Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

ФАКУЛЬТЕТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ (ФДО)

Ю. Б. Гриценко

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ,
СЕТИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

Учебное пособие

Томск
2015

УДК
[004.7 + 621.391.1:519.8](075.8)
ББК
32.973.1я73
Г 858
Рецензенты:
Тарасенко В. Ф., докт. техн. наук, профессор кафедры теоретической кибернетики
Национального исследовательского Томского государственного университета;
Сенченко П. В., канд. техн. наук, доцент, декан факультета систем управления
ТУСУР.

Гриценко Ю. Б.
Г 858
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации : учебное пособие / Ю. Б. Гриценко. — Томск : ФДО, ТУСУР, 2015. — 134 с.

В пособии рассмотрены понятия системы, вычислительной системы,
архитектуры электронных вычислительных машин, приведено описание
организации памяти и процесса управления устройствами ввода-вывода,
а также уделено внимание принципам построения вычислительных сетей
и телекоммуникаций.
Учебное пособие содержит теоретическую составляющую дисциплины «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации», изучаемой студентами направлений 080500.62 «Бизнес-информатика» и 231000.62 «Программная инженерия».

УДК
[004.7 + 621.391.1:519.8](075.8)
ББК
32.973.1я73

Гриценко Ю. Б., 2015

Оформление.
ФДО, ТУСУР, 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение
5

1
Принципы построения вычислительных систем
7
1.1
Общее представление о вычислительной системе . . . . . . . . . . . .
7
1.2
История развития вычислительных систем . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.3
Электронные вычислительные машины . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
1.4
Архитектура ЭВМ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.4.1
Определение архитектуры ЭВМ . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.4.2
Принстонская архитектура (архитектура фон Неймана) . . . .
19
1.4.3
Гарвардская архитектура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
1.4.4
Архитектурные свойства ЭВМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
1.5
Архитектуры процессоров
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
1.5.1
CISC-процессоры
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
1.5.2
RISC-процессоры
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
1.5.3
Микропроцессоры семейства x86–64 . . . . . . . . . . . . . . .
24
1.5.4
Режимы работы микропроцессоров семейства x86–64 . . . . .
29

2
Организация памяти
31
2.1
Единицы измерения информации и их представление в ЭВМ . . . . .
31
2.2
Иерархия памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
2.3
Адресация и распределение памяти в реальном режиме работы
микропроцессора Intel x86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
2.4
Адресация и распределение памяти в защищенном режиме работы
микропроцессора Intel x86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
2.5
Адресация и распределение памяти в архитектуре AMD64 . . . . . .
45
2.6
Управление памятью в ОС Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
2.6.1
Получение общей информации об использовании памяти
. .
48
2.6.2
Управление файлом подкачки на платформе Microsoft
Windows NT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51

3
Управление устройствами ввода-вывода
55
3.1
Описание устройств ввода-вывода
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
3.1.1
Классификация устройств ввода-вывода . . . . . . . . . . . . .
55
3.1.2
Основные характеристики устройств внешней памяти . . . . .
56
3.1.3
Характеристики накопителей на жестких магнитных дисках .
58
3.2
Организация дисковых устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
3.2.1
Физическая структура магнитного диска . . . . . . . . . . . . .
61
3.2.2
Логическая структура магнитного диска . . . . . . . . . . . . .
62

Оглавление

3.3
Обзор файловых систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
3.3.1
Файловая система FAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
3.3.2
Файловая система NTFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
3.3.3
Файловая система HPFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
3.3.4
Файловая система ОС UNIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
3.3.5
Файловые системы для CD-ROM . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
3.4
Управление устройствами ввода-вывода и файловыми системами
в ОС Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
3.4.1
Диспетчер устройств и драйвера устройств . . . . . . . . . . .
87
3.4.2
Диски и файловая система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
3.4.3
Дисковые квоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90
3.4.4
Обеспечение надежности хранения данных на дисковых
накопителях с файловой системой NTFS 5.0 . . . . . . . . . . .
91

4
Принципы построения вычислительных сетей и телекоммуникаций
95
4.1
Сетевая модель OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
4.2
Физическая инфраструктура сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
4.2.1
Перечень компонентов сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
4.2.2
«Кабельная» система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
4.2.3
Коммутатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
4.2.4
Маршрутизатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
4.2.5
Межсетевой экран . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3
Логическая организация сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.1
Глобальная компьютерная сеть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.3.2
Сеть периметра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3.3
Удаленный доступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3.4
Служба каталогов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3.5
Контроллеры доменов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.4
Основы TCP/IPv4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4.1
Обзор семейства протоколов TCP/IP . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4.2
Протоколы транспортного уровня . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.4.3
Протоколы прикладного уровня
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4.4
Адресация ТСР/IPv4
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.4.5
Система доменных имен DNS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.5
Диагностика сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.5.1
Просмотр свойств сетевого окружения . . . . . . . . . . . . . . 116
4.5.2
Утилиты диагностики сети
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

Заключение
122

Литература
123

Список условных обозначений и сокращений
125

Глоссарий
128

ВВЕДЕНИЕ

Современное общество живет в век информации. Умение качественно управлять информационными ресурсами — одно из важнейших направлений деятельности человека. В настоящий момент идет бурное развитие систем управления информацией. Управление информацией строится на основе вычислительных систем
с использованием всевозможных сетей и телекоммуникаций. В свою очередь, вычислительная система состоит из двух основных компонент — аппаратного (электронные и механические части) и программного обеспечения (программы, процедуры, правила и документация системы обработки информации).
Изучение дисциплины «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации»
представляет собой основу для изучения всего процесса управления информационными ресурсами и является базовым курсом, который предшествует таким дисциплинам, как «Операционные системы и сети», «Архитектура вычислительных
систем».
Учебное пособие состоит из четырех глав.
В первой главе рассмотрены основные принципы построения вычислительных систем, включая историю развития вычислительных систем, обзор архитектур
электронных вычислительных машин и процессоров.
Вторая глава содержит описание организации памяти, применение единиц измерения информации, способы адресации в различных режимах и демонстрацию
процесса управления памятью в ОС Windows на платформе NT.
В третьей главе приведено описание и классификация устройств ввода-вывода,
представлена организация дисковых устройств и файловых систем, изложен процесс управления устройствами ввода-вывода и файловыми системами.
Четвертая глава посвящена принципам построения вычислительных сетей и телекоммуникаций с использованием модели OSI, в главе рассматривается как физическая, так и логическая организация сети, а также использование протокола
TCP/IP четвертой версии для организации сетевого взаимодействия.
Описание протокола TCP/IP шестой версии будет дано в курсе «Операционные
системы и сети», который является логическим продолжением курса «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации».

Введение

Соглашения, принятые в книге

Для улучшения восприятия материала в данной книге используются пиктограммы и специальное выделение важной информации.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Эта пиктограмма означает определение или новое понятие.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Пример
. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Эта пиктограмма означает пример. В данном блоке автор может привести практический пример для пояснения и разбора основных моментов, отраженных в теоретическом материале.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
В блоке «На заметку» автор может указать дополнительные сведения или другой взгляд на изучаемый предмет, чтобы помочь читателю лучше понять основные идеи.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Контрольные вопросы по главе
. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Глава 1

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

1.1 Общее представление о вычислительной
системе

Согласно Большому Российскому энциклопедическому словарю происхождение слова «система» имеет греческие корни и означает множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определённую
целостность, единство.
Вообще существует несколько десятков различных определений понятия «система», используемых в зависимости от контекста, области знаний и целей исследования [1].
Перед тем, как перейти к рассмотрению понятия «вычислительная система»
(ВС), приведем некоторые понятия, часто использующиеся для характеристики системы [2].

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Элемент системы — часть системы, имеющая определенное
функциональное назначение. Сложные элементы систем, в свою
очередь состоящие из более простых взаимосвязанных элементов,
часто называют подсистемами.

Организация системы — внутренняя упорядоченность, согласованность взаимодействия элементов системы, проявляющаяся,
в частности, в ограничении разнообразия состояний элементов
в рамках системы.

Структура системы — состав, порядок и принципы взаимодействия элементов системы, определяющие основные свойства системы.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Глава 1. Принципы построения вычислительных систем

Если отдельные элементы системы разнесены по разным уровням и внутренние связи между элементами организованы только от вышестоящих к нижестоящим уровням, и наоборот, то говорят об иерархической структуре системы.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Архитектура системы — совокупность свойств системы, существенных для пользователя.

Целостность системы — принципиальная несводимость свойств
системы к сумме свойств отдельных ее элементов и, в то же время, зависимость свойств каждого элемента от его места и функции внутри системы.

Вычислительная система представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, в окружении которых выполняется результирующая программа, порождаемая системой программирования на основании кода исходной программы, созданного разработчиком, а также объектных модулей и библиотек,
входящих в состав системы программирования [3].
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Как видно из определения, вычислительная система имеет два типа средств1:
аппаратные и программные. Взаимодействие средств обоих типов обеспечивается
через аппаратно-программный интерфейс (рис. 1.1).

Рис. 1.1 – Структура вычислительной системы

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Под интерфейсом понимают совокупность способов и методов
взаимодействия двух систем, устройств или программ для обмена
информацией между ними.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

При использовании понятия аппаратно-программного интерфейса применительно к вычислительной машине оно может быть заменено на понятие «внутримашинный системный интерфейс», под которым понимают совокупность унифицированных технических средств, разъёмов и прочего оборудования, используемых для сопряжения устройств в вычислительной системе, и программных
средств, таких как операционная система (ОС), драйверы, утилиты и т. п.
Центральным устройством большинства вычислительных систем является электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер.

1В англоязычной литературе, а часто теперь уже и российской, под терминами «аппаратные
и программные средства» используются слова Hard&Soft.

1.2 История развития вычислительных систем
9

Рассмотрим определения аппаратного и программного обеспечения.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Аппаратное обеспечение (аппаратные средства) — это электронные и механические части вычислительного устройства,
входящие в состав системы или сети.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Аппаратное обеспечение включает: компьютеры и логические устройства,
внешние устройства и диагностическую аппаратуру, энергетическое оборудование,
батареи и аккумуляторы.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Программное обеспечение — это совокупность программ системы обработки информации и программных документов, необходимых для эксплуатации этих программ (ГОСТ 19781—90).
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Помимо аппаратного и программного обеспечения при функционировании вычислительной системы могут быть выделены еще несколько видов обеспечения:
математическое, информационное, лингвистическое, организационное и методическое, правовое и т. п. Определения этих видов обеспечения приведены в учебнике
В. Л. Бройдо [2].
Вычислительные системы могут строиться на основе нескольких процессоров
или на основе нескольких самостоятельных компьютеров. В первом случае говорят
о многопроцессорной ВС, а во втором — о многомашинной ВС.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
В многопроцессорной ВС имеется несколько процессоров, информационно взаимодействующих между собой либо на уровне регистров процессорной памяти, либо на уровне оперативной памяти.

Многомашинная ВС содержит некоторое число компьютеров,
информационно взаимодействующих между собой. В многомашинных ВС каждый компьютер работает под управлением своей
операционной системы.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Информационное взаимодействие компьютеров в многомашинной ВС может
быть организовано на уровне процессоров, оперативной памяти (ОП) или каналов
связи.

1.2 История развития вычислительных систем

Одними из первых простейших приспособлений для вычислений были счётные палочки, которые и сегодня используются для обучения счёту. Постепенно
из простейших приспособлений для счёта рождались всё более сложные устройства: счёты, логарифмическая линейка, механический арифмометр, электронный
компьютер.

Глава 1. Принципы построения вычислительных систем

Эру появления электронных компьютеров предваряет период механических
калькуляторов (1930–1960 годы) (рис. 1.2). Тогда же и появляется в обиходе слово
«computer» (буквально — «вычислитель»). Так называлась должность людей, которые использовали калькуляторы для выполнения математических вычислений.

Рис. 1.2 – Счётная машинка Феликс-М1

Перед Второй мировой войной начались разработки первых электрических
аналоговых компьютеров. На тот момент механические и электрические аналоговые компьютеры считались наиболее современными машинами, и многие считали,
что это будущее вычислительной техники. Основные разработки велись параллельно в трех странах: Германии, Великобритании и США.
Сначала первые компьютеры строились на основе релейных переключателей,
но впоследствии элементная база стала строиться на электровакуумных лампах.
В 1939 году Джон Винсент Атанасов и Клиффорд Берри из Университета штата
Айова разработали ABC (Atanasoff–Berry Computer). Это был первый в мире электронный цифровой компьютер. Конструкция насчитывала более 300 электровакуумных ламп, в качестве памяти использовался вращающийся барабан. Несмотря на
то, что машина ABC не была программируемой, она была первой, использующей
электронные лампы в сумматоре (рис. 1.3).
Первым работающим компьютером, управляемым программой, считается Z3,
который был разработан в 1941 году немецким инженером Конрадом Цузе (рис. 1.4).
Во многих отношениях Z3 была подобна современным машинам, в ней впервые
был представлен ряд новшеств, таких как арифметика с плавающей запятой. Замена сложной в реализации десятичной системы на двоичную сделала машины Цузе
более простыми, а значит, более надёжными.
Программы для Z3 хранились на перфорированной плёнке. В двух патентах
1936 года Конрад Цузе упоминал, что машинные команды могут храниться в той
же памяти, что и данные, — предугадав тем самым то, что позже стало известно
как архитектура фон Неймана и было впервые реализовано только в 1949 году
в британском EDSAC.
В 1945 году на основе десятичной логики был разработан американский компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), который часто называют первым электронным компьютером общего назначения (рис. 1.5). Эта раз
1Источник: Wikimedia Commons (Музей Воды, Санкт-Петербург; Автор: George Shuklin). — URL:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Счётная_машинка_Феликс-М.jpg?uselang=ru (дата обращения: 16.03.2015).

1.2 История развития вычислительных систем
11

работка публично доказала применимость электроники для масштабных вычислений. Созданная под руководством Джона Мокли и Джона Преспера Эккерта, эта
машина была в 1000 раз быстрее, чем все другие машины того времени.

Рис. 1.3 – Компьютер Атанасова—Берри1

Рис. 1.4 – Конрад Цузе с Z32

Рис. 1.5 – Компьютер ENIAC3

1Источник: Wikimedia Commons (Автор: User:Manop). – URL:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atanasoff-Berry_Computer_at_Durhum_Center.jpg (дата обращения: 16.03.2015).
2Источник: URL: http://www.at-mix.de/zuse.htm (дата обращения: 16.03.2015).
3Источник: URL:
http://physinfo.ulb.ac.be/divers_html/powerpc_programming_info/intro_to_risc/irt2_history2.html (дата обращения: 16.03.2015).

Глава 1. Принципы построения вычислительных систем

Первой работающей ЭВМ с архитектурой фон Неймана стал манчестерский
Baby, созданный в Манчестерском университете в 1948 году.
В 1949 году был выпущен компьютер Манчестерский Марк I, который уже был
полной системой, с запоминающими устройствами на основе электронно-лучевой
трубки и магнитного барабана, а также с индексными регистрами (рис. 1.6).

Рис. 1.6 – Компьютер MARK I1

Другим претендентом на звание «первый цифровой компьютер с хранимой
программой» стал EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer), разработанный и сконструированный в Кембриджском университете. В его основе была
архитектура американского компьютера EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer), который являлся наследником архитектуры ENIAC. В отличие от
своего предшественника ЭНИАКа это был компьютер на двоичной основе и располагающий единственным обрабатывающим блоком. Как и ЭНИАК, EDVAC был
разработан командой инженеров и ученых во главе с Джоном Преспером Экертом и Джоном Уильямом Мокли при активной помощи математиков фон Неймана
и Германа Голдстайна.
Первый универсальный программируемый компьютер в континентальной Европе был Z4 Конрада Цузе, завершенный в сентябре 1950 года.

В ноябре того же года командой учёных под руководством Сергея Алексеевича Лебедева из Киевского института электротехники, УССР, была создана так называемая
МЭСМ (Малая электронная счётная машина). Она содержала около 6000 электровакуумных ламп и потребляла 15 кВт. Машина могла выполнять около 3000 операций
в секунду.
Компьютеры на основе электронных ламп принято
называть первым поколением развития вычислительной
техники.
Следующим крупным шагом в истории компьютерной техники стало изобретение транзисторов в 1947 году. Они стали заменой хрупким и энергоёмким лампам. О компьютерах на транзисторах обычно говорят как
о втором поколении, которое доминировало в 1950-х и начале 1960-х годах. Благо
1Источник: URL:
http://physinfo.ulb.ac.be/divers_html/powerpc_programming_info /intro_to_risc/irt2_history2.html (дата
обращения: 16.03.2015).