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).