ША     ШД

Основная задача микропроцессора – обрабатывать цифровую информацию, то есть производить основные арифметические и логические операции. Кроме того, он должен управлять процессом этой обработки. Таким образом, в состав микропроцессора должны входить арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). Для сверхоперативного хранения текущей информации служат регистры. На рисунке 10 представлена обобщенная структурная схема микропроцессора.

Рисунок 10

На рисунке 10, кроме АЛУ и УУ, представлен набор регистров, выполняющих различные функции.

Регистр операндов О (регистр-аккумулятор) аккумулирует все результаты вычислений, производимых микропроцессором. Если для вычислительной операции требуются два числа, то одно из них, обычно, хранится в регистре О.

Регистр команд К служит для хранения кода операции (КОП) команды, либо ее адресной части.

Регистр адреса А предназначен для временного хранения адреса очередной команды, которую надо извлечь из памяти.

Регистр флажков Ф состоит из триггеров, срабатывание каждого из которых зависит от появления какого-либо признака после выполнения операции в АЛУ. Например, при нулевом результате сработает триггер нуля ZF, при отрицательном – триггер отрицательного результата, при переполнении разрядной сетки – триггер переполнения OF и т.д.

Регистр состояния С служит для фиксации состояния микропроцессора в данный момент  времени. Такая информация нужна устройству управления для выработки соответствующих сигналов управления.

Регистр-счетчик СК предназначен для формирования адреса следующей по порядку в программе команды для выборки ее из памяти.

Регистры общего назначения  РОН образуют внутреннюю память или свехоперативное запоминающее устройство (СОЗУ). Чем больше их число, тем большее количество операций можно производить внутри микропроцессора, не обращаясь к внешней по отношению к нему памяти, что увеличивает производительность микропроцессора.

Указатель стека УС содержит адрес вершины стека, под который отводятся свободные ячейки оперативной памяти. Память, отведенная под стек, работает по принципу «последний пришел – первый ушел».  Используется для организации прерываний в программе.

Микропроцессор через систему шин (ША – шина адресов, ШД – шина данных, ШУ – шина управления) должен быть связан с внешним по отношению к нему оборудованием, например, оперативным запоминающим  устройством (ОЗУ), постоянным запоминающим устройством (ПЗУ), устройствами ввода и вывода.  При этом образуется микропроцессорная система. Состав микропроцессорной системы можно расширить за счет микросхем, входящих в состав микропроцессорного комплекта, который содержит микросхемы вспомогательных цифровых устройств, электрически и во времени совместимых с микропроцессором. К таким устройствам, например относятся:

-  таймер – для задания времязадающих функций;

- программируемое устройство ввода-вывода;

- устройство прямого доступа к памяти;

- устройство передачи информации по последовательному каналу и т.д.

Если на одном кристалле микропроцессора разместить основные компоненты микропроцессорной системы, то получим устройство, которое называется микроконтроллером. Для микроконтроллеров характерны малая потребляемая мощность, расширенные возможности работы с памятью и низкая стоимость. Большинство микроконтроллеров имеют  RISC  архитектуру (Reduced Instruction Set Computer – с сокращенным набором команд). В основе такой архитектуры лежат четыре основных принципа:

1)    любая операция выполняется за один такт;

2)    система команд содержит минимальное количество инструкций одинаковой длины;

3)    операция обработки данных реализуется в формате «регистр-регистр»;

4)    результаты формируются со скоростью одно слово за такт.

Если микропроцессорную систему оформить как автономное устройство, в состав которого включить источник питания, устройства сопряжения и отображения информации, комплект программного обеспечения, то получим устройство, получившее название микро-ЭВМ. Универсальная микро-ЭВМ называется компьютером, а специализированная – встроенной микропроцессорной системой.

По вычислительной мощности компьютеры делятся на персональные компьютеры и суперкомпьютеры. Персональные – ориентированы как на широкое применение, так и на выполнение специальных задач, например, в бортовых системах. Суперкомпьютер – устройство общего назначения, выполняющее большие вычислительные задачи с числом операций порядка триллиона. Суперкомпьютеры являются стратегическим товаром и редко пересекают границы государств производителей.

Для создания мультипроцессорных систем был разработан микропроцессор, получивший название транспьютер. Этот процессор способен обрабатывать большие массивы информации с высокой скоростью (более 10 миллионов операций в секунду). Он имеет четыре канала связи для соединения с другими транспьютерами, образуя транспьютерные сети

Если микропроцессор имеет специальную архитектуру, предназначенную для решения задач цифровой обработки сигналов, например, задач цифровой фильтрации или спектрального анализа, то такой процессор называется сигнальным.

Диапазон применения микропроцессорной техники очень широк, и требования, предъявляемые к ним – различны. Поэтому сформировалось несколько типов микропроцессорных систем, различающихся мощностью, универсальностью, быстродействием и структурой.

Основные типы микропроцессорных систем:

-микроконтроллеры – наиболее простой тип микропроцессорных систем, в которых все или большинство узлов системы выполнены в виде одной микросхемы;

- контроллеры – управляющие микропроцессорные системы, выполненные в виде отдельных модулей;

-микрокомпьютеры – более мощные микропроцессорные системы с развитыми средствами сопряжения с внешними устройствами;

-компьютеры (в том числе персональные) - самые мощные и наиболее универсальные микропроцессорные системы.

Микроконтроллеры представляют собой универсальные устройства, которые всегда используются не сами по себе, как уже говорилось в лекции 1, а в составе более сложных устройств, в том числе и контроллеров. Системная шина микроконтроллера скрыта от пользователя внутри микросхемы. Возможности подключения внешних устройств к микроконтроллеру ограничены. Устройства на МК обычно предназначаются для решения одной задачи.

Контроллеры создаются, как правило, для решения одной или группы близких задач. Они обычно не имеют возможностей подключения дополнительных узлов или устройств, например, большой памяти, средств ввода-вывода. Их системная шина чаще всего недоступна пользователю. Структура контроллера проста и оптимизирована под максимальное быстродействие. В большинстве случаев выполняемые программы хранятся в постоянной памяти и не меняются. Конструктивно контроллеры выполняются на одной плате.

Контроллеры требуются практически во всех устройствах, которые окружают нас. В качестве примера, на рисунке 11 приведены узлы автомобиля, в которых применяются микроконтроллеры.

Рисунок 11– Узлы автомобиля, в которых применяются

Микроконтроллеры

Вопросы для самопроверки

1)     Что такое двоично-десятичное кодирование?

2)     Какие два класса цифровых устройств вы знаете?

3)     Что такое дешифратор? Объясните принцип его работы.

4)     Что такое мультиплексор? Объясните принцип его работы.

5)     Как работает полный двоичный сумматор?

6)       Какие триггеры вы знаете? В чем разница между RS – и JK – триггерами?

7)       Постройте двоичный счетчик с Ксч = 4. Объясните его работу по временным диаграммам.

8)      Для чего предназначен регистр?  Какие типы регистров вы знаете?

9)      Сформулируйте понятие микропроцессор.

10)    Из каких основных составных частей должен состоять микропроцессор?

11)    Дайте краткую характеристику основных регистров, входящих в состав микропроцессора.

12)    Что должно обязательно входить в состав микропроцессорной системы?

13)   Что такое микроконтроллер?

14)   Какие основные принципы лежат в архитектуре микроконтроллера?

15)   Что такое микро-ЭВМ?

16)   Какие компьютеры вы знаете?

17)   Что такое транспьютер? Для чего его используют?

18)   Какие задачи решает сигнальный процессор?

4 Лекция. Цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры

Цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры

Цель лекции: изучение принципов организации ввода цифрового сигнала; обработка полученного массива данных с использованием различных алгоритмов; конечный вывод полученного результата, или обратное преобразование цифрового сигнала в различные виды аналоговой формы.

Благодаря успехам микроэлектроники системы ЦОС не только воплотились в реальность, но и вошли в нашу повседневную жизнь в виде CD- и DVD-проигрывателей, модемов, сотовых телефонов и многого другого. Более того, в некоторых прикладных областях ЦОС стала вытеснять “традиционную” (аналоговую). В значительной степени это произошло в аудиотехнике, телефонии. Интенсивно идет процесс перехода телевизионного вещания на цифровую основу. Бурное развитие цифровых технологий во многом изменило как стиль самого понятия “радиотехника”, так и требования, предъявляемые к подготовке специалистов в этой области, сделав необходимыми новые знания и умения. Начавшие появляться в последнее время книги, посвященные цифровым сигнальным процессорам,  уделяют большое внимание архитектуре процессоров и средствам разработки программ для них, нежели теоретическим вопросам и алгоритмам.

 Задачи ЦОС сигнала обычно сводятся к трем действиям: ввод цифрового сигнала, или преобразование входного аналогового сигнала в цифровую форму; обработка полученного массива данных с использованием различных алгоритмов; вывод полученного результата, или обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговую форму.

Перечисленные преобразования должны происходить по определенным правилам, смысл которых отображен на рисунке 12, где показаны основные элементы обобщенной схемы ЦОС.

На вход системы поступает ограниченный по длительности аналоговый сигнал . В силу конечной длительности сигнала его спектр бесконечен!

Бесконечность спектра является препятствием для преобразования сигнала  в цифровую форму. Для ограничения спектра используется фильтр нижних частот ФНЧ. Спектр ограничивается верхней частотой . Далее сигнал  поступает на вход аналого-цифрового преобразователя, в котором осуществляется дискретизация сигнала по времени и квантования по уровню. При дискретизации аналоговый сигнал  заменяется отсчетами мгновенных значений , взятыми через интервал времени (интервал дискретизации) Т ( см. рисунок 12 а). Чем меньше интервал дискретизации Т, тем точнее последовательность отсчетов  будет отображать исходный сигнал. Интервал дискретизации определяет частоту дискретизации

Рисунок 12 - Обобщенная схема ЦОС

;.                              (5.1)

Чем выше , тем труднее вычислителю выполнить большое количество операций над отсчетами в темпе их поступления на переработку, и тем сложнее должно быть его устройство. Таким образом, точность представления сигнала требует увеличить , а стремление сделать вычислитель как можно более простым приводит к желанию понизить .  Однако существует ограничение на минимальное значение : для полного восстановления непрерывного сигнала  по его отсчетам  необходимо и достаточно, чтобы частота дискретизации  была, как минимум, в два раза больше наивысшей частоты  в спектре передаваемого сигнала , т.е.

 .                                           (5.2)

Соотношение (5.2) получило название теоремы Котельникова.

Реальные сигналы ограничены во времени, поэтому их спектр бесконечен (см. рисунок 16 б). Отсюда следует, что при  дискретизация невозможна. Тем не менее, в спектре любого конечного сигнала есть такие частоты, которые, начиная с некоторой , имеют незначительные амплитуды, и поэтому ими можно пренебречь без заметного искажения самого сигнала. Значения  определяется конкретным типом сигнала и решаемой задачи. Например, для стандартного телефонного сигнала

 кГц  - минимальная стандартная частота его дискретизации  кГц. Ограничение спектра до частоты  осуществляется аналоговым ФНЧ, получившем название антиэлайсингового.  Сигнал и его спектр на выходе ФНЧ изображены на рисунке 16 в. Квантование отсчетов по уровням (или квантование) производится с целью формирования последовательности чисел: весь диапазон изменения величины отсчетов разбивается на некоторое количество дискретных уровней N, и каждому отсчету по определенному правилу присваивается значение одного из двух ближайших уровней квантования, между которыми оказался данный отсчет (рисунок 13 е). В результате получается последовательность чисел , представляемых в двоичном коде. Количество уровней определяется разрядностью п АЦП; так если п = 3, то всего можно иметь  уровней квантования, а минимальное и максимальное значения отсчетов соответственно  и . Ясно, что квантованный отсчет отличается от выборки . Это отличие является ошибкой квантования:   

,                    (5.3)

которое тем больше, чем меньше п. Максимальная ошибка квантования равна половине шага квантования , т.е

,

где                                                                                     (5.4)

Отсюда следует, что чем больше разрядность АЦП, тем точнее представляется отсчет и тем сложнее и дороже оказывается АЦП. Современные АЦП имеют разрядность от 8 до 20. Последовательность  поступает на вычислитель, который по заданному алгоритму каждому отсчету  ставит в однозначное соответствие выходной отсчет   . Результатом обработки исходного сигнала является новая цифровая последовательность – цифровой сигнал  (рисунок 13 ж), существенно отличающийся от . Количество операций (умножений, сложений, пересылок и т.д.) для получения одного отсчета  может исчисляться тысячами, поэтому вычислитель должен работать на более высокой тактовой частоте , чем , чтобы успеть произвести все необходимые действия до поступления очередного отсчета , т.е. какой бы сложности не был алгоритм, время переработки  не должно превышать периода дискретизации  

Именно при этих условиях возможна работа вычислителя в реальном масштабе времени, т.е. в темпе поступления входных отсчетов. Например, при обработке стандартного телефонного сигнала с  кГц  для обеспечения работы вычислителя в реальном масштабе времени тактовая частота должна быть, по крайней мере, 6 МГц, как в процессорах первого поколения TMS320C10. Полученные выходные отсчеты подаются на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), формирующий ступенчатый сигнал  – (см. рисунок 16 з), который затем с помощью сглаживающего фильтра НЧ преобразуется в аналоговый выходной сигнал  (рисунок 13 ж). Из всего сказанного вытекает ряд ограничений, влияющих на характер и выбор элементной базы для реализации вычислителя: разность регистров вычислителя должна быть большой и превышать разность ЦАП во избежание дополнительных ошибок при округлении результатов вычислений;  - тактовая частота, на которой работает вычислитель, должна в сотни раз превосходить частоту дискретизации, если предъявляются требования реального времени.

Рисунок 13 - Непериодические сигналы и их спектры

Вопросы для самопроверки

1)       Задачи ЦОС?

2)       Основные элементы обобщенной схемы ЦОС.

3)       С какой целью используется фильтр нижних частот ФНЧ?

4)       Теорема Котельникова.

5)       Максимальная ошибка квантования равна?

6)       Чему равна частота дискретизации?

7)       Каким образом определяется количество уровней?  

5 Лекция. Системы автоматизированного проектирования (САПР)

Цель лекции: ознакомление с методами организации комплексных программно-технических систем, предназначенных для выполнения проектных работ с применением математических методов.

Системы САПР широко используются в архитектуре, электронике, энергетике, механике и др. В процессе автоматизированного проектирования в качестве входной информации используются технические знания специалистов, которые вводят проектные требования, уточняют результаты, проверяют полученную конструкцию, изменяют ее и т.д.

Кроме того, в САПР накапливается информация, поступающая из библиотек стандартов (данные о типовых элементах конструкций, их размерах, стоимости и др.). В процессе проектирования разработчик вызывает определенные программы и выполняет их. Из САПР информация выдается в виде готовых комплектов законченной технической и проектной документации. 

Использование компьютеров в административном управлении

Системы автоматизированного проектирования (САПР) — комплексные программно-технические системы, предназначенные для выполнения проектных работ с применением математических методов.

Основные применения компьютеров в административном управлении следующие.

Электронный офис. Это система автоматизации работы учреждения, основанная на использовании компьютерной техники. В нее обычно входят такие компоненты, как:

–         текстовые редакторы;

–         интегрированные пакеты программ;

–         электронные таблицы;

–         системы управления базами данных;

–        графические редакторы и графические библиотеки (для получения диаграмм, схем, графиков и др.);

–        электронные записные книжки;

–        электронные календари с расписанием деловых встреч, заседаний и др.;

–        электронные картотеки, обеспечивающие каталогизацию и поиск документов (писем, отчетов и др.) с помощью компьютера;

–        автоматические телефонные справочники, которые можно листать на экране, установить курсором нужный номер и соединиться.

Автоматизация документооборота с использованием специальных электронных устройств:

• адаптера (лат. adaptare — приспособлять) связи с периферийными устройствами, имеющего выход на телефонную линию;
• сканера (англ. scan — поле зрения) для ввода в компьютер документов — текстов, чертежей, графиков, рисунков, фотографий.

Электронная почта. Это система пересылки сообщений между пользователями вычислительных систем, в которой компьютер берет на себя все функции по хранению и пересылке сообщений. Для осуществления такой пересылки отправитель и получатель не обязательно должны одновременно находиться у дисплеев и не обязательно должны быть подключены к одному компьютеру.

Отправитель сообщения прежде всего запускает программу отправки почты и создает файл сообщения. Затем это сообщение передается в систему пересылки сообщений, которая отвечает за его доставку адресатам. Спустя некоторое время сообщение доставляется адресату и помещается в его «почтовый ящик», размещенный на магнитном диске. Затем получатель запускает программу, которая извлекает полученные сообщения, заносит их в архив и т.п.

Система контроля исполнения приказов и распоряжений.

Система телеконференций. Это основанная на использовании компьютерной техники система, позволяющая пользователям, несмотря на их взаимную удаленность в пространстве, а иногда, и во времени, участвовать в совместных мероприятиях, таких, как организация и управление сложными проектами.

Пользователи обеспечиваются терминалами (обычно это дисплеи и клавиатуры), подсоединенными к компьютеру, которые позволяют им связываться с другими членами группы. Для передачи информации между участниками совещания используются линии связи.

Работа системы регулируется координатором, в функции которого входит организация работы участников совещания, обеспечение их присутствия на совещании и передача сообщаемой ими информации другим участникам совещания.

В некоторых системах телеконференцсвязи участники имеют возможность «видеть» друг друга, что обеспечивается подсоединенными к системам телевизионными камерами и дисплеями.

6 Лекция. Компьютер и его основные компоненты. Классификация компьютеров

Цель лекции: изучение основных компонентов, систем связи и сопряжения узлов и блоков компьютера.

Компьютер (англ. computer – вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами

Состав

–       Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств.

–        Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) – заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.

–        Состав вычислительной системы называется конфигурацией.

–       Принципы построения компьютеров

–       Основу построения компьютеров сформулировал в 1945 г. американский ученый Джон фон Нейман.

Компьютер должен иметь следующие устройства:

–       арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

–       устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

–       запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;

–       внешние устройства для ввода-вывода информации.

Связи между устройствами компьютера:

Рисунок 14

АЛУ – арифметико-логическое устройство

УУ – устройство управления

ВУ – внешние устройства

®              – управляющие связи

ð            – информационные связи

Классификация компьютеров

–       По этапам развития (по поколениям).

По архитектуре.

–       По производительности.

–       По условиям эксплуатации.

–       По потребительским свойствам и т.д.

Компьютеры первого поколения.

1946 г. Американцы Дж. Эккерт и Дж. Моучли сконструировали первый электронный цифровой компьютер "Эниак" (Electronic Numerical Integrator and Computer). Машина имела 20 тысяч электронных ламп и 1,5 тысячи реле. Она работала в тысячу раз быстрее, чем "Марк-1", выполняя за одну секунду 300 умножений или 5000 сложений.

Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью его свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные.

Основные функции определяют назначение компьютера: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами.

Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения:

1) Классическая архитектура

Рисунок 15

2) Многопроцессорная архитектура

Рисунок 16

3) Многомашинная вычислительная система

4) Архитектура с параллельными процессорами

Рисунок 17

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними.

Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter — между, и face — лицо).

Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты.  

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).

Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

Внутримашинный системный интерфейс —система связи и сопряжения узлов и блоков компьютера между собой — представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

Системная шина- это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между микропроцессором и основной памятью;

2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

3) между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.

Функциональными характеристиками системной шины являются:

–       количество обслуживаемых ею устройств;

–       пропускная способность.

В качестве системной шины в разных ПК могут использоваться:

–       шины расширений;

–       локальные шины.

Вопросы для самопроверки

1)       Что называют внутримашинным интерфейсом?

2)       Организация внутримашинного интерфейса?

3)       Что такое системная шина?

4)       Что входит в состав системной шины?

5)       Назовите основные функциональные характеристики ПК.

6)       Назовите  значения характеристик ПК.

7)       Назовите основные факторы влияющие на производительность ПК.

8)       Перечислите главные устройства компьютера.

9)       Какие архитектуры называются «фон-неймановскими»?

10)   Что понимается под архитектурой компьютера? Какие характеристики компьютера определяются этим понятием?

11)   Что понимается под структурой компьютера? Какой уровень детализации описания компьютера может она обеспечить?

12)   Перечислите распространённые компьютерные архитектуры.

13)   Каковы отличительные особенности классической архитектуры?

14)   Как характер решаемых задач связан с архитектурой компьютера?

15)   Какие отличительные особенности присущи многопроцессорной архитектуре? Многомашинной архитектуре? Архитектуре с параллельным процессором?

7 Лекция. Память компьютера

Цель лекции: изучение семейства разновидностей памяти.

–       регистровой;

–       оперативной;

–       КЭШ;

–       постоянной;

–       CMOS (КМОП);

–       внешней.

Существование целой иерархии видов памяти объясняется их различием по быстродействию, энергозависимости, назначению, объему и стоимости. Многообразие видов памяти помогает снять противоречие между высокой стоимостью памяти одного вида и низким быстродействием памяти другого вида.

Регистровая память

Регистровая память – наиболее быстрая (ее иногда называют сверхоперативной). Она представляет собой блок регистров (БР), которые размещены внутри процессора.

Регистры используются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет, сдвиг операндов, запоминание адресов, фиксация состояния процессора и т. д.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Random Access Memory – память с произвольным доступом. Термин «произвольный доступ»  означает, что можно считать (записать) информацию в любой момент времени из любого (в любой) ЭП. 

При отключении питания вся информация из ОЗУ теряется.  Характеризуется объемом в мегабайтах. Типичные значения: 64, 128, 256, 512 Мбайт и т.д. Любая программа, которая открыта в данный момент, загружена в оперативную память.

Чем больше память, тем больше можно загрузить, тем выше быстродействие.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. В настоящее время в процессорах Intel Pentium и некоторых других принята 32-разрядная адресация, а это означает, что всего независимых адресов может быть 232. Таким образом, в современных компьютерах возможна непосредственная адресация к полю памяти размером 232 = 4 294 967 296 байт (4,3 Гбайт). Однако это отнюдь не означает, что именно столько оперативной памяти непременно должно быть в компьютере. Предельный размер поля оперативной памяти, установленной в компьютере, определяется микропроцессорным комплектом (чипсетом) материнской платы и обычно составляет несколько сот Мбайт.

Представление о том, сколько оперативной памяти должно быть в типовом компьютере, непрерывно меняется. В середине 80-х годов поле памяти размером 1 Мбайт казалось огромным, в начале 90-х годов достаточным считался объем 4 Мбайт, к середине 90-х годов он увеличился до 8 Мбайт, а затем и до 16 Мбайт. Сегодня типичным считается размер оперативной памяти 256 - 1000 Мбайт, но очень скоро эта величина будет превышена в 2-4 раза даже для моделей массового потребления.

Single Data Rate (синхронная память) - ее микросхемы используют конвейерную архитектуру и, кроме того, внутренний доступ типа "пинг-понг" к нескольким (обычно четырем) блокам памяти с чередованием адресов. Синхронизация работы SDRAM позволяет контроллеру памяти точно знать время готовности данных.

Cтандарт памяти DDR2 SDRAM SPECIFICATION, JESD79-2, ревизия A (JESD79-2A), утвержденный JEDEC (Joint Electronic Device Engineering Council). Принцип ее функционирования — передача данных (на уровне модуля памяти) осуществляется по 64-разрядной шине по обеим частям синхросигнала (восходящему — «фронту», и нисходящему — «срезу»), что обеспечивает удвоенную эффективную скорость передачи данных по отношению к ее частоте. В DDR2 реализован ряд нововведений, которые позволяют осуществить скачок к гораздо более высоким частотам (а, следовательно, большей пропускной способности) и большим емкостям массивов микросхем, с одной стороны, и уменьшенному энергопотреблению модулей, - с другой. Модули памяти типа DDR2 производятся в новом форм-факторе, в виде 240-контактных модулей DIMM, электрически не совместимых со слотами для модулей памяти типа DDR (по количеству выводов, расстоянию между выводами и цоколевке модулей). Таким образом, стандарт DDR2 не предусматривает обратной совместимости с DDR.

Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают:

–        динамическую память (DRAM);

–        статическую память (SRAM).

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. 

Статическая память

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает наиболее высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

КЭШ-память

Кэш-память невидим для пользователя и данные, хранящиеся там, недоступны для прикладного программного обеспечения. Процессор использует кэш исключительно самостоятельно, помещая туда извлеченные им из ОЗУ данные и команды программы и запоминая при этом в специальном каталоге адреса, откуда информация была извлечена. Если эти данные потребуются повторно, то уже не надо будет терять время на обращение к ОЗУ – их можно получить из кэш-памяти значительно быстрее.

Поскольку объем кэш существенно меньше объема оперативной памяти, его контроллер (управляющая схема) тщательно следит за тем, какие данные следует сохранять в кэш, а какие заменять: удаляется та информация, которая используется реже или совсем не используется. Следует заметить, что кэш-память является очень эффективным средством повышения производительности компьютера, в чем легко убедиться на практике, если в вашем компьютере предусмотрена возможность отключения кэш.

Кэш-память распределяют по нескольким уровням:

–      Кэш первого уровня (L1) выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт.

–      Кэш второго уровня (L2) находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле.

Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.

–      Кэш третьего уровня (L3) выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

Раньше использовались модули с микросхемами EDO (Extended Data Out) и FPM(Fast Page Mode).

Новое поколение процессоров стимулировало разработку более скоростной памяти SDRAM (Synchronous DRAM – синхронная динамическая память) с тактовой частотой 66 МГц, а модули памяти с такими микросхемами получили название DIMM (Dual In-line Memory Module) с 168 контактами по 84 с каждой стороны.

Динамическая память

–     Для решения проблемы ограниченности частоты (66 МГц ) корпорация Intel разработала спецификацию для микросхем памяти – РС100 (число 100 говорит о частоте работы запоминающей матрицы). На ее основе стали производиться сначала микросхемы РС100 SDRAM, а потом и РС133 SDRAM. Оба типа модулей памяти успешно работают с процессорами типа Pentium III.

–     На смену PCI00 должна была прийти память Rambus, как это планировала корпорация Intel, но данная технология, увы, оказалась слишком дорогой и сложной. И ныне различные модификации памяти типа Rambus используются только в высокопроизводительных серверах и рабочих станциях, где самое важное – производительность вычислительного устройства.

–     Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов (МДП-структур), способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатки: при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы и потери заряда ячеек, ее надо постоянно не «подзаряжать». Для этого необходима постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

–     Динамическая память представляет собой матрицу запоминающих элементов — конденсаторов, каждый из которых хранит один бит информации (заряжен или разряжен). Для считывания и записи служат буферы объемом в одну строку матрицы. Например, для микросхемы памяти объемом 1 Мбит размер матрицы составит 1024x1024 конденсатора, а размер буфера — 1024 бита.

–     При обращении к ячейке памяти по адресной шине передаются последовательно номера строки и столбца, синхронизируемые сигналами RAS и CAS. Затем в буфер считывается нужная строка. При этом заряженные конденсаторы, естественно, разряжаются и теряют информацию. Если выполняемой операцией будет запись, то нужный бит в буфере (в соответствии с номером столбца) изменяется и вся строка записывается обратно, восстанавливая содержимое памяти.

–     При чтении нужный бит выбирается из строки и подается на выход, а строка записывается без изменений. Из этого описания понятно, что процесс доступа к памяти содержит много шагов и требует для своего выполнения нескольких тактов внешнего сигнала.

–     У конденсаторов есть токи утечки и определенное время саморазряда. Поскольку их емкость очень невелика, то и время саморазряда получается весьма малым — порядка единиц или долей миллисекунды. Поэтому память нуждается в процессе регенерации, периодически восполняющем заряд конденсаторов. Собственно, сама запись из буфера строки и является операцией регенерации. Необходимо лишь позаботиться о том, чтобы регенерации подвергался весь объем памяти, а не только тот ее фрагмент, с которым происходит интенсивная работа.

–     Однако если для работы программы требуются последовательные адреса памяти (а такое происходит достаточно часто), то ячейки могут оказаться в пределах одной строки. Значит, обмен с ними может происходить гораздо быстрее, так как работать приходится уже не с матрицей конденсаторов, а лишь с буфером, содержащим одну строку.

–     Существуют и другие способы повышения скорости последовательного доступа, например при обеспечении параллельной работы нескольких банков памяти. Это не скажется на времени первоначального доступа к произвольной ячейке памяти, а вот устоявшуюся скорость передачи последовательных данных можно увеличивать пропорционально количеству банков, работающих параллельно.

–     Оба эти способа широко используются в современных модулях памяти, в результате чего скорость последовательного доступа уже в 10—15 раз превышает скорость произвольного доступа. Тем не менее средняя устоявшаяся скорость доступа заметно ниже максимальной, поскольку периодически все-таки приходится передавать адреса строк и производить обмен между буфером и массивом конденсаторов, т.е. проводить полный цикл, а также циклы регенерации.

Для использования с процессорами Athlon и Pentium 4 было разработано второе поколение микросхем SDRAM – DDR SDRAM  (Double Data Rate). Технология DDR SDRAM позволяет передавать данные по обоим фронтам  каждого тактового  импульса,  что дает возможность удвоить пропускную способность памяти. При дальнейшем развитии этой технологии в микросхемах DDR2 SDRAM удалось за один тактовый импульс передавать уже 4 порции данных.

При этом следует отметить, что увеличение производительности   происходит  за  счет  оптимизации   процесса  адресации   и  чтения/записи ячеек памяти,  а тактовая частота остается прежней. То есть общая производительность компьютера не увеличивается в два и четыре раза, а всего на десятки процентов.

Только совсем недавно появились микросхемы, которые действительно работают с частотой 200 МГц.

Основные показатели ОЗУ

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и быстродействие. Быстродействие памяти характеризуется двумя параметрами:

–        временем доступа (access time);

–        длительностью цикла (cycle time).

SIMM-модули поставляются объемами 4,8,16,32 Мбайт, а DIMM-модули – 16, 32, 64,128 Мбайт и более.

Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти. Время доступа и длительность цикла измеряется в наносекундах, нс. Типичное время доступа к оперативной памяти для SIMM-модулей – 50-70 нс. Для современных DIMM-модулей оно составляет 7-10 нс.

ПОКАЗАТЕЛИ  DDR SDRAM

Чтобы отличать модули DDR SDRAM от старых PC 100/133 (принцип маркировки по тактовой частоте) на модули памяти стали наносить маркировку, в которой указывается пропускная способность канала "модуль-процессор". Например, число в маркировке Р1600, Р2100 или Р3200 рассчитывается по формуле;

Пропускная способность,

Мбайт/с

Эта формула показывает, что производительность системы "процессор-память" можно увеличить двумя способами:

–        повысить тактовую частоту;

–        увеличить разрядность шины данных.

Память DDR2

Семейство чипсетов, поддерживающих новый стандарт памяти DDR2, уже сейчас насчитывает восемь моделей. А это значит, что в 2005 г. началось массовое внедрение стандарта DDR2.

Технология DDR2 действительно пришла всерьез и надолго, и возможностей даже нынешнего стандарта 533 MHz наверняка хватит на очень приличный отрезок времени, так как сейчас они используются только наполовину. Поэтому сложно сказать, когда мы снова вернемся к тестированию модулей памяти, – наверное, никак не раньше того момента, когда память DDR2-800 станет привычным атрибутом mainstream-систем.

ПЗУ – ROM  (Read Only Memory)

В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего – ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без питания.

ПЗУ – ROM  (Read Only Memory) – микросхемы для длительного хранения данных,  когда  РС выключен. В ПЗУ входит комплект программ  базовой системы в/в BIOS (Basic Input Output System). Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора, выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково).

Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам.

Этот исходный адрес команды не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет. Он указывает на другой тип памяти – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» – их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Постоянное запоминающее устройство также строится на основе установленных на материнской плате модулей (кассет) и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS – Base Input-Output System) и др.

Из ПЗУ можно только считывать информацию, запись информации в ПЗУ выполняется вне ЭВМ в лабораторных условиях. Модули и кассеты ПЗУ имеют емкость, как правило, не превышающую нескольких сот килобайт.

ПЗУ – энергонезависимое запоминающее устройство.

Перспективным видом постоянной памяти является память с электрическим способом стирания и записи информации (FLASH-память), которая при острой необходимости позволяет перепрограммировать ПЗУ и тем самым оперативно улучшить характеристики ЭВМ.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Энергонезависимая память CMOS

Стандартные устройства, как клавиатура, мышь могут обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами. Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы. Для того, чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры. По очевидным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве.

Специально для этого на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», по технологии изготовления называемая CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

8 Лекция. Сетевое оборудование

Цель лекции: выбор методов доступа, управление трафиком и примеры использования сетевого оборудования.

Связь и передача данных между пользователями возможно только тогда, когда установлена физическая связь (ПСА) и кабель и установлены правильные протоколы. Но этого ещё недостаточно. Необходимо определить методы передачи данных непосредственно по кабелю, т.е. методы доступа.

Методы доступа – набор правил, которые определяют, как компьютер должен отправлять и принимать данные по сетевому кабелю.

Управление трафиком

В сети все компьютеры физически имеют доступ к кабелю. Однако, если два компьютера попытается одновременно передавать данные, то их пакеты ''столкнутся'' друг с другом и будут испорчены. Это называется коллизией.

Поэтому необходимо чтобы:

1)  поместить данные в кабель без «столкновения» с уже

передаваемыми по нему данными;

2)   принять данные с уверенностью об их целостности.

Все компьютеры в сети должны иметь один и тот же метод доступа, чтобы одни не доминировали над другими.

Сетевая карта

Для связи с другими компьютерами по локальной сети. Характеризуются скоростью передачи данных (10, 100, 1000 Мбит). Некоторые устройства используют для передачи витую пару (UTP, STP), некоторые – коаксиальный кабель (10Base2, 10Base5).

Компьютеры соединены в сеть для того, чтобы обмениваться информацией. Соединения бывают самых разных типов, от обычного коаксиального кабеля (такого, же что идет к телевизору) до оптоволокна или радиоволн (Bluetooth, Wi-Fi, WiMax). В любом случае, сетевая карта является тем самым посредником, который принимает все эти сигналы и передает их компьютеру.

Модем

Назначение модема такое же как и у сетевой карты – соединение компьютеров для обмена информацией. Различен только принцип работы.

Дело в том, что до некоторого времени по телефонной линии могли передаваться только аналоговый сигнал (в виде волн), в то время как компьютер может работать только с цифровыми данными (в виде 0 и 1), проблему решил модем (модулятор-демодулятор), он преобразует цифровой сигнал в аналоговый, что позволяет ему путешествовать по телефонной линии и наоборот, аналоговый сигнал в цифровой, чтобы его мог понять компьютер.

Внутренний модем вставляется в разъем на материнской плате и скрыт от глаз, внешний модем, как исходит из названия подключается к серийному порту компьютера (или USB). Преимущество внутреннего модема – не занимает места, дешевле, преимущество внешнего модема – возможность внешнего переключения.

DSL-модем

TV-тюнер

С его помощью можно использовать компьютер как телевизор, а также записывать передачи на жесткий диск.

Маршрутизаторы представляют комбинацию аппаратного и программного обеспечений.

Аппаратно сетевой сервер, компьютер, специальные устройство, интерфейсы различных сетей: Ethernet, Token Ring, Т1, FR, ATM.

Программно операционная система, протоколы маршрутизации, управляющие ПО.

Маршрутизаторы (routers) работают на сетевом уровне модели OSI. И поскольку они находятся на более высоком, чем мосты уровне, то им доступна большая информация, которая используется для оптимизации доставки пакетов. Имея большую информацию о маршрутах, они обходят более медленные или неисправные каналы связи. Мосты в таких случаях создают определенные проблемы, т.к. сообщения рассылаются по сегменту в целом. Маршрутизаторы направляют пакеты к конкретным устройствам. Но они более медленные, так как должны вычислять и адрес сети, и адрес устройства. Маршрутизаторы большей степени защищают сеть, они могут использоваться в качестве брандмауэров.

Маршрутизаторы являются дальнейшим развитием мостов:

-       мосты производят фильтрацию по МАС-адресу;

-       маршрутизаторы могут осуществлять фильтрацию как по аппаратному адресу (МАС-адресу), так и по сетевому адресу (IP-адресу).

Каждый пересылаемый пакет мостом направляется во все подключенные к нему сегментам, а маршрутизатором – лишь в тот сегмент, куда подключен получатель.

Маршрутизаторы препятствуют возникновению необязательного трафика в сетевых сегментах, так как вскрывают пакеты и считывают сетевой адрес получателя. Продвижение пакетов осуществляется на основе таблиц маршрутизации. Как правило, каждая запись такой таблицы связывает адрес сети назначения с адресом или номером выходного интерфейса, на который нужно передать пакет с этим адресом.

Каждый маршрутизатор имеет собственную таблицу маршрутизации, определяющую один шаг многошагового процесса перемещения пакета по сети.

Маршрутизация без таблиц маршрутизации:

-     Лавинная маршрутизация, когда каждый маршрутизатор передает пакет всем своим непосредственным соседям, кроме того, от которого его получил.

-     Маршрутизация, управляемая событиями (пакет посылается по маршруту, который ранее приводил к успеху.

-     Маршрутизация от источника – отправитель помещает в пакет информацию о том, какие промежуточные маршрутизаторы должны участвовать в передаче.

Большинство маршрутизаторов имеют таблицу маршрутизации, где имеется следующая информация:

-         все известные сетевые адреса;

-         способы связи с другими сетями;

-         возможные пути между маршрутизаторами;

-         стоимость передачи данных между этими путями.

Стоимость определяется несколькими параметрами: оценкой времени, расстояния или если одна линия «дороже» другой.

Маршрутизатор выбирает наилучший вариант маршрута, сравнивая стоимость и доступность этих вариантов. Если в сети используется маршрутизатор, то в нем не должно быть немаршрутизируемых протоколов.

Маршрутизатор исключает «Шторм» широковещательных пакетов, когда многоадресное сообщение насыщает сеть до максимальной пропускной способности сети.

Для обновления таблицы, которая должна соответствовать текущей топологии сети, необходимы алгоритмы маршрутизации. Алгоритмы маршрутизации реализуются в протоколах маршрутизации. Последние работают поверх сетевых протоколов, например, IP или IPX, которые иногда называются маршрутизируемыми. Другими словами, протокол маршрутизации работает поверх маршрутизируемого протокола.

Существуют также маршрутизируемые мосты, которые не собирают информацию о топологии сети и не могут выбирать оптимальные маршруты. Следовательно, они истинными маршрутизаторами не являются. Мосты-маршрутизаторы (brouters) объединяют лучшие свойства моста и маршрутизатора. Мост-маршрутизатор для одних протоколов действует как маршрутизатор, а для других – как мост.

9 Лекция.  Устройства связи и специфических приложений

Цель лекции: рассматриваются устройства, предназначенные для обслуживания распределительной системы.

Телекоммуникационный шкаф

Телекоммуникационные шкафы в общем случае рассматриваются как устройства, предназначенные для обслуживания горизонтальной распределительной системы. Кроме этой основной функции они могут выполнять и дополнительные – в них допускается размещение промежуточных и главных кроссов.

Устройства, предназначенные для поддержки специфических приложений (например, разного рода адаптеры), не могут быть частью горизонтальной кабельной системы и должны устанавливаться вне по отношению к горизонтальному кроссу.

Для избежания деформирования кабелей, вследствие тугого скручивания в пучки, слишком крутых изгибов и растягивающих усилий, следует использовать специально предназначенное для укладки и маршрутизации кабельных потоков оборудование.

Кабели и шнуры, используемые для подключения активного оборудования, не рассматриваются стандартом в качестве элементов кабельной системы. Максимально допустимая суммарная длина всех патч-кордов и аппаратных шнуров на обоих концах линии – 10 м.

Рисунок 18 Схема коммутаций в телекоммуникационном

шкафу – кросс-соединение

Разрешается использовать только оборудование, соответствующее требованиям стандартов. Телекоммуникационные шкафы должны быть спроектированы и оборудованы в соответствии с требованиями стандарта ANSI/EIA/TIA-569.

Подключение активного оборудования в телекоммуникационном шкафу разрешается осуществлять с помощью двух типов соединений – "межсоединения" и "кросс-соединения".

Кросс-соединение – применяется для коммутации кабельных подсистем между собой и для подключения активного оборудования с многопортовыми коннекторами. Многопортовыми коннекторами называются конструкции, узлы с помощью которых реализуется одновременное подключение нескольких (более одного) адресных телекоммуникационных портов. Типичным образцом многопортового коннектора является так называемый Telco-коннектор (коннектор "телефонной компании", Telephone Company connector) – 25-парный коннектор, нашедший массовое применение в телефонии для подключения офисных АТС или PBX (Private Branch Exchange, PBX), а также иногда используемый для подключения активного сетевого оборудования.

Метод кросссоединения в отличие от описанного ниже метода межсоединения позволяет гибко переконфигурировать кабельную систему во всех случаях, но в то же время и требует наличия в кроссе как минимум двух единиц коммутационного оборудования, что повышает стоимость системы.

Межсоединение разрешается использовать только для подключения активного оборудования с однопортовыми коннекторами (см. рисунок 19).

Рисунок 19 - Схема коммутаций в телекоммуникационном
шкафу – межсоединение

В противоположность многопортовым коннекторам однопортовые позволяют осуществлять коммутацию между собой только двух адресных портов. Метод межсоединения полезен в тех случаях, когда производится подключение к кабельной системе активного оборудования с однопортовыми (модульными) коннекторами, которое само по себе как бы является единицей коммутационного кроссового оборудования, такого, например, как патч-панель. В этом случае появляется возможность неограниченного переключения адресных портов и, за счет исключения второй единицы коммутационного оборудования из конфигурации кросса, снижение затрат на подключение. На рисунке 19 представлен вид телекоммуникационного этажного шкафа. Такой шкаф высотой 20-30 U может обслуживать один или два этажа предприятия с числом пользователей около 50 человек.

На этом рисунке показано не только коммутационное оборудование, относящееся к СКС, но и типовое активное оборудование, часто находящее свое применение на практике. Наличие оптической патч-панели указывает на наличие связи данного шкафа с другими удаленными более, чем на 90 м этажными кроссами (шкафами) или с аппаратной.

10 Лекция. Стандарты модуляции

Цель лекции: рассмотреть способы модуляции-частотная манипуляция (ЧМ), фазовая манипуляция (ФМ) и амплитудно-фазовая модуляция (АЧМ).

Для передачи данных с помощью модемов используется модуляция (само слово модем - это сокращение от модулятор-демодулятор). Чтобы передающее и приемное устройство "понимали" друг друга, в них должен использоваться один и тот же способ модуляции. При разных скоростях передачи данных используются свои методы модуляции, но иногда и пере­дача с одной и той же скоростью может осуществляться различными способами.

Наиболее распространены следующие способы модуляции: частотная манипуляция (ЧМ), фазовая манипуляция (ФМ) и амплитудно-фазовая модуляция (АЧМ). ЧМ является разновидностью частотной модуляции. При этом способе частота несущей сигнала, передаваемого по телефонной линии, изменяется определенным образом, и эти изменения декодируются принимающим устройством. ФАМ – это разновидность фазовой модуляции, при которой изменяется фаза сигнала, а его частота остается постоянной. Наконец, при АЧМ одновременно изменяются и фаза, и амплитуда сигнала, что позволяет передавать больше информации, чем первыми двумя способами.

V103. Стандарт со скоростью передачи данных 300 бит/с, принят в США и Канаде, Тип модуляции - ФМ, каждому состоянию сигнала соответствует один бит. В большинстве быстродействующих модемов этот протокол предусмотрен, хотя он и устарел.

V 12. Стандарт со скоростью передачи данных 1200 бит/с, принят в США и Канаде. В нем используется дифференциальная фазовая манипуляция (ДФМ), скорость передачи - 600 бод, в каждом состоянии сигнала кодируются два бита данных.

V.21. Международный стандарт передачи данных со скоростью 300 бит/с, подобный Ве11 103. Из-за различий в используемых частотах модемы V103 несовместимы с модемами V.21. Этот стандарт используется, в основном, за пределами США.

V.22. Международный стандарт передачи данных со скоростью 1200 бит/с. Он подобен V21, но не совместим с ним, в частности, по способу ответа на вызов. Этот стандарт используется, в основном, за пределами США.

V.22bis. Международный стандарт передачи данных со скоростью 2400 бит/с. (Слово bis означает "второй", т.е. улучшенный вариант стандарта V.22.) Он используется как в США, так и в других странах. В .нем применяется амплитудно-фазовая модуляция (ФАМ), скорость передачи 600 бод, в каждом состоянии сигнала кодируются четыре бита.

V.23. В этом стандарте предусмотрена передача данных со скоростью 1200 бит/с в одном направлении и 75 бит/с - в обратном. В результате модем оказывается псевдодуплексным, т.е. он может обмениваться данными в обоих направлениях, но с разными скоростями. Стандарт V23 был разработан для того, чтобы снизить стоимость модемов со скоростью передачи данных 1200 бит/с, которые в начале 80-х годов были довольно дорогими. Он используется, в основном, в Европе.

V.29. В этом стандарте определяется полудуплексный (однонаправленный) способ передачи данных со скоростью 9600 бит/с. Обычно он используется в факсимильных аппаратах (факсах) так называемой группы III и очень редко - в модемах. Поскольку указанный стандарт полудуплексный, соответствующие устройства оказываются существенно проще, чем те, что работают в дуплексных высокоскоростных режимах. В стандарте V.29 определены не все требования к модемам, поэтому устройства разных серий редко оказываются совместимыми друг с другом. Однако параметры факсимильных аппаратов в нем определены полностью.

V.32. Это стандарт дуплексной (двунаправленной) передачи данных  со  скоростью 9600 бит/с. В нем определены методы коррекции ошибок и способы установления связи. Модуляция - амплитудно-фазовая с так называемым ячеистым кодированием, скорость передачи 2400 бод, каждому состоянию сигнала соответствуют четыре бита. При ячеистом кодировании вместе с каждой группой из четырех бит передается дополнительный контрольный бит. Это позволяет оперативно производить. коррекцию ошибок в приемном устройстве что, в свою очередь, повышает устойчивость модемов, работающих в стандарте V.32, к шумам в линиях передач. Так как даже при однонаправленной передаче данных со скоростью 4600 бит с используется практически вся полоса пропускания телефонной линии, в модемах V.32 реализуется сложная процедура прослушивания ответного сигнала, т.е. собственные передаваемые сигналы периодически отключаются, и принимаются ответные сигналы модема -"корреспондента". До последнего времени распространение модемов, работающих в стандарте V.32, сдерживалось их сложностью и высокой стоимостью. Однако недавно появились дешевые комплекты микросхем, разработанные специально для этих целей, и V.32 постепенно превращается в общепринятый стандарт передачи данных со скоростью 9600 бит/с.

V32.bis. Стандарт V32bis - это относительно недавно появившееся расширение V.32 со скоростью передачи данных 14 400 бит/с. В нем применяется модуляция АФМ (2400 бод, шесть бит в каждом состоянии). Благодаря ячеистому кодированию, связь получается весьма надежной. Протокол V32bis обеспечивает дуплексную связь. Если качество телефонной линии невысокое, модемы переключаются в обычный режим V.32. Несмотря на свою новизну, этот стандарт, благодаря своей высокой производительности и помехоустойчивости, уже становится общепринятым при работе в современных высококачественных телефонных сетях.

11 Лекция. Беспроводной доступ

Цель лекции: выбор типа радиоканалов, достоинства и недостатки беспроводных передач данных.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое разнообразие типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (KB, CB и ДВ), называемые также диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM) по типу используемого в них метода модуляции сигнала, обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, работающие на диапазонах ультракоротких волн (УКВ), для которых характерна частотная модуляция (Frequency Modulation, FM), а также диапазонах сверхвысоких частот (СВЧ, или microwaves). В диапазоне СВЧ (свыше 4 ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли, и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, где это условие выполняется.

Представителем беспроводные сети семейства стандартов IEEE 802.11 является сети, известные как сети RadioEthernet:

802.11a;

 802.11g;

 802.11i.

 802.11s.

 802.11n.

 802.16.

 802.16e.

 802. 20….

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access).

Стандарт IEEE 802.11 (RadioEthernet) описывает организацию беспроводной связи в таком режиме, в котором абоненты имеют равноправный доступ к общему каналу (именно в нем обычно функционирует сеть Ethernet). Общий канал связи допускается организовывать с помощью нескольких технологий. Согласно стандарту IEEE 802.11, для этого могут использоваться оптические сигналы (в инфракрасной части спектра) и широкополосные сигналы, формируемые двумя способами.

Radio Ethernet – это та же сеть, правда, незначительно модифицированная. Строится она аналогично системам сотовой связи, радиус действия соты обычно составляет несколько километров. В центре каждой соты находится точка доступа с одной всенаправленной или с несколькими секторными антеннами.

Применение ШПС позволяет достичь характеристик, которые с помощью традиционных решений сложно, а порой и невозможно обеспечить. Это, во-первых, высокая помехозащищенность. В основном помехи сосредоточены по спектру, поэтому они поражают лишь незначительное число составляющих ШПС. Благодаря корреляционной обработке на приемной стороне, сигнал успешно восстанавливается при потере части составляющих.

Во-вторых, системы ШПС не создают помех другим средствам связи, так как спектральные составляющие имеют малые амплитуды. Это же свойство обеспечивает скрытность, конфиденциальность работы систем связи, использующих ШПС, что и обусловило распространение таких систем для военных целей. В-третьих, кодовое разделение каналов связи позволяет многократно задействовать единый частотный диапазон. Именно на этом принципе строятся системы CDMA.

В системах RadioEthernet применяются два метода формирования ШПС – DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum – формирование спектра прямой последовательности) и FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum – формирование спектра с помощью скачков частоты).

Первый из них подразумевает разбиение полосы частот на 11 каналов. В терминах ШПС это означает, что база данного сигнала равна 11.

Второй метод основан на использовании псевдослучайного одновременного переключения передатчика и приемника на один из 79 каналов (согласно стандарту IEEE 802.11). Данный метод не приводит к формированию классического ШПС, но способен обеспечить высокую помехозащищенность и скрытность связи. Однако в этом случае сигнал не «размазывается» по выделенному диапазону, а сосредоточивается в одном из каналов, что является источником помех для других систем связи.

Сети RadioEthernet работают на частотах 915 МГц и 2,4 – 2,4835 ГГц. На частоте 915 МГц используется метод формирования сигнала DSSS. Скорость передачи составляет порядка 2 Мбит/с.

В диапазоне 2,4 ГГц обычно применяется метод FHSS, но может задействоваться и DSSS. Тогда весь диапазон делится на ряд каналов, в каждом из которых способна автономно работать система передачи на базе DSSS. Метод FHSS чаще всего используется устройствами, работающими внутри помещений, так как данный метод является менее помехоустойчивым и создает помехи для других систем.

Wireless LAN Technologies

Определенное распространение получили и несколько отличные от Radio Ethernet системы Wireless Local Loop (WLL), использующие технологию CDMA (общий доступ с кодовым разделением). Их преимуществом является то, что кроме доступа в Интернет здесь можно получить еще и телефонную связь. В отличие от остальных способов беспроводного подключения, применение WLL может быть целесообразно для подключения к Интернету не только домашней или районной сети, но и отдельных пользователей, особенно если, кроме Интернета, нужны также телефоны.

Абонентская аппаратура для организации доступа по WLL дешевле и компактнее, чем при доступе по Radio Ethernet.

Сигнал цифровых данных модулируется в радиочастотный канал.

Осуществляется передача на антенну, установленную на здании пользователя.

От антенны коаксиальный кабель идет к конвертеру, который преобразует сигнал из СВЧ-диапазона в частотный диапазон кабельного телевидения.

Сигнал поступает на модем, расположенный в помещении пользователя. Модем демодулирует входящий сигнал данных и направляет его на персональный компьютер или на ЛВС (локально-вычислительные сети).

Достоинства БПД (беспроводные передачи данных):

–     развертывается там, где  нет кабельной линии, легко планируется, изменяется;

–     может оказаться более экономически выгодным;

–     стоимость беспроводных систем мала зависит от расстояния;

–     инвестиции мало зависит от неустойчивости пользователя;

–     поддерживать работу и сохранность проще (линии передачи не воруются).

Недостатки БПД (1):

–          необходимо организовать инфраструктуру;

–          значительная стоимость;

–          требуется прямая видимость;

–          принимается только в пределах определенного расстояния от передатчика;

–          для увеличения расстояния необходима установка сети ретрансляторов по всей зоне обслуживания.

Недостатки БПД (2)

Главным же препятствием на пути развертывания полномасштабных городских сетей беспроводного доступа является природа соединения, точнее – его продолжительность. Если провести параллели с сетями сотовых операторов, то следует отметить: максимум абонентов, которым обеспечивается обслуживание, напрямую связаны со средней продолжительностью сеансов связи.

Недостатки БПД (3)

При мобильной телефонной связи средняя продолжительность разговора составляет менее минуты, что дает высокую емкость базовых станций. При доступе в Internet продолжительность сеанса связи значительно увеличивается, даже если необходимо лишь проверить электронную почту.

Чтобы услуга мобильного доступа в Internet стала поистине массовой, требуется гораздо более плотное расположение базовых станций. А это резко увеличивает затраты на систему и, как следствие, стоимость услуг.

Спутниковая связь

Сегодня существует четыре системы спутниковой связи – Айко, ГлобалСтар, Инмарсат и Иридиум. Инмарсат – самая "древняя". Она была введена в эксплуатацию еще в 1982 году. Что же касается Иридиума, то проработав два года (с 1998 г.), система объявила себя банкротом и формально прекратила свое существование. Хотя и существующие абоненты этой системы до сих пор обслуживаются.

12 Лекция. ТЕХНОЛОГИЯ xDSL

Цель лекции: использование стандарта общей ADSL с модуляцией (DMT/OFDM), определение  диапазона частот, максимальной полнодуплексной скорости.

Рисунок 20

Ни одна известная аналитическая фирма не пытается оспорить лидерство DSL-технологии на рынке широкополосного доступа, которое сохранится по крайней мере до 2015 г.

Рисунок 21 - Применение DSL

Стандарты xDSL (1)

Разновидности xDSL

ADSL;

ADSL Lite (G.Lite), ADSL2, ADSL2+ ;

HDSL;

SDSL;

SHDSL (HDSL2);

DDSL (DDS DSL, обеспечивающий доступ по Frame Relay;

VDSL;

RADSL (Rate Adaptive Digital Subscriber Line);

MDSL(Multirate DSL);

IDSL.

Рисунок 22 - Варианты xDSL-доступа

Рисунок 23 - Схемы организации линий связи с помощью HDSL и ADSL

 На каждом конце линии HDSL используются одинаковые устройства. В случае применения модемов ADSL требуется дополнительное оборудование – сплиттеры (они представляют собой фильтры и служат для разделения каналов данных и голоса) и используемые для подключения к сетям передачи данных мультиплексоры DSLAM (Digital Subscriber Loop Access Multiplexer).

ADSL

 Одновременно передается голос и данные по одной и той же телефонной линии.

Для разделения частотных диапазонов, используемых для передачи голоса и данных, на каждом конце линии устанавливаются специальные фильтры (сплиттеры).

 Низкочастотные сигналы подаются на коммутационное оборудование телефонной станции и на телефонный аппарат, находящийся у абонента. Высокочастотные сигналы подаются на модемы ADSL.

Рисунок 24

Рисунок 25

Новые технологии: АDSL2

В основу спецификаций ADSL2 будут положены рекомендации, выработанные на основании многолетней практики использования ADSL. Помимо увеличения пропускной способности, в ADSL2 будет также стандартизировано взаимодействие оборудования от различных производителей, пересмотрены и доработаны требования к уровням и спектру сигналов и пр. Стандарт будет включать в себя требования ко всем цифровым режимам передачи, включая передачу голосовых сообщений; поддержку IP Over ADSL.

АDSL2 (2)

Новый стандарт предусматривает также управление питанием, что позволяет снизить энергопотребление. Трансиверы ADSL первой генерации потребляли энергию в полном объеме день и ночь, даже в том случае, когда обмен данными не осуществлялся.

АDSL2 (3)

Спецификация ADSL2 вводит два режима управления питанием. Наиболее важным новшеством является режим L2, позволяющий в зависимости от интенсивности трафика быстро переключаться из состояния нормального потребления в сберегающее и обратно. Второй режим L3 переводит трансивер модема в спящее состояние, если пользователь не находится в on-line.

На установление рабочего режима трансиверу требуется около трех секунд.

Новые технологии: АDSL2+

ADSL2+ одобрен ITU в январе 2003 года.

Если стандарты G.992.3 и G.992.4, входящие в семейство ADSL2, используют для нисходящих потоков полосы 1,1 MHz и 552 kHz соответственно, то спецификация ADSL2+ расширяет ее до 2,2 MHz.

Одним из относительно простых способов увеличения пропускной способности канала, реализуемого, к примеру, для обычных модемов, является объединение нескольких телефонных пар. Эта возможность не поддерживается традиционным стандартом ADSL. В новом семействе спецификаций данный недостаток устранен. Для объединения линий используется механизм инверсного мультиплексирования, разработанный для сетей АТМ, что позволяет получить скорости 20, 30 и 40 Mbps в нисходящих потоках при объединении в один канал соответственно двух, трех и четырех телефонных пар.

Новые технологии: АDSL2+

Достижимые скорости:

–        20 Mbps на 2 соединенных парах;

–        30 Mbps на 3 соединенных парах;

–        40 Mbps на 4 соединенных парах.

Теоретически пиковая скорость передачи данных при использовании ADSL2+ составляет до 25 Мбит/с.

ADSL2+ обеспечивают полную обратную совместимость с оборудованием стандарта ADSL, а их стоимость лишь незначительно выше, чем у плат предыдущего поколения. ADSL2+ позволяет на расстоянии 2,6 км в телефонных линиях достичь скорости в направлении к абоненту 15 Мбит/с.

Скорости передачи данных по ADSL2+ достигают 25 Мбит/с на телефонных линиях длиной до 1500 м. Кроме того, технология ADSL2+ имеет также ряд преимуществ по сравнению с более старым вариантом ADSL. Самые главные отличительные свойства – это увеличение дальности и скорости передачи, функции диагностики линии, управление мощностью передачи и быстрое установление соединения.

13 Лекция. Структурированные кабельные системы

Цель лекции: изучение разновидностей кабельных систем и ознакомление со стандартами структурированных кабельных систем (СКС) и особенностями их применения.

Кабельные линии имеют достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных (и телекоммуникационных) сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой, а также волоконно-оптические кабели (первые два типа кабелей называют также медными кабелями).

В зависимости от условий прокладки и эксплуатации кабели делятся на внутренние кабели (кабели зданий) и внешние кабели, которые, в свою очередь, подразделяются на подземные, подводные и кабели воздушной проводки.

Скрученная пара проводов называется витой парой (twisted pair). Скручивание проводов снижает влияние внешних и взаимных помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Для неответственных применений внутри здания иногда используются симметричные кабели из нескрученных пар - так называемая «лапша».

Рисунок 26

 Кабели на основе витой пары называются симметричными кабелями из-за того, что они состоят из двух одинаковых в конструктивном отношении проводников. Симметричный кабель может быть как экранированным - на основе экранированной витой пары (Shielded Twisted Pair, STP), так и неэкранированным - на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP).

Нужно отличать электрическую изоляцию проводящих жил, которая имеется в любом кабеле, от электромагнитной изоляции. Первая состоит из непроводящего диэлектрического слоя - бумаги или полимера, например, поливинилхлорида или полистирола. Во втором случае кроме электрической изоляции проводящие жилы помещаются также внутрь электромагнитного экрана, в качестве которого чаще всего применяется проводящая медная оплетка. Симметричный кабель может состоять из нескольких витых пар. В настоящее время кабельные системы зданий чаще всего строятся на основе неэкранированной витой пары, при этом наиболее часто используется витая пара так называемой категории 5 - в соответствии с классификацией американского национального стандарта для кабелей такого назначения.

Коаксиальный кабель (coaxial) состоит из несимметричных пар проводников. Каждая пара представляет собой внутреннюю медную жилу и соосную с ней внешнюю жилу, которая может быть полой медной трубой или оплеткой, отделенной от внутренней жилы диэлектрической изоляцией. Внешняя жила играет двоякую роль - по ней передаются информационные сигналы, также она является экраном, защищающим внутреннюю жилу от внешних электромагнитных полей. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения - для локальных компьютерных сетей, для глобальных телекоммуникационных сетей, для кабельного телевидения и т. п.

Рисунок 27 - UTP – неэкранированный кабель с неэкранированными витыми парами

FTP – витая пара с фольговым экраном.

STP – витая пара с оплеточным экраном.

F/UTP – экранированный фольгой кабель с неэкранированными витыми парами.

S/UTP – Защищенный (дважды экранированный, фольгой и оплеткой) кабель с неэкранированными витыми парами.

S/FTP – Защищенный оплеткой кабель с экранированной фольгой витыми парами.

S/STP – Защищенный оплеткой кабель с защищенной оплеткой витыми парами.

Рисунок 28 – Прямое соединение (straight-through) и перекрестное соединение (crossover)

СКС (структурированная кабельная система, structured cabling system) подразумевается «специально спроектированная система кабельной проводки внутри здания для создания коммуникационной сети масштаба предприятия и обеспечивающая передачу речи и данных».

СКС – кабельная система, спроектированная и смонтированная в соответствии с требованиями стандартов ISO/IEC 11801, TIA/EIA-568-A и других.

СИММЕТРИРОВАНИЕ

Рисунок 29

14 Лекция. Линии связи. Оптические системы связи

Цель лекции: характеристики различных сред передачи информации.

При построении сетей применяются линии связи, использующие различную физическую среду: телефонные и телеграфные провода, подвешенные в воздухе, медные коаксиальные кабели, медные витые пары, волоконно-оптические кабели, радиоволны. При выборе того или иного типа линий связи разработчики прежде всего учитывают их технические характеристики, стоимость, а также простоту монтажа. Сегодня наиболее перспективными являются волоконно-оптические кабели. На них строятся как магистрали крупных территориальных и городских сетей, так и высокоскоростные линии связи локальных сетей. Популярной средой является также витая пара, которая характеризуется отличным отношением качество/стоимость.

Среда передачи информации

Линия связи состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия связи (line) является термин канал связи (channel).

Рисунок 30

Физическая среда передачи данных (medium) может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек, соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются информационные сигналы. В современных телекоммуникационных системах информация передается с помощью электрического тока или напряжения, радиосигналов или световых сигналов. Все эти физические процессы представляют собой колебания электромагнитного поля различной частоты и природы.

Рисунок 31

Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. По таким линиям связи традиционно передаются телефонные или телеграфные сигналы, но при отсутствии других возможностей эти линии используются и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать много лучшего. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными.

Волоконно-оптический кабель (optical fiber) состоит из тонких (5-60 микрон), гибких, стеклянных волокон (волоконных световодов), по которым распространяются световые сигналы. Каждый световод состоит из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна и стеклянной оболочки, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по Сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один серьезный недостаток:- сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания (увеличения длины) кабеля,

Сама стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре, однако проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудования. Так, присоединение оптического волокна к разъему требует проведения высокоточной обрезки волокна в плоскости строго перпендикулярной оси волокна, а также выполнения соединения путем сложной операции склеивания, а не обжатия, как это делается для витой пары. В случае же некачественных соединений резко сужается полоса пропускания волоконно-оптических кабелей и линий.

В компьютерных сетях сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных, но наиболее перспективными являются волоконно-оптические кабели. Волоконно-оптические линии связи – это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно".

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

Физические особенности

1) Широкополосность оптических сигналов, обусловленная

чрезвычайно высокой частотой несущей (Fo=10**14 Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10**12 бит/с или Терабит/с. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи.

2) Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов.

Технические особенности:

1) Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди.

2) Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм., то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.

3) Стеклянные волокна - не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов.

4) Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа.

5) Важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

15 Лекция. Компьютерные и телекоммуникационные сети.

Перспективы развития электронных и инфокоммуникационных технологий

Цель лекции: рассмотрены основные каналы связи, их физическая среда и аппаратурные средства, осуществляющие передачу информации.

Компьютерная сеть (КС) – совокупность компьютеров и терминалов, соединенных с помощью каналов связи в единую систему, удовлетворяющую требованиям распределенной обработки данных [2, с. 205].

В общем случае под телекоммуникационной сетью (ТС) понимают систему, состоящую из объектов, осуществляющих функции генерации, преобразования, хранения и потребления продукта, называемых пунктами (узлами) сети, и линий передачи (связи, коммуникаций, соединений), осуществляющих передачу продукта между пунктами [1, с. 421].

В зависимости от вида продукта – информация, энергия, масса – различают соответственно информационные, энергетические и вещественные сети.

Информационная сеть (ИС) – коммуникационная сеть, в которой продуктом генерирования, переработки, хранения и использования информации является информация. Традиционно для передачи звуковой информации используются телефонные сети, изображений – телевидение, текста – телеграф (телетайп). В настоящее время все большее распространение получают информационные сети интегрального обслуживания, позволяющие передавать в едином канале связи звук, изображение и данные.

Вычислительная сеть (ВС) – информационная сеть, в состав которой входит вычислительное оборудование. Компонентами вычислительной сети могут быть ЭВМ и периферийные устройства, являющиеся источниками и приемниками данных, передаваемых по сети.

ВС классифицируют по ряду признаков:

1)       В зависимости от расстояния между узлами сети ВС можно разделить на три класса:

–     локальные (ЛВС, LAN – Local Area Network) – охватывающие ограниченную территорию (обычно в пределах удаленности станций не более чем на несколько десятков или сотен метров друг от друга, реже на 1…2 км);

–     корпоративные (масштаба предприятия) – совокупность связанных между собой ЛВС, охватывающих территорию, на которой размещено одно предприятие или учреждение в одном или несколько близко расположенных зданиях;

–     территориальные – охватывающие значительное географическое пространство; среди территориальных сетей можно выделить сети региональные (MAN – Metropolitan Area Network) и глобальные (WAN – Wide Area Network), имеющие соответственно региональные или глобальные масштабы.

Особо выделяют глобальную сеть Интернет.

2)       Важным признаком классификации вычислительных сетей является их топология, определяющая геометрическое расположение основных ресурсов вычислительных сети и связей между ними.

В зависимости от топологии соединений узлов различают сети шинной (магистральной), кольцевой, звездной, иерархической, произвольной структуры.

Среди ЛВС наиболее распространены [1, с. 423]:

–     шинная (bus) – локальная сеть, в которой связь между любыми двумя станциями устанавливается через один общий путь и данные, передаваемые любой станцией, одновременно становятся доступными для всех других станций, подключенных к этой же среде передачи данных;

–     кольцевая (ring) – узлы связаны кольцевой линией передачи данных (к каждому узлу подходят только две линии). Данные, проходя по кольцу, поочередно становятся доступными всем узлам сети;

–     звездная (star) – имеется центральный узел, от которого расходятся линии передачи данных к каждому из остальных узлов.

o    Топологическая структура сети оказывает значительное влияние на ее пропускную способность, устойчивость сети к отказам ее оборудования, на логические возможности и стоимость сети.

3)  В зависимости от способа управления различают сети:

«клиент-сервер» - в них выделяется один или несколько узлов (их название – серверы), выполняющих в сети управляющие или специальные обслуживающие функции, а остальные узлы (клиенты) являются терминальными, в них работают пользователи. Сети «клиент-сервер» различаются по характеру распределения функций между серверами, т. е. по типам серверов (например, файл-серверы, серверы баз данных). При специализации серверов по определенным приложениям имеем сеть распределенных вычислений. Такие сети отличают также от централизованных систем, построенных на мэйнфреймах;

одноранговые – в них все узлы равны. Поскольку в общем случае под клиентом понимается объект (устройство или программа), запрашивающий некоторые услуги, а под сервером – объект, предоставляющий эти услуги, то каждый узел в одноранговых сетях может выполнять функции и клиента, и сервера.

4)   В зависимости от того, одинаковые или неодинаковые ЭВМ применяют в сети, различают сети однотипных ЭВМ, называемые однородными, и разнотипных ЭВМ – неоднородные (гетерогенные). В крупных автоматизированных системах, как правило, сети оказываются неоднородными.

5)       В зависимости от прав собственности на сети они могут быть сетями общего пользования (public) или частными (privat).

Любая коммуникационная сеть должна включать следующие основные компоненты: передатчик, сообщение, средства передачи, приемник.

Передатчик – устройство, являющееся источником данных.

Приемник – устройство, принимающее данные.

Приемником могут быть компьютер, терминал или какое-либо цифровое устройство.

Сообщение – цифровые данные определенного формата, предназначенные для передачи.

Это может быть файл базы данных, таблица, ответ на запрос, текст или изображение.

Средства передачи – физическая передающая среда и специальная аппаратура, обеспечивающая передачу сообщений.

Для передачи сообщений в вычислительных сетях используются различные типы каналов связи. Наиболее распространены выделенные телефонные каналы и специальные каналы для передачи цифровой информации. Применяются также радиоканалы и каналы спутниковой связи.

Каналом связи называют физическую среду и аппаратурные средства, осуществляющие передачу информации между узлами коммутации [1, с. 424].

Интерфейс таких поисковых систем общего назначения содержит список разделов каталога и поле поиска. В поле поиска пользователь может ввести ключевые слова для поиска документа, а в каталоге выбрать определенный раздел, что сужает поле поиска и таким образом ускоряет поиск.

Заполнение баз данных осуществляется с помощью специальных программ-роботов, которые периодически «обходят» Web-серверы Интернета.

Программы-роботы читают все встречающиеся документы, выделяют в них ключевые слова и заносят в базу данных, содержащую URL – адреса документов.

Так как информация в Интернете постоянно меняется (создаются новые Web-сайты и страницы, удаляются старые, меняются их URL-адреса и так далее), поисковые работы не всегда успевают отследить все эти изменения. Информация, хранящаяся в базе данных поисковой системы, может отличатся от реального состояния Интернета, и тогда пользователь в результате поиска может получить адрес уже несуществующего или перемещенного документа.

В целях обеспечения большего соответствия между содержанием базы данных поисковой системы и реальным состоянием Интернета большинство поисковых систем разрешают автору нового или  перемещенного Web-сайта самому внести информацию в базу данных, заполнив регистрационную анкету. В процессе заполнения анкеты разработчик сайта вноситURL-адрес сайта, его название, краткое описание содержания сайта, а также ключевые слова, по которым легче всего будет найти сайт.

Специализированные поисковые системы позволяют искать информацию в других информационных «слоях» Интернета: серверах файловых архивов, почтовых серверах и др.

Мир телекоммуникаций и передачи данных сталкивается с динамично растущим спросом на частотные ресурсы. Эта тенденция в основном связана с увеличением числа пользователей Internet и также с растущим взаимодействием международных операторов и увеличением объемов передаваемой информации. Полоса пропускания в расчете на одного пользователя стремительно увеличивается. Поэтому поставщики средств связи при построении современных информационных сетей используют волоконно-оптические кабельные системы наиболее часто. Это касается как построения протяженных телекоммуникационных магистралей, так и локальных вычислительных сетей. Оптическое волокно (ОВ) в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Сегодня волоконная оптика находит применение практически во всех задачах, связанных с передачей информации.

Широкомасштабное использование волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) началось примерно 40 лет назад, когда прогресс в технологии изготовления волокна позволил строить линии большой протяженности. Сейчас объемы инсталляций ВОЛС значительно возросли. В межрегиональном масштабе следует выделить строительство волоконно-оптических сетей синхронной цифровой иерархии (SDH). Стремительно входят в нашу жизнь волоконно-оптические интерфейсы в локальных и региональных сетях Ethernet, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM.

В настоящее время по всему миру поставщики услуг связи прокладывают за год десятки тысяч километров волоконно-оптических кабелей под землей, по дну океанов, рек, на ЛЭП, в тоннелях и коллекторах. Множество компаний, в том числе крупнейшие: IBM, Lucent Technologies, Nortel, Corning, Alcoa Fujikura, Siemens, Pirelli, ведут интенсивные исследования в области волоконно-оптических технологий. К числу наиболее прогрессивных можно отнести технологию сверхплотного волнового мультиплексирования по длине волны DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), позволяющую значительно увеличить пропускную способность существующих волоконно-оптических магистралей.

В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) цифровые системы передачи нашли самое широкое распространение как наиболее приемлемые по своим физическим принципам для передачи.

Список литературы

1.        Основы современных компьютерных технологий: Учебник / Под ред. Проф. А.Д. Хомоненко. – СПб.: КОРОНА принт, 2005. – 672 с.

2.        Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 3-изд. – СПб.: «Питер», 2006.
– 958 c.

3.        Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб.для вузов – М.: Высш. шк., 2006. – 799 с.

4.        Алексеев А.П.Информатика 2003. Базовый курс. Учебное пособие. – М.: Издательство «Солон-Пресс», 2003. – 464 с.

5.        Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов – М.: Высш. шк., 2006. – 799 с.

6.        Степанов А. Информатика: Учебник для вузов. 4-е-издание.
– М.: Высшая школа, 2004. – 688 c.

7.        Информатика: Учебник/Под ред. проф. Н.В.Макаровой. – М.: Финансы и статистика, 2004. – 768 с.

8.        Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2004.
– 488 с.

9.        Гук М. Аппаратные средства локальных сетей: Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2000.

10.    Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника.  Учебник для ВУЗов. Изд-во: Горячая линия-Телеком, 2005. – 768 с.

11.   Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учеб. Пособие.
– Ростов н/Д: Феникс, 2005. – 704 с.

12.    Информатика. Базовый курс. Учебник для вузов. Под ред. С.В.Симоновича. – СПб.: Издательство «Питер», 2002. – 688 с.

13.    Новиков Ю.В., Кондратенко С.В. Основы локальных сетей Интернет-университет информационных технологий. – ИНТУИТ.ру, 2005.
– 360 с.

14.    Игнатов А.Н. Оптоэлектронные приборы и устройства. Изд-во: Эко-Трендз, 2006. – 272 с.

15.    Бойко В.И., Гуржий А.Н., Жуйков В.Я. и др. Схемотехника электронных устройств. Цифровые устройства. – СПб.: БХВ – Петербург, 2004. – 512 с.

16.    Бойко В.И., Гуржий А.Н., Жуйков В.Я. и др. Схемотехника электронных устройств. Микропроцессоры и микроконтроллеры. – СПб.: БХВ – Петербург, 2004. – 464 с.

17.    Бериков А.Б., Ордабаев Б.О. Полупроводниковые приборы. – Алматы, АЭИ, 1992. – 136 с.

18.    Соломенчук В., Соломенчук П. «Железо» ПК 2005. – BHV, 2005. – 480 c. 

Сводный план 2011 г., поз. 366