Основы вычислительной техники, информационных технологий и компьютерных сетей

Основы вычислительной техники, информационных технологий и компьютерных сетей

Учебное пособие содержит начальные теоретические сведения о современных информационных и коммуникационных технологиях. Приведены основы аппаратной архитектуры и программного обеспечения вычислительной техники, операционных систем, принципы обмена информацией в компьютерных сетях. Описана технология локальных сетей Ethernet, приведены методики расчета их характеристик и проектирования. Для студентов вузов и слушателей компьютерных курсов.

The textbook contains initial theoretical knowledge about modern information and communication technologies. The basics of computer hardware and software, operating systems and principles of computer networks data interchange are described. The Ethernet LAN technology, methods of its characteristics calculation and designing are also given. For college, university and computer courses students.

© 2002 http://v.ladimir.kiev.ua.

В работе использованы фрагменты электронных публикаций из сети Internet. Все цитаты и выдержки являются авторской собственностью их владельцев.

Разрешается свободное использование в некоммерческих целях.

© 2002 Оригинал-макет и электронная версия подготовлены автором.

Аннотация

Данное методическое пособие содержит начальные теоретические сведения об информатике, вычислительной технике, современных информационных и коммуникационных технологиях. Работа предназначена, прежде всего, для студентов, изучающих дисциплины «компьютерные сети и системы», «локальные сети», «системы передачи данных», и призвана исправить недостаток методической и учебной литературы, возникающий в самом начале изучения данных предметов.

Пособие рассчитано на обучение «с нуля» и может быть рекомендовано как учебник по теоретическим основам использования персонального компьютера и компьютерных сетей. Практикующим пользователям ПК работа будет полезна как справочное руководство. Желающим повысить знания в области компьютерных сетей, но не знающим «с какой стороны» подойти к проблеме, это пособие также будет полезно.

Автором предпринята попытка объединения опыта преподавания практических компьютерных курсов различного уровня сложности и изложения лекций на электротехническом факультете университета. Работа построена по принципу «от простого к сложному». Последовательность тем согласована, материал по возможности лишен избыточных сведений. В конце каждой главы приводятся вопросы и задания на анализ пройденного материала.

В работе приведены методики и примеры проектирования и расчета ЛВС на основе Ethernet.

Успехов в освоении информационных технологий!

Введение

Килограмм теории стоит тонны практики.

Учебные пособия по информатике, основам вычислительной техники, навыкам использования ПК по-разному начинают изложение материала. В этом пособии принят подход, выраженный текстом эпиграфа. Всё течет, всё меняется, и особенно этому подвержена такая динамичная отрасль современного научно-технического прогресса, как информационные технологии. Невозможно точно и сжато описать ту или иную систему, алгоритм или программу — эти описания устаревают быстрее, чем книга выходит в печать. Зато изложить суть, осветить общие принципы работы — можно и необходимо.

Во-первых, абстрактная теория, хоть и сложнее воспринимается, чем конкретные описания, она гораздо более лаконична — нет необходимости запоминать массу фактов и подробностей при понимании их принципа, смысла и назначения. Во-вторых, поняв один теоретический принцип, можно объяснить и научиться пользоваться массой подчиненных ей конкретных систем, технологий и программ. Наконец, в-третьих, теория — это опыт, собранный из тысяч конкретных фактов, поэтому она не устаревает, а только обновляется новыми фактами.

Поэтому начнем с понятия информации — главного понятия информационных технологий.

Глава 1. Начальные сведения о вычислительной технике и информационных технологиях

В данной главе описаны основные понятия информационных технологий, вычислительной техники. Приведены основные сведения об аппаратном и программном обеспечении компьютеров, основные принципы представления информации в компьютерах.

Общие сведения об информации, информационных технологиях и вычислительной технике

Вначале было слово.

Смысл слова «информация» понятен интуитивно — это данные, сведения. С философской точки зрения, информация — это духовная (нематериальная) субстанция, которая проявляется в нашем материальном мире только на физическом носителе.

Информатика — наука, изучающая информацию, ее свойства и связь с материальным миром, дает следующее определение: «информация — это сведения, упорядоченные на носителе». Носителем в общем смысле может выступать любая физическая среда. Благодаря носителям информации, ее можно использовать, а именно: хранить, получать и обрабатывать. Обработка включает в себя создание, изменение, дополнение, пересылку, уничтожение информации.

Результатом современного научно-технического прогресса в области информации являются информаци-онные технологии. Они описывают работу вычислительной техники — технических средств автоматизации, хранения и обработки информации.

Основное понятие вычислительной техники — вычислительная система. Она состоит из аппаратных устройств и программного обеспечения, необходимого для нормальной работы данных устройств (рис. 1).

Рис. 1 Обработка информации, а) традиционная, б) автоматизированная.

Аппаратная и программная части вычислительных систем будут изучаться в отдельных главах ниже. Носителями информации в современной вычислительной и коммуникационной технике являются электронные элементы, накопители и каналы передачи данных.

Информация — это объект социальных, производственных, культурных отношений. Субъектами информационных отношений являются: создатель информации (лицо, несколько лиц или машина, создавшие ее), владелец (лицо или несколько лиц, которым принадлежит информация) и лица или машины, имеющие доступ к информации (ознакомительный, полный). Информационные отношения регулируются государством законодательно. Информация всегда имеет стоимость и достоверность. Поэтому она также является объектом экономических отношений.

Виды информации

Здесь необходимо ввести понятие видов информации, так как оно понадобится уже на первых этапах изучения аппаратного обеспечения компьютеров.

Самое простое разделение информации на виды — по органам человека, которые ее воспринимают или воспроизводят. Общеизвестны такие виды информации как звуковая (речь, музыка, шум) и визуальная (текст, рисунки, кинофильмы).

Несколько иначе информация подразделяется в современной вычислительной технике. Условно приняты следующие основные виды информации:

o числовая (вид информации, давший название собственно вычислительной технике и ЭВМ);

o текстовая (текст, состоящий из символов — букв, цифр, знаков);

o графическая (графика: изображения, рисунки);

o звуковая (звук);

o видеоинформация (видео: движущееся изображение со звуком).

Вся информация в современной вычислительной технике, вне зависимости от ее вида, хранится и передается в кодированном, так называемом «двоичном» виде. Принцип двоичного кодирования будет рассмотрен несколько позже.

Рис. 2. Основные комплектующие ПК и периферийные устройства.

Перечень устройств компьютера с указанием их исполнения и назначения приведен в табл. 2.

Для более глубокого понимания назначения некоторых типов устройств, опишем компьютерную аппаратуру с точки зрения ее функций. Много устройств компьютера являются устройствами ввода-вывода, поэтому начнем с них.

Рис. 3 Тригеры

Бит (bit, b) — минимальная единица измерения количества дискретной информации. В вычислительных системах бит представлен наличием или отсутствием какого-либо свойства частиц носителя информации. В зависимости от типа данного носителя такими свойствами являются магнитная заряженность, отражаемость, электрический заряд и так далее. Один бит позволяет хранить одну цифру двоичной системы счисления: «0» или «1».

Сочетание 2 битов может принимать уже 4 состояния (рис. 3, б). Совокупность 3 битов будет иметь 8 состояний. Нетрудно проследить закономерность, что сочетание n битов даст 2n состояний. Сочетание n битов называется n-битным (n-разрядным) двоичным числом. Разрядность двоичного числа — это количество состав-ляющих его битов.

В табл. 4 приведено соответствие натуральных чисел в десятичной системе и 4-битных чисел в двоичной системе счисления (нижняя строка). Такое сопоставление и называется цифровым (двоичным) кодированием. Как видно, любое число от 0 до 15 может быть сохранено в 4 битах.

Таблица 4. Соответствие двоичных и десятичных чисел

n10

n2

Традиционно в вычислительной технике пользуются 8-разрядным двоичным числом — байтом (byte). Сосчитаем, сколько различных состояний оно может иметь: 28 = 256. Первому состоянию байта можно присвоить значение 0, второму — 1 и так далее, до 255. Таким образом, в 8 битах-триггерах можно запомнить любое деся-тичное число от 0 до 255.

На практике используются двоичные числа с разрядностью, кратной степеням двойки: 8, 16, 32, 64.

Так же, как при измерении расстояний между городами никто не пользуется метрами и сантиметрами, на практике чаще всего пользуются не байтами, и, тем более, битами, а кратными единицами измерения количества информации (табл. 5). При оценке объема информации часто округляют значения кратных единиц до более привычных степеней десяти: 1 кб ≈ 1000 байт, 1 Мб ≈ 1000 кб, и т. д.

Таблица 5. Кратные единицы измерения количества информации
Единица	Сокращенное. обозн. (русск., междунар.)	Количество байт	Приблизительное значение
1 киллобайт	кб, KB	2 в степени 10 (1024)	1 тыс. байт
1 мегабайт	Мб, MB	2 в степени 20 (1048576)	1 млн. байт
1 гигабайт	Гб, GB	2 в степени 30	1 млрд. байт
1 терабайт	Тб, TB	2 в степени 40	1 трлн. байт

После усвоения принципа двоичного кодирования числовой информации понять кодирование других видов информации достаточно легко.

Кодирование текстовой информации. Поскольку байт может принимать 256 различных состояний, можно условится, что различные его состояния обозначают различные символы: буквы алфавита, цифры и знаки препинания. Условное сопоставление символов и состояний байта называется таблицей кодировки текста. Таким образом, получается, что 1 символ текста занимает 1 байт. Например, для хранения слова «информация» необходимо 10 байт.

В связи с наличием множества различных национальных алфавитов, в том числе иероглифических, 1 символ некоторых кодировок занимает 2 в 16 степени байта. Таблица кодировки при этом имеет 216 = 65536 символов.

Цифровое кодирование графики, звука или видео называется оцифровкой. Оцифровка графики, звука и видео производится соответственно сканером (цифровым фотоаппаратом), звуковой картой и цифровой видеокамерой (видеокартой с видеовходом) с помощью специальных электронных микросхем, называемых аналого-цифровыми преобразователями (АЦП).

Кодирование графической информации. Любой рисунок в компьютере представлен как растр — совокупность матрицы мелких точек, которые называются пиксели (рис. 4). Сосчитаем, какой объем информации займет данный рисунок. Если условиться, что информацию о цвете каждого его пикселя можно запомнить в 2 байтах (16 битах), то получается, что рисунок должен иметь не более 65536 цветов. Часто этого бывает достаточно. Ко-личество пикселей (иногда деленное на длину в дюймах) называется разрешением. Разрешение рисунка по горизонтали и вертикали в данном случае 57 x 34 точек. Общее количество пикселей на рисунке равно 1938. Количество байтов, которое занимает рисунок, 1938 x 2 ≈ 3,8 кб. Очевидно, чем выше качество рисунка (разрешение и количество оттенков, которое при кодировании 1 пикселя 4 байтами достигает 4 млрд.), тем больший объем информации он займет.

Рисунки часто имеют множество пикселей одинакового цвета, поэтому они подвергаются программному сжатию, в результате занимая в 5-10 раз меньший объем информации.

Рис. 4 Растровый графический рисунок в исходном (а) и увеличенном масштабе (б)

Кодирование звука. Звук — это колебания физической среды. При оцифровке они преобразовываются из аналоговых в прямоугольные (цифровые) сигналы более высокой частоты 22-48 кГц. Эта частота называется частотой дискретизации. Уровень цифрового сигнала кодируется двоичным числом с разрядностью от 8 до 32 (рис. 5). Чем выше частота дискретизации и разрядность, тем лучше качество звучания. В процессе оцифровки закодированный звук обычно подвергается гармоническому анализу и специальному сжатию, благодаря чему объем закодированного звука уменьшается в 5-10 раз. Таким образом, нетрудно прикинуть, что 1 секунда звучания может быть закодирована в объеме информации 2-20 кб, в зависимости от качества оцифровки.

Кодирование видеоинформации. Видеоинформация — это не что иное, как быстро сменяющиеся картинки, сопровождающиеся синхронным звуком. В зависимости от разрешения изображения и частоты смены кадров, а также от качества звука, 1 секунда видеоинформации может занимать 10-500 кб.

Рис. 5 Оцифровка звука.

Рис. 6 Компьютерные программы

Закрепим сказанное схемой (рис. 6). Нетранслированные программы — всего лишь текстовая информация.

Программа в виде машинного кода, запущенная на выполнение операционной системой, называется процессом (или задачей). Инструкции процессов выполняются центральным процессором в виде операций. Современные процессоры выполняют порядка 1 млрд. операций (типа сложения или вычитания двух чисел) в секунду. В современных многозадачных операционных системах одновременно выполняется несколько процессов.

Для общей эрудиции поговорим немного о вредоносном программном обеспечении.

Компьютерный вирус — программа, способная автоматически, без контроля пользователя, размножаться с помощью компьютерной сети или накопителей. Поскольку эти программы создаются лицами из хулиганских побуждений, очень часто вирусы имеют деструктивные функции: уничтожение и искажение информации и программ пользователей. В последнее время с распространением глобальной сети Интернет, вирусы все чаще приобретают функции шпионов, получая несанкционированный доступ к информации пользователя и пересылая ее автору вируса. Разновидность вирусов — черви. Это программы, которые не используют для распространения накопители, а только компьютерную сеть.

Еще одним видом вредоносных программ являются троянские кони — программы с функциями, не указанными в сопроводительных описаниях, часто шпионскими и деструктивными.

Вредоносное программное обеспечение является одной из наиболее опасных угроз информационной безопасности. Борьбой с угрозами информационной безопасности занимается защита информации — отрасль информационных технологий. Для борьбы с вредоносным программным обеспечением выпускается антивирусное программное обеспечение. Поскольку новые вирусы появляются практически каждый день, для эффективной работы антивируса необходимо ежедневное обновление антивирусов в автоматическом режиме с помощью сети Интернет.

Основы вычислительной техники, информационных технологий и компьютерных сетей

Учебное пособие содержит начальные теоретические сведения о современных информационных и коммуникационных технологиях. Приведены основы аппаратной архитектуры и программного обеспечения вычислительной техники, операционных систем, принципы обмена информацией в компьютерных сетях. Описана технология локальных сетей Ethernet, приведены методики расчета их характеристик и проектирования. Для студентов вузов и слушателей компьютерных курсов.

The textbook contains initial theoretical knowledge about modern information and communication technologies. The basics of computer hardware and software, operating systems and principles of computer networks data interchange are described. The Ethernet LAN technology, methods of its characteristics calculation and designing are also given. For college, university and computer courses students.

© 2002 http://v.ladimir.kiev.ua.

В работе использованы фрагменты электронных публикаций из сети Internet. Все цитаты и выдержки являются авторской собственностью их владельцев.

Разрешается свободное использование в некоммерческих целях.

© 2002 Оригинал-макет и электронная версия подготовлены автором.

Аннотация

Данное методическое пособие содержит начальные теоретические сведения об информатике, вычислительной технике, современных информационных и коммуникационных технологиях. Работа предназначена, прежде всего, для студентов, изучающих дисциплины «компьютерные сети и системы», «локальные сети», «системы передачи данных», и призвана исправить недостаток методической и учебной литературы, возникающий в самом начале изучения данных предметов.

Пособие рассчитано на обучение «с нуля» и может быть рекомендовано как учебник по теоретическим основам использования персонального компьютера и компьютерных сетей. Практикующим пользователям ПК работа будет полезна как справочное руководство. Желающим повысить знания в области компьютерных сетей, но не знающим «с какой стороны» подойти к проблеме, это пособие также будет полезно.

Автором предпринята попытка объединения опыта преподавания практических компьютерных курсов различного уровня сложности и изложения лекций на электротехническом факультете университета. Работа построена по принципу «от простого к сложному». Последовательность тем согласована, материал по возможности лишен избыточных сведений. В конце каждой главы приводятся вопросы и задания на анализ пройденного материала.

В работе приведены методики и примеры проектирования и расчета ЛВС на основе Ethernet.

Успехов в освоении информационных технологий!

Введение