Вычислительные машины, сети и системы

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
№ 4696
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
Москва 2023

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
3

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
4

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
5

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
6

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
7

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
8

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
9

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
10