, Автоматизация системы противопожарной защиты технологической уст , Лекция 4 -(2.1) Подходы к понятию информации. Системы счисления , РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ СИСТЕМЫ СОСТАВЛЕНИЯ РАСПИСАНИЙ курсовая.docx , Введение в специальность - Системы радиосвязи.docx .
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тульский государственный университет»
Кафедра «Робототехника и автоматизация производства»
сборник методических указаний
к лабораторным работам
по дисциплине
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ, СИСТЕМЫ И СЕТИ
Направление подготовки: 220400 «Мехатроника и робототехника»
Специальность: 220402 «Роботы и робототехнические системы»
Формы обучения:очная
Тула 2012 г.
Методические указания к лабораторным работам составлены доцент, к.т.н. Шмелев В.В. и обсуждены на заседании кафедры факультета кибернетики ,
протокол №___ от "___"____________ 201 г.
Методические указания к лабораторным работам пересмотрены и утверждены на заседании кафедры робототехники и автоматизации производства факультета кибернетики ,
протокол №___ от "___"____________ 20___ г.
Зав. кафедрой________________Е.В. Ларкин
Лабораторная работа № 1. Классификация ЭВМ и архитектура вычислительных систем 4
2.1 Классификация ЭВМ 4
Лабораторная работа № 2. Состав и устройство персонального компьютера 9
2.1 Структура персонального компьютера 9
Основные устройства ПК 16
Лабораторная работа № 3.Запоминающие устройства персонального компьютера 29
2.1 Запоминающие устройства 29
Лабораторная работа № 4. Внешние устройства ПК 59
Лабораторная работа № 5. Локальные вычислительные сети 79
2.1 Локальные вычислительные сети 79
Лабораторная работа № 6. Программное, информационное и техническое обеспечение сетей 91
2.1. Программное и информационное обеспечение сетей 92
2.2 Основные принципы построения компьютерных сетей 93
2.3. Техническое обеспечение информационно-вычислительных сетей 105
Объектом изучения является программное , информационное и техническое обеспечение сетей 123
2. Изучить программное, информационное и техническое обеспечение сетей 123
Лабораторная работа № 7. Глобальная информационная сеть Интернет 124
2. Основы теории 124
2.1 Глобальная информационная сеть Интернет 124
Лабораторная работа № 8. Система коммуникаций 134
1. Цель и задачи работы 134
2. Основы теории 134
2.1. Системы ТЕЛЕКОММУНИКАЦИй 134
Системы передачи документированной информации 147
Лабораторная работа № 1. Классификация ЭВМ и архитектура вычислительных систем
1. Цель и задачи работы.
В результате выполнения данной работы студенты должны
знать классификацию ЭВМ и архитектуру вычислительных систем
2.Основы теории.
2.1 Классификация ЭВМ
ЭВМ – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения различных задач.Существует несколько признаков , по которым можно разделить ВМ. В частности:
по принципу действия,
по элементной базе и этапам создания,
по назначению,
по размеру и вычислительной мощности,
по функциональным возможностям,
По принципу действия ВМ: аналоговые, цифровые и гибридные.
Аналоговые, или ВМ непрерывного действия , работают с информацией представленной в непрерывной (аналоговой форме), т.е. в виде непрерывного потока значений какой-либо физической величины (чаще всего напряжения электрического тока)
АВМ просты и удобны в эксплуатации. Скорость решения задач регулируется оператором и может быть очень высокой, но точность вычислений очень низкая. На подобных машинах эффективно решаются задачи дифференциального исчисления, не требующие сложной логики.
Цифровые, или ВМ дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной , а точнее в цифровой форме.
Гибридные, или ВМ комбинированного действия сочетают в себе возможности работы как с цифровой, так и с аналоговой информацией. Обычно применяются в автоматизации задач управления техническими и технологическим процессами.
В экономике и повседневной деятельности получили широкое распространение ЦЭВМ, чаще называемы просто ЭВМ или компьютерами.
По элементной базе и этапам создания выделяют:
1-е поколение, 50-е годы ХХ века: ЭВМ на электронных вакуумных лампах.
2-е поколение, 60-е годы: ЭВМ на полупроводниковых устройствах (транзисторах).
3-е поколение, 70-е годы: ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах с малой и средней степенью интеграции (сотни-тысячи транзисторов в одном корпусе, на кристалле).
4-е поколение, 80-90-е годы: компьютеры на больших и сверхбольших ИС, основная из которых – микропроцессор (десятки тысяч-миллионы активных элементов на одном кристалле).
5-е поколение, настоявшее время: вычислительные системы с несколькими десятками параллельно работающих микропроцессоров.
6-е и последующие поколения: компьютеры с массовым параллелизмом и оптико-электронной базой, в которых реализован принцип ассоциативной обработки информации; т.н. нейронные компьютеры.
Каждое последующее поколение превышает производительность системы и емкость запоминающих устройств более чем на порядок.
По назначению
, проблемно-ориентированные и специализированные.
Универсальные предназначены для решения широкого круга инженерно-технических, экономических, математических и др. задач, для которых характерны большие объемы обработки данных и сложность алгоритмов.
Проблемно-ориентированные предназначены для решения более узкого круга задач, связанных с управлением технологическими процессами (объектами), с регистрацией, накоплением и переработкой относительно небольших объемов данных, выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Они включают ограниченные по своим возможностям аппаратные и программные ресурсы.
Специализированные
предназначены для решения специфических задач по управлению работой технических устройств (агрегатов). Это могут быть контроллеры – процессоры, управляющие работой отдельных узлов вычислительной системы.
По размерам и вычислительной мощности
компьютеры можно разделить на сверхбольшие (суперЭВМ, суперкомпьютеры), большие, малые и сверхмалые (микроЭВМ, микрокомпьютеры).
Сравнительная характеристика классов компьютеров
| Параметры | СуперЭВМ | Большие | Малые | МикроЭВМ |
| Производительность, MIPS | 1 000-1 00 000 | 100-10 000 | 10-1 000 | 10-100 |
| Емкость ОЗУ, Мбайт | 2000-100 000 | 512-10 000 | 128-2048 | 32-512 |
| Емкость ВЗУ, Гбайт | 500-50 000 | 100-10 000 | 20-500 | 20-100 |
| Разрядность, бит | 64-256 | 64-128 | 32-128 | 32-128 |
При рассмотрении функциональных возможностей компьютеров оценивают:
быстродействие процессора,
разрядность регистров процессора ,
формы представления чисел,
номенклатура, емкость и быстродействие запоминающих устройств,
номенклатура и технические характеристики внешних устройств,
способность выполнять несколько программ одновременно (многозадачность),
номенклатура применяемых операционных систем,
программная совместимость – возможность выполнять программы, написанные для других типов компьютеров,
возможность работы в вычислительной сети
2.2 Архитектура вычислительных систем
Часть 1. Вычислительные машины. 3
Лекция 1. Структура вычислительной машины. 3
Лекция 2. Эволюция микрокомпьютеров. 21
Лекция 3. Машинная организация процессора 80286 29
Лекция 4. Операнды и режимы адресации операндов. 42
Лекция 5. Общая организация памяти. 51
Лекция 6. Прерывание микропроцессора в ЭВМ. 54
Лекция 7. Последовательный интерфейс RS–232C. 61
Лекция 8. Последовательный интерфейс СОМ-порт. 69
Лекция 9. Программируемый связной интерфейс. 77
Лекция 10. Передача данных между ЭВМ с помощью модемов. Типы и характеристики модемов.Набор АТ-команд. 85
Лекция 11. Программируемый периферийный интерфейс. 95
Лекция 12. Параллельный интерфейс:LPT-порт. Понюхов Е. В. 102
Лекция 13. Программируемые таймеры и счетчики событий. 114
Лекция 14. Универсальная последовательная шина USB. 121
Лекция 15. Протокол работы USB-шины. 133
Лекция 16. Интерфейс IEEE-1394 (FireWire). 148
Лекция 17. Организация прямого доступа к памяти. 151
Лекция 18. Устройства ввода ЭВМ. Клавиатура. 158
Лекция 19. Интерфейс ЭВМ с видеотерминалом. Видеоадаптер. Режимы изображений: текстовый и графический режимы. Видеопамять. Анимация изображений. 168
Лекция 20. Накопитель магнитных дисков: гибкий и жесткий. Структура дисков: дорожки, сектора, блоки. Обмен информации между ЭВМ и магнитными дисками. 176
Лекция 21. Сканер. Считывание изображения. Типы обрабатываемых изображений. Качество изображения. 181
Лекция 22. Назначение и функции операционной системы. 190
Часть 2. Вычислительные системы. 202
Лекция 23. Классификация систем параллельной обработки данных. 202
Лекция 24. Классификация мультипроцессорных систем по способу организации основной памяти. 211
Лекция 25. Обзор архитектур многопроцессорных вычислительных систем. 217
Лекция 27. Принципы построения телекоммуникационных вычислительных систем. 247
Часть 3. Вычислительные сети. 253
Лекция 28. Эталонная модель взаимодействия открытых систем. 253
Лекция 29. Локальные вычислительные сети. 262
Лекция 30. Беспроводные сети на основе службы GPRS. 277
Лекция 31. Беспроводные сети Radio-Ethernet. 285
Лекция 32. Беспроводные локальные сети на основе Wi-Fi - технологии. 292
Часть 1. Вычислительные машины.
Лекция 1. Структура вычислительной машины.
1.1 Общее устройство
Персональный компьютер (ПК, PC – Personal Computer) - устройство для программируемой обработки данных. PC позволяет проводить без участия человека сложные последовательности вычислительных операций.
Обычно персональные компьютеры состоят из устройств:
Системный блок (для размещения основных элементов компьютера)
Клавиатура (для ввода символов в компьютер)
Монитор (для отображения текстовой и графической информации)
1.2 Корпус PC
Описание составных частей PC мы начинаем с конструктивного элемента, не являющегося необходимым для функционирования вычислительной системы, т. е. корпуса (системный блок), однако это первое, что бросается в глаза. Корпус PC является не только "упаковочным ящиком", но и функциональным элементом, защищающим комплектующие PC от внешнего воздействия, и служит основой для последующего расширения системы.
Известно, что можно совершенствовать PC путем добавления в него новых или замены старых комплектующих. Поэтому при выборе корпуса рекомендуется руководствоваться не только эстетическими критериями, но и принимать во внимание его функциональные возможности.
Хотя из частей компьютера корпус выглядит наименее эффектно, в нем располагаются все основные узлы компьютера
Электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т. д.)
Блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера
Накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, используемых для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты)
Накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер)
Через специальные гнезда (разъемы), находящиеся обычно на задней стенке корпуса к компьютеру можно подключить различные устройства.
Подключение этих устройств выполняется с помощью специальных проводов (кабелей). Для защиты от ошибок разъемы для вставки этих кабелей сделаны разными, так что кабель просто не воткнется в неподходящее гнездо.
Корпус состоит из двух изогнутых в форме буквы П жестяных или стальных листов, вставленных в друг друга. На одном из листов крепится материнская плата а другой лист является крышкой.
Обычно на передней панели корпуса размещаются несколько кнопок (кнопка включения питания и кнопка Reset - сброс для перезапуска PC) и светодиодных индикаторов (LED - Light Emiting Diod) для индикации включения питания и работы винчестера. Иногда встречаются цифровые индикаторы частоты процессора.
Внутри на фронтальной панели корпуса расположен динамик (PC Speaker), который является стандартным средством подачи акустических сигналов.
Вместе с корпусом вы приобретаете блок питания. Размер блока питания определяется конструкцией корпуса. Существует множество модификаций блоков питания разного типа. Все они различаются выходными мощностями.
Типы корпусов:
Slimline - (тонкий) – по своему строению принадлежит к компактным корпусам. Они незаменимы там, где дорог каждый сантиметр рабочего стола. В таком корпусе использовано фактически все внутреннее пространство. И хотя конструкция корпуса экономит место, при необходимости замены составного элемента приходиться разбирать практически весь системный блок.
Desktop - (письменный стол) – до недавнего времени наиболее часто применяемый корпус. Самый большой недостаток – они занимаю много места на рабочем столе. Как правило ширина таких корпусов около 45 см. а высота – около 20 см.
Tower - (башня) – значительно экономит место на рабочем столе. Грубо говоря, это Desktop поставленный набок. Существует несколько модификаций таких корпусов отличающихся друг от друга по высоте: Mini-Tower (около 40 см. в высоту), Midi-Tower (около 50 см.), Big-Tower (около 60 см.).
Корпус типа АТХ - В июле 1995 г. корпорацией Intel была предложена новая спецификация на конструкцию корпуса PC (и материнской платы). В настоящее время эта спецификация принята всеми ведущими производителями PC. Появление спецификации АТХ обусловлено, с одной стороны, повышением требований к скорости работы процессора и, соответственно, теплорежиму внутри корпуса, а также увеличению количества микросхем на материнской плате (появление систем all-in-one, то есть когда на материнской карте интегрированы видео и звуковые карты, контроллеры приводов и др.). С другой стороны, появились требования более удобного и простого доступа к внутренним элементам PC. Если вы открывали крышку корпуса PC и устанавливали новые компоненты (карты расширения, винчестер и др.), то наверняка столкнулись с массой неудобств: кабели периферийных устройств перекрывают доступ к модулям памяти, CPU блокирует возможность установки полноразмерных карт в слоты расширения и пр.
Согласно стандарту АТХ материнская плата развернута на 90°, вследствие чего все слоты расширения становятся пригодными для использования полноразмерных плат, a CPU оказывается под блоком питания, и вентилятор блока питания дополнительно обдувает процессор.
Внешне корпус АТХ похож на корпус типа Desktop и Tower, однако:
Корпус АТХ оборудован новым блоком питания, отличающимся от своих предшественников размерами, конструкцией и наличием нового разъема для подключения к материнской плате
Все слоты расширения поддерживают полноразмерные платы
Наличие интегрированных портов уменьшает количество кабелей и проводов внутри корпуса, что облегчает доступ к компонентам материнской платы
Все порты ввода/вывода располагаются на одной стороне материнской платы в один ряд и выходят на заднюю стенку корпуса (здесь же могут размещаться видео, аудио и игровой порт)
Разъемы интерфейсов дисководов и винчестеров расположены рядом с посадочными местами для 3,5" приводов, следовательно, можно использовать более короткие кабели
В настоящее время появилось большое количество ATX-корпусов типа Desktop, Mini-Tower, Tower.
Современная информационная система даже небольшого предприятия состоит из самых различных устройств (стационарных компьютеров, серверов, мобильных устройств, сетевого оборудования, устройств контроля входа и прочее), которые должны работать согласованно, устойчиво и безопасно. Информационные системы крупных предприятий предполагают мультиплатформенную интеграцию облачных серверов, центров удаленной обработки данных, серверов шифрования и управления доступом, терминальных станций и серверов, проводных и беспроводных сетей, интернет-телефонии, систем поддержки пользователей, большого разнообразия прикладного программного обеспечения. Современный системный администратор должен обладать фундаментальными знаниями и способностью к постоянному самообразованию. Обучение по данному профилю позволяет сформировать основу для успешной профессиональной карьеры в сфере проектирования, создания, эксплуатации и развития вычислительных комплексов, систем и сетей предприятий и организаций.
Цель обучения — формирование следующих способностей:
- Проектирование (с использованием систем автоматизированного проектирования), моделирование, устройство и развитие вычислительных сетей и комплексов организаций и предприятий;
- Проведение аудита и диагностики информационно-технологических ресурсов предприятий и организаций;
- Внедрение и развитие систем информационной безопасности и надежности хранения данных;
- Администрирование локальных и распределенных вычислительных сетей;
- Настройка, тестирование и поддержание работы сетевого оборудования;
- Управление мультиплатформенной интеграцией сетей и устройств, работающих на различных операционных системах;
- Эксплуатация комплексов, систем, сетей и отдельных вычислительных устройств, включая поддержку пользователей, устранение неполадок, ремонт, оптимизацию вычислительных мощностей;
- Организация бесперебойного функционирования вычислительных устройств и сетей, включая обеспечение работоспособности необходимых устройств бесперебойного питания, кондиционирования, энергообеспечения, резервного хранения данных, быстрого восстановления работоспособности;
- Интеграция корпоративных информационных систем с внешними облачными сервисами, компьютерных систем с системами IP-телефонии, системами физической безопасности;
- Обеспечение надежного, устойчивого и безопасного функционирования прикладных программных комплексов;
- Настройка, тестирование, администрирование и поддержание работы различной организационной техники в рамках эффективных систем удаленного управления;
- Внедрение новых информационных технологий, новых аппаратных решений, новых ИТ-сервисов и новых методов управления аппаратной частью информационных систем современных предприятий;
- Оптимизация технико-экономических показателей вычислительных комплексов, систем и сетей;
- Управление проектами оптимизации вычислительных сетей и систем, внедрение новых информационно-телекоммуникационных технологий;
- Координация деятельности коллективов системных администраторов, инженеров по сетям и технической поддержке.
Дисциплины профиля:
- Сетевые технологии и системное администрирование;
- Системы и сети хранения данных;
- Системное и прикладное программное обеспечение;
- Вычислительные системы, сети и телекоммуникации;
- Защита информации;
- Сети и коммуникации;
- Диагностика и надежность автоматизированных систем.
Выпускники востребованы практически в любой организации и на любом предприятии. Особенно высокий спрос на выпускников предъявляют крупные корпорации, банки, страховые компании, государственные учреждения, органы муниципальной власти. Интенсивное профессиональное развитие ждет выпускников в информационно-телекоммуникационных компаниях, малых инновационных предприятий в ИТ-сфере, компаниях — системных интеграторах.
Выпускники занимают должности администраторов сетей, инженеров и руководителей ИТ-отделов, инженеров технической поддержки, инженеров по сетевому и телекоммуникационному оборудованию, специалистов по информационной безопасности, ИТ-консультантов. Выпускники могут строить собственный бизнес и развиваться в качестве ИТ-предпринимателя.
Совокупность технических и программных средств, предназначенных для информационного обслуживания людей и технических объектов, называют обобщающим термином система обработки данных . Другим обобщающим термином является информационная система .
Если информационная система используется для управления в технических системах, ее часто называют информационно-управляющей системой . Это наиболее общие названия для систем такого назначения.
ВМ – это один из классов информационных систем. Помимо класса ВМ к ним относятся ВК, ВС и сети. Рассмотрим основные отличительные признаки этих классов информационных систем.
ВМ предназначена для решения широкого круга задач пользователями, работающими в различных предметных областях (решение математических задач, обработка текстов, бухгалтерский учет, игры и др.). Основным блоком ВМ, осуществляющим преобразование информации и управление вычислительным процессом на основе программы, является процессор. (Слово «процессор» является производным от слова «процесс») Процессор инициализирует процесс исполнения программы и управляет им.
Вычислительный комплекс – это несколько ВМ (или вычислительных систем), информационно связанных между собой (обычно по последовательному каналу). При этом каждая ВМ самостоятельно управляет своими вычислительными процессами, и интенсивным (в сравнении с информационным взаимодействием процессоров в мультипроцессорных системах). Особенно широкое применение ВК получили в информационно-управляющих системах. Объекты управления в технических системах часто имеют значительную протяженность в пространстве и содержат большое число агрегатов, технологических установок и т.п. По мере развития средств и технологий компьютерных сетей в информационно-управляющих системах используются современные телекоммуникационные средства, и информационно-управляющая система реализуется в виде локальной вычислительной сети, а не ВК.
Вычислительной системой называют информационную систему, настроенную на решение задач конкретной области применения, т.е. в ней имеется аппаратная и программная специализация, обеспечивающая повышение производительности и снижение стоимости. Часто ВС содержит несколько процессоров, между которыми в процессе работы происходит интенсивный обмен информацией, которые имеют единое управление вычислительными процессами. Такие системы называются мультипроцессорными . Другим распространенным типом ВС являются микропроцессорные системы . Они строятся с использованием либо микропроцессора (МП), либо микроконтроллера, либо специализированного процессора цифровой обработки сигналов. Обычно такие системы специализированы для задач локального управления и контроля технологическим оборудованием в технических и бытовых системах. Соответствующие ВС часто называют встраиваемыми ВС .
Отличительной особенностью сетей как класса информационных систем являются развитые функции информационного взаимодействия.
Средства передачи и обработки информации в сети ориентированы на коллективное использование общесетевых ресурсов – аппаратных, информационных и программных. Абонентская система – это совокупность ВМ, программного обеспечения (ПО), периферийного оборудования, средств связи с телекоммуникационной подсистемой (коммуникационной подсетью). Коммуникационная подсистема – совокупность физической среды передачи информации, аппаратных и программных средств, обеспечивающих информационное взаимодействие абонентских систем.
В качестве физической среды передачи информации используют витую пару, кабель, оптоволокно, электромагнитные волны.
Аппаратуру информационных систем, включающую устройства вычислительной техники и телекоммуникаций, называют аппаратным обеспечением (hardware).
