Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

Оглавление 
 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
Р. И. Кузьмич, А. Н. Пупков, Л. Н. Корпачева 
 
 
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ  СИСТЕМЫ,  СЕТИ  
И  ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2018 

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 
 

2 

УДК 004.738.5(07) 
ББК 32.973.202я73 
        К893  
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
Л. А. Казаковцев, доктор технических наук, доцент, заведующий 
кафедрой системного анализа и исследования операций Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева; 
А. А. Ступина, доктор технических наук, профессор, проректор по 
образовательной деятельности Сибирского федерального университета 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Кузьмич, Р. И.  
К893        Вычислительные системы, сети и телекоммуникации : учеб. пособие / Р. И. Кузьмич, А. Н. Пупков, Л. Н. Корпачева. – Красноярск : 
Сиб. федер. ун-т, 2018. – 120 с. 
ISBN 978-5-7638-3943-2 
  
Рассмотрены функциональная и структурная организации, типы микропроцессоров и разновидности системных плат, внешние и запоминающие устройства вычислительных систем. Приведена многоаспектная классификация 
и принципы организации вычислительных сетей, детально рассмотрены локальные вычислительные сети, глобальная сеть Интернет, корпоративные компьютерные сети.  
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 09.03.03 
«Прикладная информатика», 38.03.05 «Бизнес-информатика».  
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 004.738.5(07)  
ББК 32.973.202я73 
 
ISBN 978-5-7638-3943-2                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                                         университет, 2018 

Оглавление 
 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 5 
1. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ  И  СТРУКТУРНАЯ  ОРГАНИЗАЦИЯ  ПК ........ 7 
1.1. Основные блоки ПК и их назначение .................................................... 7 
1.2. Функциональные характеристики ПК ................................................. 12 
2. МИКРОПРОЦЕССОРЫ  И  СИСТЕМНЫЕ  ПЛАТЫ .............................. 15 
2.1. Микропроцессоры .................................................................................. 15 
2.1.1. Микропроцессоры типа CISC ................................................... 16 
2.1.2. Микропроцессоры типа RISC ................................................... 17 
2.1.3. Микропроцессоры типа VLIW .................................................. 18 
2.2. Физическая и функциональная структура микропроцессора ........... 19 
2.2.1. Устройство управления .............................................................. 20 
2.2.2. Арифметико-логическое устройство ........................................ 21 
2.2.3. Микропроцессорная память ...................................................... 21 
2.2.4. Интерфейсная часть МП ............................................................ 24 
2.3. Системные платы ................................................................................... 25 
2.3.1. Разновидности системных плат ................................................ 25 
3. ЗАПОМИНАЮЩИЕ  УСТРОЙСТВА  ПК ................................................ 30 
3.1. Статическая и динамическая оперативная память ............................ 30 
3.2. Регистровая кеш-память ....................................................................... 31 
3.3. Основная память .................................................................................... 32 
3.3.1. Физическая структура основной памяти .................................. 32 
3.3.2. Постоянные запоминающие устройства .................................. 35 
3.3.3. Логическая структура основной памяти ................................... 36 
3.4. Внешние запоминающие устройства .................................................. 39 
4. ВНЕШНИЕ  УСТРОЙСТВА  ПК  И  ИХ  НАЗНАЧЕНИЕ ....................... 42 
4.1. Видеотерминальные устройства .......................................................... 42 
4.2. Клавиатура ............................................................................................. 45 
4.3. Компьютерная мышь............................................................................. 49 
4.4. Принтеры ................................................................................................ 49 
4.5. Сканеры .................................................................................................. 51 
5. КАЧЕСТВО  И  ЭФФЕКТИВНОСТЬ   
    ИНФОРМАЦИОННЫХ  СИСТЕМ ............................................................. 54 
5.1. Надежность информационных систем ................................................ 54 
5.2. Достоверность информационных систем ........................................... 57 
5.3. Безопасность информационных систем .............................................. 60 

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 
 

4 

5.4. Эффективность информационных систем .......................................... 63 
5.4.1. Локальные показатели эффективности .................................... 63 
5.4.2. Показатели экономической эффективности ............................ 65 
6. КЛАССИФИКАЦИЯ  ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ  СЕТЕЙ.  
    ПРИНЦИПЫ  ОРГАНИЗАЦИИ  КОМПЬЮТЕРНЫХ  СЕТЕЙ .............. 69 
6.1. Понятие и показатели качества  
       информационно-вычислительных сетей ............................................. 69 
6.2. Классификация информационно-вычислительных сетей ................. 71 
6.3. Техническое обеспечение  
       информационно-вычислительных сетей ............................................. 72 
6.3.1. Серверы и рабочие станции ....................................................... 72 
6.3.2. Маршрутизаторы и коммутирующие устройства ................... 73 
6.3.3. Модемы и сетевые карты ........................................................... 75 
6.4. Программное и информационное обеспечение сетей ....................... 77 
7. ЛОКАЛЬНЫЕ  ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ  СЕТИ ........................................... 80 
7.1. Классификация локальных вычислительных сетей .......................... 80 
7.1.1. Одноранговые локальные сети ................................................. 82 
7.1.2. Двухранговые локальные сети .................................................. 83 
7.2. Устройства межсетевого интерфейса ................................................. 84 
7.3. Способы повышения производительности ЛВС ............................... 86 
7.4. Базовые технологии ЛВС ..................................................................... 87 
7.4.1. Методы доступа к моноканалу ................................................. 87 
7.4.2. Сетевые технологии IEEE 802.3 и Ethernet .............................. 90 
7.4.3. Технологии IEEE 802.5 и Token Ring ....................................... 91 
7.4.4. Технология ARCNET ................................................................. 91 
7.2.5. Технология FDDI ........................................................................ 92 
8. ГЛОБАЛЬНАЯ  ИНФОРМАЦИОННАЯ  СЕТЬ  ИНТЕРНЕТ ................. 93 
8.1. Общие сведения о сети Интернет ........................................................ 93 
8.1.1. Протоколы общения компьютеров в сети ................................ 95 
8.1.2. Система адресации в Интернете ................................................ 97 
8.2. Основные технологии работы в World Wide Web .............................. 99 
8.2.1. Гипертекстовые технологии Интернета ................................. 100 
8.2.2. HTML ......................................................................................... 101 
8.2.3. Средства просмотра информации в World Wide Web ........... 102 
9. КОРПОРАТИВНЫЕ  КОМПЬЮТЕРНЫЕ  СЕТИ .................................. 105 
9.1. Общие сведения о корпоративных сетях .......................................... 105 
9.2. Корпоративные информационные системы ..................................... 106 
9.3. Архитектура корпоративных компьютерных сетей......................... 108 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 113 
ТЕСТЫ .............................................................................................................. 114 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ  СПИСОК .......................................................... 117 

Введение 
 

5 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
В XXI веке самым ценным ресурсом становится информация. Для 
выполнения процессов, связанных с ее хранением, организацией, передачей 
и обработкой, необходимо иметь под рукой надежный инструмент –               
вычислительные системы. Знание функциональной и структурной организации вычислительных систем становится обязательным условием успешного 
решения прикладных задач пользователя, поскольку возникает необходимость в корректной настройке таких систем в соответствии со спецификой 
решаемых задач.  
Сложные проекты, реализуемые в настоящее время, требуют, как 
правило, совместных усилий большой группы людей, причем территориальное расположение участников группы может быть любым. Для коммуникации внутри группы необходимо использовать распределенные информационно-вычислительные сети на базе передовых технологий передачи 
данных. Это позволит увеличить скорость обмена, надежность и безопасность передачи данных по сети. 
Дисциплина «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации» 
предназначена для расширения знаний студентов в области основных микропроцессорных архитектур, принципов построения и функционирования 
вычислительных систем, изучения современных сетевых технологий, 
средств телекоммуникаций. 
В учебном пособии в доступной форме и в соответствии с учебной 
программой дисциплины изложены основные концепции вычислительных 
систем и информационно-вычислительных сетей. 
Первая глава посвящена функциональной и структурной организации ПК. Рассматрены основные блоки ПК и их назначение, а также его 
функциональные характеристики. 
Во второй главе приведены физическая и функциональная структуры 
микропроцессора, разновидности системных плат. 
В третьей главе рассмотрены вопросы организации основной 
и внешней памяти в ПК. Также приведены описания физической и логической структур основной памяти. 
Четвертая глава посвящена основным внешним устройствам ПК:  
видеотерминальным устройствам, клавиатуре, компьютерной мыши, принтеру, сканеру. 
В пятой главе рассмотрена тема качества информационных систем. 
Особое внимание уделено эффективности информационных систем, посколь

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 
 

6 

ку ее показатели характеризуют степень приспособленности системы 
к выполнению поставленных перед нею задач. 
В шестой главе приведены многоаспектная классификация и принципы построения вычислительных сетей. Рассмотрено также техническое 
и информационно-программное обеспечение сетей. 
Седьмая глава посвящена локальным вычислительным сетям (ЛВС). 
Приведены основные базовые технологии ЛВС. 
В восьмой главе рассматривается глобальная информационная сеть 
Интернет, а девятая глава посвящена корпоративным компьютерным            
сетям, на базе которых реализуются корпоративные информационные  
системы. 
В заключении обобщается учебный материал, приводятся рекомендации по дальнейшему самостоятельному изучению предмета.  
Следует отметить, что в пособии после каждой главы имеются контрольные вопросы и задания, а после всех глав приводятся тестовые задания по представленному теоретическому материалу. Они помогут студенту 
усвоить и закрепить изученное. 

1. Функциональная и структурная организация ПК 
 

7 

 
1. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ  
И  СТРУКТУРНАЯ  ОРГАНИЗАЦИЯ  ПК 
 
 
1.1. Основные блоки ПК и их назначение 
 
Структурная схема персонального компьютера с минимальным составом внешних устройств представлена на рис. 1.1. 
 

 
 
Рис. 1.1. Структурная схема ПК 
 
Опишем основные блоки ПК. 
1. Микропроцессор (МП) – центральное устройство ПК, предназначенное для управления работой всех блоков машины и для выполнения 
арифметических и логических операций над информацией. 

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 
 

8 

В состав микропроцессора входят несколько компонентов: 
а) устройство управления (УУ). Основные функции: формирует 
и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные 
сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера; 
б) арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические и логические операции над числовой и символьной информацией; 
в) микропроцессорная память (МПП) предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах 
для обеспечения высокого быстродействия машины. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины; 
г) интерфейсная система микропроцессора необходима для сопряжения и связи с другими устройствами ПК. Она включает в себя внутренний 
интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления 
портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной; 
д) порты ввода-вывода – элементы системного интерфейса ПК, через 
которые МП обменивается информацией с другими устройствами; 
е) генератор тактовых импульсов осуществляет генерацию последовательности электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту микропроцессора. Промежуток времени между соседними 
импульсами определяет время одного такта или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов – одна из характеристик скорости работы ПК, так как каждая операция в вычислительной машине выполняется за определенное количество тактов. 
2. Системная шина – основная интерфейсная система компьютера, 
обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. 
Системная шина включает в себя: 
а) кодовую шину данных, предназначенную для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда; 
б) кодовую шину адреса, служащую для параллельной передачи всех 
разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода 
внешнего устройства; 
в) кодовую шину инструкций, предназначенную для передачи инструкций (управляющих сигналов) во все блоки машины; 
г) шину питания, служащую для подключения блоков ПК к системе 
энергопитания. 
Системная шина обеспечивает передачу информации между микропроцессором и основной памятью, микропроцессором и портами ввода

1. Функциональная и структурная организация ПК 
 

9 

вывода внешних устройств, основной памятью и портами ввода-вывода 
внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти). 
Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие 
унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: 
непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной 
шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо 
(что чаще) через дополнительную микросхему контроллера шины, формирующую основные сигналы управления.  
3. Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 
и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). ПЗУ используется для 
хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации; позволяет оперативно только считывать информацию, хранящуюся 
в нем. ОЗУ необходимо для оперативной записи, хранения и считывания 
информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. 
Главные достоинства ОЗУ – высокое быстродействие и возможность 
обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ 
к ячейке). В качестве недостатка оперативной памяти следует отметить  
невозможность сохранения информации в ней после выключения питания 
вычислительной системы (энергозависимость). 
Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется и энергонезависимая память CMOS RAM, постоянно питающаяся от своего аккумулятора; в ней хранится информация об аппаратной конфигурации ПК,           
которая проверяется при каждом включении системы. 
4. Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может 
потребоваться для решения прикладных задач. Внешняя память представлена разнообразными видами запоминающих устройств, но наиболее распространенными из них, имеющимися практически на любом компьютере, 
являются показанные на структурной схеме (рис. 1.1) накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках. 
Назначение этих накопителей: хранение больших объемов информации, запись и выдача информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД конструктивно, объемами 
хранимой информации и временем ее поиска, записи и считывания. В качестве устройств внешней памяти часто используют и накопители на оптических дисках (CD-ROM) и реже – запоминающие устройства на кассетной 

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 
 

10 

магнитной ленте (НКМЛ, стримеры). Популярными становятся также устройства флеш-памяти. 
5. Источник питания – блок, содержащий системы автономного 
и сетевого энергопитания ПК. 
6. Таймер – внутримашинные электронные часы реального времени, 
обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента 
времени. Таймер подключается к автономному источнику питания – аккумулятору и при отключении машины от электросети продолжает работать. 
7. Внешние устройства (ВУ) ПК – важнейшая составная часть любого 
вычислительного комплекса. ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины 
с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими 
компьютерами. 
К внешним устройствам относятся: 
а) внешние запоминающие устройства (ВЗУ); 
б) диалоговые средства пользователя; 
в) устройства ввода информации; 
г) устройства вывода информации; 
д) средства связи и телекоммуникаций. 
Диалоговые средства пользователя включают в свой состав: 
1) видеомонитор (видеотерминал, дисплей) – устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации; 
2) устройства речевого ввода-вывода – быстро развивающиеся средства мультимедиа. Это различные микрофонные акустические системы со 
сложным ПО, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы 
и слова, идентифицировать их и кодировать; синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые 
через динамики  или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру. 
Устройства ввода информации – это: 
а) клавиатура – устройство для ручного ввода числовой, текстовой 
и управляющей информации в ПК; 
б) графические планшеты (дигитайзеры) – устройства для ручного 
ввода графической информации, изображений путем перемещения по 
планшету специального указателя (пера); 
в) сканеры – оборудование для автоматического считывания с бумажных и пленочных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, 
графиков, рисунков, чертежей; 
г) устройства целеуказания (графические манипуляторы), предназначенные для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК (джойстик – рычаг, мышь, трекбол – шар 
в оправе, световое перо и т. д.); 

1. Функциональная и структурная организация ПК 
 

11 

д) сенсорные экраны – для ввода отдельных элементов изображения, 
программ или команд с экрана дисплея в ПК. 
К устройствам вывода информации относятся: 
1) принтеры – печатающие устройства для регистрации информации 
на бумажный или пленочный носитель; 
2) графопостроители (плоттеры) – устройства для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель. 
Устройства связи и телекоммуникации используют для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, 
адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т. п.) 
и для подключения ПК к каналам связи, к другим компьютерам и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы и карты – сетевые адаптеры, 
«стыки», мультиплексоры передачи данных, модемы). 
8. Дополнительные интегральные микросхемы. К системной шине 
и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные интегральные микросхемы, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора. 
Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с фиксированной и плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для 
вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических 
функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Современные модели МП 
включают сопроцессор в свою структуру. 
Контроллер прямого доступа к памяти обеспечивает обмен данными 
между ВУ и ОП без участия МП, что существенно повышает эффективное 
быстродействие ПК. Процессор в это время может обрабатывать другие 
данные или другую задачу в многозадачной системе. 
Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП существенно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании 
нескольких ВУ; освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, 
в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти. 
Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания. Прерывание – временный перерыв в выполнении одной программы с целью 
оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы. Контроллер принимает запрос на прерывание от 
внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает 
сигнал прерывания в МП. Микропроцессор, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению 

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 
 

12 

специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым. Прерывания возникают при работе компьютера постоянно, достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода 
информации выполняются по прерываниям.  
 
 
1.2. Функциональные характеристики ПК 
 
Приведем основные функциональные характеристики ПК: 
1) производительность, быстродействие, тактовая частота; 
2) разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса; 
3) типы системного и локальных интерфейсов; 
4) тип и емкость оперативной памяти; 
5) емкость накопителя на жестких магнитных дисках; 
6) наличие, виды и емкость кеш-памяти; 
7) тип видеомонитора и видеоадаптера; 
8) наличие и тип принтера; 
9) наличие и тип накопителя CD-ROM; 
10) наличие и тип модема; 
11) наличие и виды мультимедийных аудиовидеосредств; 
12) программное обеспечение и вид операционной системы; 
13) аппаратная и программная совместимость с другими типами 
компьютеров; 
14) возможность работы в вычислительной сети; 
15) возможность работы в многозадачном режиме; 
16) надежность; 
17) стоимость; 
18) габариты и вес. 
Некоторые из приведенных функциональных характеристик нуждаются в пояснении, поэтому остановимся на них подробнее. 
1. Производительность, быстродействие, тактовая частота 
Производительность современных компьютеров измеряют обычно 
в миллионах операций в секунду. Единицами измерения служат: 
а) МИПС (MIPS – Millions Instruction Per Second) – для операций над 
числами, представленными в форме с фиксированной запятой (точкой); 
б) МФЛОПС (MFLOPC – Millions of FLoating point Operation Per 
Second) – для операций над числами, представленными в форме с плавающей запятой (точкой).