Вычислительные машины, сети и системы

Москва 2023

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ МИСИС

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И КОМПЬЮТЕРНЫХ НАУК

Кафедра инженерной кибернетики

Г.С. Крынецкая

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, 
СЕТИ И СИСТЕМЫ

Учебник

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 4696

УДК  004.7
К85

Р е ц е н з е н т ы :
канд. техн. наук, доц. Д.В. Калитин;

канд. техн. наук, доц. С.В. Никифоров (РГГУ)

Крынецкая, Галина Сергеевна.
К85  
Вычислительные машины, сети и системы : учебник / 
Г.С. Крынецкая. – Москва : Издательский Дом НИТУ 
МИСИС, 2023. – 614 с.
ISBN 978-5-907560-73-4

В теоретической части учебника рассматриваются принципы 
построения вычислительных устройств и систем, их комплектующие, 
характеристики. Систематизируется тема представления 
данных в памяти ЭВМ и разъясняются принципы размещения 
информации на носителях. Объясняется модель взаимодействия 
сетевых устройств. Описываются сетевые термины, устройства, 
протоколы в соответствии с каждым уровнем модели. Приводятся 
исторические предпосылки формирования современных 
вычислительных устройств и сетей, обсуждаются новые технологии.

Вторая часть учебника включает восемь лабораторных работ 
по курсу. Каждая лабораторная работа предваряется теоретическим 
описанием темы, которой посвящена работа, содержит 
план занятия, рекомендации к составлению отчета по лабораторной 
работе и контрольные вопросы.
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по направлению 
подготовки бакалавров 01.03.04 «Прикладная математика», 
профили «Алгоритмы наукоемкого программного 
обеспечения», «Робототехника и киберфизические системы», 
а также изучающих информационные технологии.

УДК 004.7

 Г.С. Крынецкая, 2023
ISBN 978-5-907560-73-4
 НИТУ МИСИС, 2023

Ñîäåðæàíèå

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Часть первая. 
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ПО КУРСУ

1. Определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1. Определение информации  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2. Эволюция типов машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3. История зарождения вычислительных систем. . . . . . . . 17
1.4. Эволюция ЭВМ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5. Фон-неймановская архитектура  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.6. Архитектура ЭВМ. Определение. Примеры . . . . . . . . . . 21
1.7. Виды информации и кодирование информации . . . . . . . 23
1.7.1. Кодирование числовой информации ....................24
1.7.2. Кодирование текста ...........................................37
1.7.3. Кодирование изображений .................................42
1.7.4. Кодирование звука ............................................53
1.7.5. Кодирование видео ............................................63

2. Процессор  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.1. Элементная база и характеристики процессора . . . . . . . 64
2.1.1. Эволюция технологий изготовления 
процессора .................................................................64
2.1.2. Основные характеристики процессора ..................67
2.1.3. Закон Мура .......................................................68
2.1.4. Транзисторы .....................................................68
2.2. Реализация базовых компонентов вычислительных 
систем на логических функциях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.2.1. Логические функции .........................................69
2.2.2. Реализация логических элементов 
на транзисторах ..........................................................76
2.2.3. Триггер ............................................................82
2.2.4. Регистр ............................................................84
2.2.5. Дешифратор .....................................................85

СОДЕРЖАНИЕ

2.2.6. Сумматор .........................................................86
2.2.7. Программы, моделирующие логические схемы. 
Multimedia Logic .........................................................88
2.3. Алгоритм действий процессора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.4. Формат команды процессора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.5. Основные регистры процессора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.5.1. Регистры общего назначения ..............................99
2.5.2. Сегментные регистры ....................................... 101
2.5.3. Регистры состояния и управления ..................... 102
2.6. Пример программы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.7. Система команд процессора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.7.1. Команда пересылки ......................................... 106
2.7.2. Команды обработки данных .............................. 106
2.7.3. Команды ветвления ......................................... 108
2.7.4. Команды обращения к процедурам .................... 113
2.7.5. Что такое стек и для чего он нужен .................... 114
2.7.6. Пара слов об адресации .................................... 118
2.8. Упрощенная схема современного процессора . . . . . . . . 119
2.9. Производительность процессора. 
Способы увеличения производительности  . . . . . . . . . . . . . . 121
2.9.1. Конвейеризация .............................................. 122
2.9.2. Суперскалярность ........................................... 124
2.9.3. Параллельная обработка данных и технология 
Hyper-Threading ....................................................... 126
2.9.4. Частота процессора и технология Turbo Boost ..... 129
2.9.5. Архитектура. Набор команд. Эффективность 
выполнения команд .................................................. 131
2.9.6. Энергопотребление процессора .......................... 134

3. Память. Оперативная память  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.1. Ячейка памяти. ОЗУ и ПЗУ. Эволюция ЗУ . . . . . . . . . . 137
3.2. Статическая и динамическая память  . . . . . . . . . . . . . . 139
3.2.1. Динамические ячейки памяти .......................... 139
3.2.2. Статические ячейки памяти .............................. 140

 

СОДЕРЖАНИЕ
 

3.2.3. Сравнение и применение динамической 
и статической памяти ................................................ 141
3.3. DRAM. Устройство, принципы функционирования, 
эволюция и характеристики  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.3.1. FPM DRAM – быстрая страничная память .......... 147
3.3.2. EDO-DRAM..................................................... 148
3.3.3. BEDO (Burst EDO) – пакетная EDO RAM ............. 149
3.3.4. SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access 
Memory) – синхронная память .................................... 151
3.3.5. DDR-SDRAM (Double Data Rate) память 
с удвоенной скоростью передачи данных ...................... 153
3.3.6. DDR2, DDR3, DDR4, DDR5 ............................... 155
3.3.7. Пропускная способность оперативной памяти ..... 157
3.3.8. Тайминги оперативной памяти ......................... 158
3.4. Кеш-память . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3.4.1. Кеш-контроллер .............................................. 162
3.4.2. Логическая организация кеш-памяти ................ 164
3.4.3. Функции кеш-контроллера ............................... 168
3.4.4. Уровни кеш-памяти ......................................... 173
3.4.5. Кеш жесткого диска......................................... 175
3.5. Уровни памяти  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

4. Внешняя память . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
4.1. Магнитный диск . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
4.1.1. Продольная запись на диск ............................... 179
4.1.2. Устройство жесткого диска ............................... 180
4.1.3. Тенденции развития накопителей на жестких 
магнитных дисках .................................................... 181
4.1.4. Поперечная запись на диск (PMR perpendicular 
magnetic recording) ................................................... 184
4.1.5. Принцип черепичной записи SMR 
(Shingled Magnetic Recording) ..................................... 185
4.1.6. Разрабатываемые технологии повышения 
плотности записи жестких магнитных дисков .............. 188
4.1.7. Сектор диска и система Advanced Format ............ 189

СОДЕРЖАНИЕ

4.1.8. Проблемы жестких дисков 
и их решение. RAID .................................................. 191
4.2. Флеш-память . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
4.2.1. Устройство транзистора с плавающим 
затвором .................................................................. 196
4.2.2. Чтение с транзистора с плавающим затвором ...... 197
4.2.3. Запись информации на транзистор 
с плавающим затвором .............................................. 198
4.2.4. NOR- и NAND-память ...................................... 200
4.2.5. SLC, MLC, TLC ................................................ 203
4.2.6. Твердотельные диски. 
Преимущества и недостатки ....................................... 205
4.2.7. Гибридные диски SSHD 
(Solid State Hybrid Drive) ............................................ 207
4.3. Лазерные диски . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
4.3.1. Устройство CD-диска ....................................... 208
4.3.2. DVD-диски ..................................................... 211
4.3.3. HD-DVD и Blu-ray диски................................... 212
4.4. Новые виды памяти  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

5. Размещение информации на носителях. 
Доступ к ресурсам вычислительной системы . . . . . . . . . . . . . . 217
5.1. Введение в понятие файловой системы . . . . . . . . . . . . . 217
5.1.1. Включение вычислительной системы. 
BIOS и UEFI ............................................................. 217
5.1.2. Логические диски внешней памяти ................... 221
5.1.3. Операционная система 
и файловая система ................................................... 222
5.2. Низкоуровневое форматирование . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
5.2.1. Сектор ........................................................... 224
5.2.2. Адресация сектора ........................................... 225
5.2.3. Размер сектора; внедрение Advanced Format ....... 227
5.2.4. Плохие сектора ............................................... 229
5.3. Высокоуровневое форматирование . . . . . . . . . . . . . . . . 233
5.3.1.  MBS и MBR .................................................... 234

СОДЕРЖАНИЕ

5.3.2. GPT (GUID Partition Table) ............................... 236
5.4. Файловая система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
5.4.1. Общие принципы записи информации 
на носителе .............................................................. 242
5.4.2. Файловая система FAT32 ................................. 243
5.4.3. Файловая система NTFS ................................... 248
5.4.4. Фрагментация. Дефрагментация ....................... 253
5.4.5. ReFS (Resilient File System) ............................... 255

6. Взаимодействие устройств. Шины. 

Интерфейсы ввода / вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
6.1. Компьютерные шины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
6.1.1. Виды связей устройств ..................................... 260
6.1.2. Параллельная и последовательная передача 
данных .................................................................... 261
6.1.3. Синхронный и асинхронный режимы 
передачи .................................................................. 263
6.2. Взаимодействие компонентов вычислительной 
системы с внешним устройством . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
6.2.1. Принцип взаимодействия устройств .................. 266
6.2.2. Программно-управляемый ввод / вывод ............. 266
6.2.3. Ввод / вывод по прерываниям ........................... 267
6.2.4. Прямой доступ к памяти .................................. 270
6.3. Эволюция компьютерных шин  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
6.3.1. Первое поколение ............................................ 272
6.3.2. Второе поколение ............................................ 274
6.3.3. Третье поколение ............................................ 275
6.4. Чипсет  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
6.5. Высокоскоростные шины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
6.5.1. FSB (Front Side Bus) ......................................... 280
6.5.2. DMI (Direct Media Interface) .............................. 281
6.5.3. HyperTransport ............................................... 281
6.5.4. QPI (Quick Path Interconnect) ............................ 284
6.6. Периферийные шины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

СОДЕРЖАНИЕ

6.6.1. USB – Universal Serial Bus ................................ 285
6.6.2. FireWire ......................................................... 289
6.6.3. Дальнейшее развитие USB и Firewire: 
Thunderbolt и USB 3.1................................................ 291

7. Сети. Базовые понятия и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
7.1. Классификации сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
7.2. Основные термины и определения  . . . . . . . . . . . . . . . . 295
7.2.1. Узкополосная и широкополосная передачи ......... 295
7.2.2. Коммутация пакетов и коммутация каналов ....... 296
7.2.3. Формат пакета ................................................ 296
7.2.4. Передача пакета. Адресация ............................. 297
7.2.5. Метод доступа к сети ........................................ 298
7.2.6. Топология сети ................................................ 300
7.2.7. Клиенты и серверы .......................................... 303
7.2.8. Коммуникационное оборудование ..................... 306
7.3. Семиуровневая модель взаимодействия . . . . . . . . . . . . 306
7.3.1. Протоколы ..................................................... 307
7.3.2. Сетевая модель OSI .......................................... 307
7.3.3. Инкапсуляция данных в процессе передачи ........ 310
7.3.4. Соответствие модели OSI стеку TCP/IP ............... 311

8. Протоколы, оборудование, 
задачи уровней OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
8.1. Физический уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
8.1.1. Кодирование передаваемой информации ............ 316
8.1.2. Основные параметры кабелей ............................ 320
8.1.3. Коаксиальный кабель ...................................... 323
8.1.4. Витая пара...................................................... 327
8.1.5. Оптоволокно ................................................... 329
8.1.6. Радиосвязь ..................................................... 331
8.1.7. Оборудование физического уровня. 
Концентратор ........................................................... 335
8.2. Канальный уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
8.2.1. Сетевая плата .................................................. 338

СОДЕРЖАНИЕ

8.2.2. Семейство протоколов Ethernet ......................... 339
8.2.3. Wi-Fi ............................................................. 343
8.2.4. Bluetooth ........................................................ 345
8.2.5. Коммутатор .................................................... 346
8.3. Сетевой уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
8.3.1. IP-адресация ................................................... 353
8.3.2. Маршрутизатор ............................................... 356
8.3.3. Пример сетевой адресации при объединении 
нескольких сетей маршрутизаторами .......................... 356
8.3.4. Протоколы ARP и IP на примере передачи 
пакета из одной сети в другую через маршрутизатор ...... 358
8.3.5. Таблица маршрутизации .................................. 363
8.3.6. Протоколы динамической маршрутизации ......... 366
8.3.7. ICMP (Internet Control Message Protocol) ............ 368
8.4. Транспортный уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
8.4.1. Порты как заголовки транспортного уровня. 
Брандмауэр .............................................................. 370
8.4.2. TCP (Transmission Control Protocol) ................... 372
8.4.3. UDP (User Datagram Protocol) ........................... 375
8.5. Сеансовый, представительский и прикладной 
уровни  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
8.5.1. Протоколы передачи файлов FTP и TFTP ........... 378
8.5.2. Telnet и SSH .................................................... 381
8.5.3. Протокол передачи гипертекста 
(HTTP и HTTPS) ....................................................... 382
8.5.4. DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) ....... 384
8.5.5. DNS (Domain Name System) ............................... 387
8.5.6. Протоколы SMTP, POP и IMAP ......................... 392
8.5.7. NAT (Network Address Translation) .................... 395

9. Описание концепции лабораторных работ . . . . . . . . . . . . . . 399

10. Лабораторная работа N 1. Компоненты персонального 
компьютера и их взаимодействие  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
10.1. Цель работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401

СОДЕРЖАНИЕ

10.2. Теоретическая часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
10.2.1. Системная плата ............................................ 401
10.2.2. Процессор ..................................................... 405
10.2.3. Система охлаждения ...................................... 407
10.2.4. Контроллеры ................................................. 409
10.2.5. Чипсет ......................................................... 411
10.2.6. Оперативная память ...................................... 414
10.2.7. Внешняя память ............................................ 416
10.2.8. Интерфейсы внешней памяти .......................... 419
10.2.9. Платы расширения ........................................ 421
10.2.10. Интерфейсы плат расширения ....................... 426
10.2.11. Интегрированные устройства ........................ 429
10.2.12. BIOS: определение и предназначение .............. 430
10.2.13. Блок питания .............................................. 431
10.2.14. Разъемы для подключения внешних 
устройств ................................................................. 433
10.2.15. Обзор некоторых материнских плат ПК .......... 434
10.3. План работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
10.4. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

11. Лабораторная работа N 2. Базовые настройки 
вычислительной системы и определение производительности 
через BIOS  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
11.1. Цель работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
11.2. Теоретическая часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
11.2.1. Функции BIOS ............................................... 440
11.2.2. Настройка BIOS ............................................. 441
11.2.3. Особенности и ограничения при нескольких 
операционных системах, установленных на один 
физический диск ...................................................... 442
11.2.4. Недостатки BIOS. 
UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) 
как развитие BIOS ..................................................... 444
11.3. План работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
11.4. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448

СОДЕРЖАНИЕ

12. Лабораторная работа N 3. Оценка загруженности 
и производительности вычислительной машины посредством 
тестовых программ и средств операционной системы . . . . . . . 449
12.1. Цель работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
12.2. Теоретическая часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
12.2.1. Частота работы компонентов вычислительной 
системы ................................................................... 449
12.2.2. Характеристики производительности 
процессора различных поколений ............................... 451
12.2.3. Пропускная способность оперативной памяти ... 453
12.2.4. Скорость обращения к внешней памяти ............ 454
12.2.5. Скорости интерфейсов .................................... 456
12.2.6. Тестирование вычислительных систем ............. 459
12.3. План работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
12.4. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479

13. Лабораторная работа N 4. Разграничение прав пользователя 
средствами операционной системы; настройка доступа 
к ресурсам средствами файловой системы  . . . . . . . . . . . . . . . . 481
13.1. Цель работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
13.2. Теоретическая часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
13.2.1. Операционные системы вычислительных 
устройств: примеры................................................... 481
13.2.2. Учетные записи пользователя: создание, 
основные параметры ................................................. 485
13.2.3. Локальные политики безопасности .................. 490
13.2.4. Журнал безопасности ..................................... 494
13.2.5. Администрирование с использованием 
возможностей файловой системы NTFS ....................... 496
13.2.6. Настройка разрешений NTFS .......................... 498
13.3. План работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
13.4. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512

14. Лабораторная работа N 5. Создание проводной сети 
и определение ее характеристик: оборудование, протоколы, 
параметры  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513

СОДЕРЖАНИЕ...

14.1. Цель работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
14.2. Теоретическая часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
14.2.1. Сетевые кабели .............................................. 515
14.2.2. Сетевые платы ............................................... 519
14.2.3. Сетевое коммуникационное оборудование ......... 521
14.2.4. Создание и настройка проводной сети ............... 524
14.3. План работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539
14.4. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539

15. Лабораторная работа N 6. Создание беспроводной сети 
и определение ее характеристик: оборудование, протоколы, 
параметры  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
15.1. Цель работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
15.2. Теоретическая часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
15.2.1. Оборудование Wi-Fi ....................................... 545
15.2.2. Точки доступа. Режимы работы ....................... 547
15.2.3. Защита точек доступа ..................................... 553
15.2.4. Настройка точек доступа ................................ 554
15.2.5. Сетевые адаптеры. Настройка ......................... 559
15.3. План работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562
15.4. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564

16. Лабораторная работа N 7. Коммутация. 
Виртуальные сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
16.1. Цель работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
16.2. Теоретическая часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
16.2.1. Пакетная передача данных. 
Формат пакета .......................................................... 566
16.2.2. Передача пакета коммутатором ....................... 566
16.2.3. Формирование адресной таблицы 
коммутатора ............................................................ 567
16.2.4. Управление коммутаторами ............................ 568
16.2.5. Создание VLAN ............................................. 573
16.3. План работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
16.4. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580

СОДЕРЖАНИЕ...

17. Лабораторная работа N 8.
IP-Маршрутизация. DHCP-сервер и DNS-сервер. 
Предназначение, настройка, параметры, тестирование  . . . . . 582
17.1. Цель работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
17.2. Теоретическая часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
17.2.1.  Маршрутизатор как шлюз по умолчанию ......... 582
17.2.2. Таблица маршрутизации ................................ 584
17.2.3. Команды тестирования и настроек 
маршрутизации на ПК ............................................... 588
17.2.4. Маршрутизаторы «три в одном» ...................... 590
17.2.5. Управление маршрутизатором 
«три в одном» ........................................................... 593
17.2.6. DHCP ........................................................... 593
17.3. План работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596
17.4. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600

Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602

Глоссарий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604

ÂÂÅÄÅÍÈÅ

Данный учебник предназначен для студентов-бакалавров, 
изучающих курс «Вычислительные машины, сети и системы» 
и направлен на приобретение знаний, сведений, навыков 
о структуре и принципах организации современных 
вычислительных устройств и их взаимодействии.
Первая часть учебника содержит теоретический материал 
по курсу. Приводится краткий исторический обзор предпосылок 
создания вычислительных машин и сетей. Систематизируется 
тема представления данных в памяти ЭВМ. 
Кратко описывается устройство процессора: элементная 
база, реализация на уровне логических схем, основные блоки, 
система команд Ассемблера, способы повышения эффективности 
работы. Описываются виды памяти, особенности 
реализации оперативной динамической памяти и оперативной 
статической памяти: архитектура и характеристики. 
Объясняются различия типов внешней памяти: способы хранения 
информации, характеристики. Обсуждается создание 
принципиально новых видов памяти. Разъясняются принципы 
записи информации на внешние носители. Разбирается 
взаимодействие комплектующих посредством шин и 
интерфейсов. Объясняется модель взаимодействия сетевых 
устройств. Описываются сетевые термины, устройства, протоколы 
в соответствии с каждым уровнем модели.
Вторая часть учебника описывает лабораторные работы 
по курсу. Каждая лабораторная работа предваряется теоретическим 
описанием темы, которой посвящена работа, содержит 
план занятия, рекомендации к составлению отчета 
по лабораторной работе и контрольные вопросы. Описываемые 
лабораторные работы направлены на приобретение 
знаний о комплектующих персональных компьютерах, их 
тестировании, настройке параметров работы комплектующих, 
навыков работы с учетными записями пользователя, 

ВВЕДЕНИЕ

предоставления полномочий учетным записям пользователя, 
разграничения доступа пользователям и группам, а также 
навыков создания проводного и беспроводного сетевых 
подключений и настройки простейших сетевых устройств и 
служб.
Студентам, уже имеющим представление об архитектуре 
ЭВМ, данный курс позволит систематизировать имеющуюся 
информацию.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ПО КУРСУ

1. ÎÏÐÅÄÅËÅÍÈß

1.1. Îïðåäåëåíèå èíôîðìàöèè

Термин 
«информация» 
переводится 
с 
латинского 
(informatio) как «сведения», «разъяснения». О важности 
своевременного владения информацией было сказано: «Кто 
владеет информацией – тот владеет миром». Данная цитата 
приписывается Натану Ротшильду: обладая достоверной информацией 
о результате битвы при Ватерлоо, Ротшильд ввел 
в заблуждение несведущих о финале битвы и заработал большие 
деньги.

1.2. Ýâîëþöèÿ òèïîâ ìàøèí

Согласно определению Ожегова: «Машина – это механическое 
устройство, совершающее полезную работу с преобразованием 
энергии, материалов или информации».
С давних времен человечество изобретало устройства, позволяющие 
облегчить труд человека. Первые устройства позволили 
преобразовывать материю:
 
• каменные топоры;
 
• ткацкие станки;
 
• выработка металлов;
 
• строительство.

Далее изобретались механизмы, преобразующие энергию:
 
• химические реакции (порох);
 
• паровые машины;
 
• электростанции;
 
• двигатели внутреннего сгорания;
 
• технологии 
создания 
накопителей 
электрической 
энергии (аккумуляторы).

1.3. ИСТОРИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

В данный период активно разрабатываются устройства, 
преобразующие информацию.

1.3. Èñòîðèÿ çàðîæäåíèÿ âû÷èñëèòåëüíûõ 
ñèñòåì

Вычислительная система (ВС) – это взаимосвязанная совокупность 
аппаратных средств вычислительной техники и 
программного обеспечения, предназначенная для сбора, обработки 
и хранения информации.
Попытки механизировать расчеты предпринимались 
с давних времен: в V веке до нашей эры появился абак – древнее 
считающее устройство, XVI веком датировано появление 
счетов, в XVII веке был разработан и применялся до ХХ века 
арифмометр (рис. 1.1).

 
 

Рис. 1.1. Эволюция вычислительных машин. Абак. 
Счеты. Арифмометр

Выполненная Лейбницем в 1673 году машина для астрономических 
расчетов (могла выполнять сложение, вычитание, 
умножение, деление) была задумана для голландского 
математика и астронома Христиана Гюйгенса: «Поскольку 
это недостойно таких замечательных людей, подобно 
рабам, терять время на вычислительную работу, которую 
можно было бы доверить кому угодно при использовании 
машины».

1. Определения

Первые запоминающие устройства – перфокарты – были 
использованы в программируемом ткацком станке, сделанном 
в 1804 году, автор – Жозев Мари Жаккар: для выполнения 
различных типов рисунков нить станка опускалась или 
поднималась в зависимости от того, есть ли отверстие на перфокарте.

Особого внимания заслуживает Чарльз Бэббидж, реализовавший 
в 1822 году так называемую разностную машину, 
предназначенную для расчетов математических таблиц. 
Развитием идей Бэббиджа была так называемая аналитическая 
машина, которая должна была производить разнообразные 
вычисления, следуя набору инструкций. В аналитической 
машине были предусмотрены «мельница» и 
«склад» – аналоги арифметико-логического устройства и 
памяти современных устройств. Фактически в XIX веке 
Бэббидж проектировал прообразы современных программируемых 
устройств.
Бэббидж не воплотил в жизнь свои замыслы в силу технических 
причин: не было элементной базы для реализации 
замыслов. Такое явление, как электричество, только изучалось; 
электрическая лампочка еще не была изобретена; 
транзистор, легший в основу всех современных устройств, 
появился только через полтора века.

1.4. Ýâîëþöèÿ ÝÂÌ

Активное развитие современной вычислительной техники 
началось во времена Второй мировой войны. В 1943 году 
был разработан и внедрен в эксплуатацию компьютер 
Марк-1, предназначенный для баллистических расчетов.
Марк-1 был реализован на электромеханических реле. 
Его длина составляла почти 17 м, высота – более 2,5 м. В нем 
было около 750 000 деталей, протяженность проводов составляла 
около 800 км.

1.5. ФОН-НЕЙМАНОВСКАЯ АРХИТЕКТУРА

Операцию сложения чисел Марк-1 выполнял за 0,3 с, умножение – 
за 3 с. Несмотря на не самые впечатляющие в настоящее 
время цифры, за день работы Марк-1 выполнял расчеты, 
на которые человек до внедрения Марка-1 тратил полгода.
Марк-1 отработал 16 лет.
Одним из существенных его минусов был большой шум 
во время работы от переключений реле. Учитывая указанный 
недостаток, следующий компьютер – ЭНИАК (1945) 
был выполнен на лампах (всего 17 468 ламп). Размеры ЭНИ-
АК – 6 м в высоту и 26 м в длину, производительность ЭНИ-
АК превышала производительность Марк-1 в тысячу раз.
Существенными минусами ЭНИАК были регулярный выход 
из строя ламп и отсутствие памяти: операторы устанавливали 
в нужное положение около 6000 переключателей, а 
затем переключали кабели. На подготовку задачи, с решением 
которой машина справлялась за 20 с, иногда требовалось 
два дня.
Марк-1 и ЭНИАК использовали десятичную систему 
счисления.

1.5. Ôîí-íåéìàíîâñêàÿ àðõèòåêòóðà

Проанализировав все недостатки реализованных вычислительных 
устройств, математик фон Нейман в 1946 году 
сформулировал принципы построения вычислительных машин.
 
• 
Принцип двоичного кодирования: использование двоичной 
системы счисления для представления данных и команд.
 
• 
Принцип программного управления: программа состоит 
из набора команд, которые выполняются процессором автоматически 
друг за другом в определенной последовательности; 
процессор, заканчивая выполнение одной команды, 
переходит к следующей; исключения составляют команды 
перехода.

1. Определения

 
• Принцип однородности памяти: код программы и данные 
размещаются в одной и той же памяти машины; компьютер 
не различает, что хранится в какой-либо ячейке памяти – 
данные или команда.
 
• Принцип адресности: память состоит из пронумерованных 
ячеек, любая из которых доступна процессору.
Основные составные части электронно-вычислительной 
машины (ЭВМ) согласно фон Нейману представлены 
на рис. 1.2:
 
–  процессор, состоящий из устройства управления 
(УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ);
 
–  память, хранящая команды и данные;
 
–  устройства ввода / вывода информации.

Рис. 1.2. Фон-неймановская архитектура ЭВМ

Процессор взаимодействует с памятью, извлекая из нее 
команды и данные, и с устройствами ввода / вывода информации.

Описанные 
принципы 
получили 
название 
фон-
неймановских, а ЭВМ, построенные согласно этим принципам 
в соответствии с приведенной на рис. 1.2 схемой, получили 

1.6. АРХИТЕКТУРА ЭВМ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ. ПРИМЕРЫ

название фон-неймановские ЭВМ. Несмотря на то, что фон-
неймановские принципы были сформулированы более полувека 
назад, в настоящее время большая часть вычислительных 
систем работает в соответствии с этими принципами.
Альтернативой фон-неймановской архитектуры можно 
назвать гарвардскую архитектуру, в которой данные и команды 
находятся в разных областях памяти.

1.6. Àðõèòåêòóðà ÝÂÌ. Îïðåäåëåíèå. 
Ïðèìåðû

Архитектура вычислительной системы – принцип построения 
и организации работы вычислительного устройства, 
включая определение функционального состава основных 
узлов и блоков, а также структуры управляющих и 
информационных связей между ними.
Архитектура определяет принципы действия, информационные 
связи и взаимное соединение основных логических 
узлов компьютера.
Примерами различных архитектур могут служить классическая 
фон-неймановская архитектура (см. рис. 1.2), многопроцессорная 
система (рис. 1.3), архитектурное решение 
параллельного использования нескольких АЛУ (рис. 1.4) 
и архитектура многомашинной вычислительной системы 
(рис. 1.5).

Задание: проанализируйте приведенные варианты архитектур.


В рамках данного курса изучаются:
 
• основные компоненты любой вычислительной системы:
 
–  процессор,
 
–  память,
 
–  магистрали вычислительных систем, связующие 
процессор, память и устройства ввода / вывода,