам (базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и т. д.). В зависимости от разделяемых ресурсов серверы делятся на: ◦ файл-сервер (дисковая память) ◦ факс-сервер ◦ сервер приложений ◦ почтовый сервер (для организации почтовой связи) и др. Рабочая станция (клиент) - это компьютер, с помощью которого пользователь получает доступ ко всем ресурсам сети. Компьютер, подключенный к вычислительной сети, может быть либо рабочей станцией либо сервером, в зависимости от выполняемых им функций. В компьютерных сетях могут быть реализованы два способа обработки данных: ◦ централизованная (центральная ЭВМ или Host-компьютер, все запросы идут к ней, и обработка ведется на ней); ◦ распределенная "клиент-серверная" (клиентская часть программы делает запрос серверу, на нем производится обработка запроса и передача ответа клиенту). Такое разделение в сети на клиента и сервер позволяет эффективно использовать технологию "клиент/сервер". В этом случае приложение делится на две части: клиентскую и серверную. Один или несколько мощных компьютеров сети конфигурируются как серверы приложений, на них выполняются серверные части приложений. Клиентские части выполняются на рабочих станциях, именно на них формируются запросы к серверам приложений и обрабатываются полученные результаты. Одноранговые ЛВС Сети по типу "клиент-сервер" • Пользователи сети имеют доступ к файлам, находящимся на дисковых накопителях других пользователей. • Производительность падает при расширении сети свыше 10-20 узлов. • Некоторые сети используют не стандартные средства Ethernet, а свои собственные аппаратные средства, что затрудняет межсетевые преобразования и расширение (наращивание) сети. • Инсталляция (установка) отличается простотой, однако управление большой сетью может оказаться весьма затруднительным. • Файлы общего пользования хранятся централизованно, что уменьшает вероятность их разрушения. • Производительность, как правило, выше благодаря наличию выделенных серверов. • Стандарты на аппаратные средства упрощают наращивание (расширение) сетей и реализацию межсетевых преобразований. • Инсталляция и управление довольно трудоемки и сложны, однако для этих целей созданы достаточно совершенные инструментальные средства. ВОПРОС 3. ТОПОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ. (20 минут) К локальным компьютерным сетям (ЛВС или LAN – Local Area NetWork) относятся сети, узлы которых располагаются на небольшом расстоянии друг от друга, обычно не дальше нескольких сотен метров. Основным назначением ЛВС является предоставление информационных, вычислительных и технических ресурсов подключенным к сети пользователям. ЛВС имеют характерные отличительные черты, позволяющие их выделить в отдельный класс компьютерных сетей: 1. Компактное территориальное расположение узлов сети. Расстояние между узлами сети обычно не превышает нескольких сот метров (LAN и корпоративные сети). 2. В качестве среды передачи данных используется кабельная система. 3. В качестве узлов сети чаще всего используются персональные компьютеры. 4. Методы доступа, топологии, компоненты ЛВС разнообразны, имеют высокую степень совместимости и гибкости применения, что позволяет разрабатывать сети любой сложности и архитектуры. Под архитектурой сети понимается вариант сети с конкретными компонентами сети (компьютеры, данные, программы, сетевое оборудование, различные устройства внешней памяти, принтеры, сканеры и другие устройства), топологией построения и технологией функционирования сети. Под топологией вычислительной сети понимается изображение сети в виде графа, вершинами которого соответствуют компьютеры сети, отдельные виды сетевого оборудования, а ребрам – физические связи между ними. Также под топологией понимают, различные способы конфигурации соединения кабелей для объединения компьютеров в ЛВС. 3.1Общая характеристика топологий компьютерных сетей Существуют три основные базовые топологии: • звезда (Star); кольцо (Ring); • шина (Bus), или общая. Наряду с перечисленными топологиями компьютерных сетей на практике применяются и различные виды комбинированных топологий, которые получаются в результате комбинаций базовых топологий, это: • полносвязная; • ячеистая; • иерархическая; • смешанная. 3.2 Подробная характеристика топологий компьютерных сетей Выбор топологии существенно влияет на многие характеристики сети. На рисунке 1 представлены базовые топологии сетей. В топологии «звезда» (рис. 1, а) один узел является центральным. Он соединен линиями связи со всеми остальными узлами сети. Благодаря этому связь любой рабочей станции с центральным узлом независима от связей остальных станций. Основным преимуществом топологии «звезда» является обеспечение работоспособности сети при выходе из строя отдельных рабочих станций и их соединений. В сетях с такой топологией проще обнаружить и устранить неисправности, связанные с работой отдельных узлов сети и линий передачи, наращивать масштаб сети за счет добавления новых компьютеров и менять их местонахождение. Топология «звезда» является наиболее быстродействующей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел по отдельным линиям. К недостаткам топологии следует отнести большой расход кабеля. Большинство сетей, использующих кабель типа «витая пара», монтируются по топологии «звезда», например 10BaseT Ethernet, Fast Ethernet (это было в 19 веке) 100 – 1000 сейчас. Кольцевая топология (рис. 1, б) представляет собой непрерывную магистраль для передачи данных, не имеющую логической начальной или конечной точек. Каждый компьютер является частью кольца и, получая данные, адресованные другому компьютеру, пересылает их по назначению. При такой топологии просто можно сделать кольцевой запрос на все станции. Однако продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в сеть. Ограничения на протяженность сети не существует при условии соблюдения разрешенного расстояния между двумя соседними узлами. Основная проблема использования кольцевой топологии состоит в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации и в случае выхода из стоя хотя бы одной из них вся сеть становится неработоспособной. При этом неисправности линий связи легко локализуются и устраняются. Сети, сконструированные на основе топологии «кольцо», могут использовать различные типы кабеля. Например, сети Token Ring используют витую пару, в то время как FDDI-сети реализуют топологию «кольцо» с помощью оптоволоконных кабелей. Шинная топология (рис. 1, в) представляет собой наиболее простой способ установки сети. Она требует меньше оборудования, кабелей, времени на настройку, чем другие топологии. Физическая среда передачи состоит из единственного кабеля, который называется общей шиной, к которой подключаются все компьютеры сети. Недостатками являются подключение небольшого числа рабочих станций (не более 30) и полное прекращение работы сети при повреждении общего кабеля. Шинную архитектуру использует большая часть сетей, построенных на коаксиальных кабелях, таких, как сети Ethernet. Рис. 1. Базовые топологии сетей: а – звезда; б – кольцо; в – общая шина Наряду с описанными базовыми топологиями, на практике применяются различные их комбинации. Это связано с тем, что «созданная на определенном этапе развития системы ЛВС с течением времени перестает удовлетворять потребности всех пользователей, и тогда встает проблема расширения ее функциональных возможностей». Проблема расширения конфигурации сети может быть решена как в пределах ограниченного пространства, так и с выходом во внешнюю среду. Виды комбинированных топологий представлены на рисунке 2. В полносвязной топологии (рис. 2, а) используется связь между узлами по принципу «каждый с каждым». Данная топология характерна для глобальных сетей. Ячеистая топология (рис. 2, б) предполагает, что любой узел сети располагает не менее чем двумя физическими связями с другими узлами. Данная топология применяется в неблагоприятных условиях агрессивной окружающей среды при недостаточно большой вероятности разрыва сетевых соединений. Если одна из связей доступа к узлу будет нарушена, то всегда в качестве альтернативной связи будет существовать еще одна. Иерархическая топология (рис. 2, в) используется в сетях, где существует жесткое распределение рабочих станций по уровням иерархии. При этом каждый узел более нижнего уровня имеет только одну линию связи с узлом более высокого уровня. Смешанная топология (рис.2, г) в большинстве случаев образуется при объединении между собой ранее существовавших отдельные сетей с разными топологиями или в результате наращивания сети. «Так как к одному концентратору можно подключить неограниченное число хостов1, смешанная топология находит широкое применение в крупных локальных сетях, связывающих сотни компьютеров». Рис. 2. Комбинированные топологии компьютерных сетей: а – полносвязная; б – ячеистая; в – иерархическая; г – смешанная При построении архитектуры ЛВС следует учитывать существующие зависимости между используемыми технологиями работы, топологиями сети и кабельной системой. Возможные сочетания этих элементов архитектуры определены соответствующими стандартами и спецификациями. Отметим, что основными методами доступа при построении современных ЛВС являются высокоскоростные технологии Ethernet, которые называются соответственно Fast Ethernet (скорость передачи – 100 Мбит/с) и Gigabit Ethernet (скорость передачи – 1Гбит/с). Технологии Arcnet (скорость передачи – 2,5 Мбит/с) и Token Ring (скорость передачи – 4 Мбит/с или 16 Мбит/с) в настоящее время практически не используются из-за низкой производительности. Таким образом, технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet являются основными технологиями построения ЛВС. Несмотря на то, что эти технологии являются прямыми преемниками Ethernet, у них отсутствуют многие недостатки, присущие прежней технологии. Преодоление недостатков технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet стало возможным благодаря реализации шиной топологии построения сети Ethernet в виде физической «звезды», а также использования витой пары и волоконно-оптического кабеля в качестве среды передачи. При такой архитектуре каждый луч «звезды» функционирует как отдельная логическая шина, но без концевых терминаторов. Один конец шины заканчивается на сетевом устройстве, к примеру, коммутаторе, другой – на узле сети. При этом общая шина выполняет роль высокоскоростной магистрали, соединяющей коммутаторы различных сегментов сети. Оборудование ЛВС. Оборудование ЛВС может быть активным или пассивным. К пассивным элементам относятся кабель, короб, коммутационные устройства такие как шкафы, Patch-panel, розетки, коммутационные шнуры. К активному оборудованию ЛВС относятся сетевые адаптеры, выполняющие функцию присоединениея пользователя к ЛВС, поддерживающими обмен данными между ПК и средой передачи данных ЛВС. Кроме этого, сетевой адаптер выполняет роль временного хранилища данных, буферизацию. Сетевые карты можно разделить на два типа: адаптеры для клиентских компьютеров и адаптеры для серверов. Репитер (REPITER) — прибор повторитель, предназначенный для увеличения длины сетевого сегмента. Концентратор (ACTIVE HUBE) — это устройство множественного доступа от 4 до 32 портов, используется для объединения пользователей в сеть. Мост (BRIDGE) — это устройство(например, компьютер), с 2 портами, обычно используемый для объединения нескольких рабочих групп ЛВС, позволяет осуществлять фильтрацию сетевого трафика, разбирая сетевые (MAC) адреса. Коммутатор (SWITCH) — прибор с 4-32 портами, который делит общую среду передачи данных на логические сегменты. Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту коммутатора для объединения нескольких рабочих групп ЛВС. Маршрутизатор (ROUTER) — обеспечивает выбор маршрута(например, компьютер), для передачи данных между несколькими сетями, а так же для объединения нескольких рабочих групп ЛВС, позволяет осуществлять фильтрацию сетевого трафика, разбирая сетевые (IP) адреса . Медиаконвертер — прибор, как правило, с двумя портами, обычно используемый для преобразования среды передачи данных (коаксиал-витая пара, витая пара-оптоволокно) Трансивер — усилитель сигналов, служит для двунаправленной передачи между адаптером и сетевым кабелем или двумя сегментами кабеля. Трансиверы применяются и в качестве конверторов для преобразование электрических сигналов в другие виды сигналов (оптические или радиосигналы) с целью использования других сред передачи информации. Шлюзы — это коммуникационное оборудование (например, компьютер), служащее для объединения разнородных сетей с различными протоколами обмена. Шлюзы полностью преобразовывают весь поток данных, включая коды, форматы, методы управления и т.д. Активное оборудование мосты, маршрутизаторы и шлюзы в локальной вычислительной сети используют специализированное программное обеспечение. При выборе лучшей передающей среды для ЛВС следует учитывать следующие факторы: скорость передачи данных, возможность применения в конкретных сетевых архитектурах, расстояние между соседними сетевыми устройствами, устойчивость к помехам от внешних источников, стоимость кабеля, сложность установки и модернизации. В ЛВС применяют три типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов (витая пара), коаксиальные кабели, волоконно-оптические кабели. Витая пара существует в экранированном варианте, когда пара медных проводов заключается в изоляционный экран, и неэкранированном без изоляционной обертки. Скручивание проводов, а также наличие изоляционного экрана снижают влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Все кабели типа витой пары имеют 4 пары скрученных проводов и делятся на 5 категорий, каждая из которых характеризуется определенной совокупностью электромагнитных характеристик (5-я категория позволяет передавать данные со скоростью до 1 Гбит/с). Коаксиальный кабель состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Существуют два типа коаксиального кабеля, толстый коаксиальный кабель и тонкий. Толстый коаксиальный кабель достигает в диаметре 10 мм (скорость передачи данных не превышает 10 Мбит/с), тонкий – 5 мм (достигает 100 Мбит/с). Поэтому тонкий коаксиальный кабель используется при прокладке ЛВС в агрессивной внешней среде с высоким уровнем воздействия радио- и электромагнитных волн. Волоконно-оптический кабель состоит из одной или нескольких стеклянных или пластиковых жил (световодов), по которым распространяются световые сигналы. Жилы покрыты защитной поливинилхлоридной оболочкой. Этот тип кабеля обеспечивает наивысшую скорость передачи данных до 100 Гбит/с. По волоконно-оптическому кабелю можно одновременно передавать по нескольку световых волн. Волоконно-оптический кабель применяется в ЛВС в качестве магистральных каналов передачи данных благодаря высокой скорости передачи и малого затухания сигнала. К достоинствам волоконно-оптического кабеля следует также отнести сложность получения несанкционированного доступа к данным во время передачи и невосприимчивость кабеля к радио- и электромагнитным помехам. Недостатками являются его высокие стоимость и хрупкость, сложность монтажа, а также высокие требования к квалификации обслуживающего персонала. ВОПРОС 4. Модель взаимосвязи открытых систем OSI. (20 минут) Модель OSI была предложена Международной организацией стандартов ISO (International Standards Organization) в 1984 году. С тех пор ее используют (более или менее строго) все производители сетевых продуктов. Как и любая универсальная модель, OSI довольно громоздка, избыточна, и не слишком гибка. Поэтому реальные сетевые средства, предлагаемые различными фирмами, не обязательно придерживаются принятого разделения функций. Однако знакомство с моделью OSI позволяет лучше понять, что же происходит в сети. Рис. Модель взаимосвязи открытых систем OSI. Полное описание модели OSI занимает примерно 1000 страниц текста. Вкратце: в модели OSI семь уровней взаимодействия: прикладной, представительный сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей, к тому же, приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней модели. Таблица 1.  Уровни модели OSI Уровень OSI Назначение Примеры протоколов 7 Прикладной Обеспечивает прикладным процессам пользователя средства доступа к сетевым ресурсам; является интерфейсом между программами пользователя и сетью. Имеет интерфейс с пользователем Х.400, NCR HTTP, SMTP, FTP, FTAM, SAP, DNS, Telnet и т. д. 6 Представления Устанавливает стандартные способы представления данных, которые удобны для всех взаимодействующих объектов прикладного уровня. Имеет интерфейс с прикладными программами X.226 5 Сеансовый Обеспечивает средства, необходимые сетевым объектам для организации, синхронизации и административного управления обменом данных между ними X.225, RPC, NetBEUI и т. д. 4 Транспортный Обеспечивает надежную, экономичную и «прозрачную» передачу данных между взаимодействующими объектами сеансового уровня Х.224, TCP, UDP, NSP, SPX, SPP, RH и т. д. 3 Сетевой Обеспечивает маршрутизацию передачи данных в сети, устанавливает логический канал между объектами для реализации протоколов транспортного уровня X.25, X.75, IP, IPX, IDP, TH, DNA-4 и т. д. 2 Канальный Обеспечивает непосредственную связь объектов сетевого уровня, функциональные и процедурные средства ее поддержки для эффективной реализации протоколов сетевого уровня LAP-B, HDLC, SNAP, SDLC, IEEE 802.2 и т.д. 1 Физический Формирует физическую среду передачи данных, устанавливает соединения объектов сети с этой средой Ethernet, Arcnet, Token Ring, IEEE 802.3, 5 Прикладной уровень (application)  - управляет запуском программ пользователя, их выполнением, вводом-выводом данных, управлением терминалами, административным управ­лением сетью. На этом уровне обеспечивается предоставление пользователям раз­личных услуг, связанных с запуском его программ. На этом уровне функционируют технологии, являющиеся как бы надстройкой над передачей данных. Уровень представления (presentation) — интерпретация и преобразование пере­даваемых в сети данных к виду, удобному для прикладных процессов. На практике многие функции этого уровня задействованы на прикладном уровне, поэтому про­токолы уровня представлений не получили развития и во многих сетях практи­чески не используются. Сеансовый уровень (session) — организация и проведение сеансов связи между прикладными процессами (инициализация и поддержание сеанса между абонен­тами сети, управление очередностью и режимами передачи данных). Многие функции этого уровня в части установле­ния соединения и поддержания упорядоченного обмена данными на практике реализуются на транспортном уровне, поэтому протоколы сеансового уровня име­ют ограниченное применение. Транспортный уровень (transport) — управление сегментированием данных и транспорти­ровкой данных от источника к потребителю (т.е. обмен управляющей информацией и установление между абонентами логического канала, обеспечение качества пе­редачи данных). Протоколы транспортного уровня развиты очень широко и интенсивно используются на практике. Большое внимание на этом уровне уделено контролю достоверности передаваемой информации. Сетевой уровень (network) — управление логическим каналом передачи данных в сети (адресация и маршрутизация данных). Каждый пользователь сети обязательно использует протоколы этого уровня и имеет свой уникальный сетевой адрес, используемый протоколами сетевого уровня. На этом уровне выполняется структуризация данных — разбивка их на пакеты и присвое­ние пакетам сетевых адресов. Канальный уровень (data—link) — формирование и управление физическим ка­налом передачи данных между объектами сетевого уровня (установление, поддер­жание и разъединение логических каналов), обеспечение “прозрачности” физических соединений, контроля и исправления ошибок передачи. Физический уровень (physical) — установление, поддержание и расторжение со­единений с физическим каналом сети. Управление выполняется на уров­не битов цифровых (импульсы, их амплитуда, форма) и аналоговых (амплитуда, частота, фаза непрерывного сигнала). Блоки информации, передаваемые между уровнями, имеют стандартный формат: заголовок (header), служебная информация, данные, концевик. Каждый уровень при передаче блока информации нижестоящему уровню снабжает его своим заго­ловком. Заголовок вышестоящего уровня воспринимается нижестоящим как пе­редаваемые данные. Средства каждого уровня отрабатывают протокол своего уровня и интерфейсы с со­седними уровнями. Указанные уровни управления можно по разным признакам объединять в группы: -  уровни 1, 2 и частично 3 реализуются в большей части за счет аппаратных средств; верхние уровни с 4 по 7 и частично 3 обеспечиваются программными средствами; уровни 1 и 2 ответственны за физические соединения; уровни 3-6 заняты орга­низацией передачи, передачей и преобразованием информации в понятную для абонентской аппаратуры форму; уровень 7 обеспечивает выполнение приклад­ных программ пользователя.