ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРОВ

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРОВ

1. ПЕРВАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ СЧЕТНАЯ МАШИНА

В 1642году фр. мат. Паскаль сконструировал первую механическую счетную машину, известную как суммирующая машина Паскаля. Представляла собой механическое устройство в виде ящичка, наполненного многочисленными шестерёнками. Складываемые числа вводились в машину за счёт соответствующего поворота наборных колёсиков. На каждом из этих колёсиков, соответствовавших одному десятичному разряду, были нанесены деления с цифрами от 0 до 9. При вводе числа колёсики прокручивались до соответствующей цифры. При завершении полного оборота избыток над цифрой 9 переносился на соседний разряд (на 1 позицию сдвигалось соседнее колесо) и так далее. Машина Паскаля могла только складывать и вычитать.

Такое положение сохранялось до 1694 года, когда немецкий математик Готфрид Вильгельм фон Лейбниц сконструировал свою счетную машину. Основная цель, которую преследовал Лейбниц - освободить ученых от выполнения расчетов вручную и тем самым позволить им заниматься чисто научными вопросами, а не математическими вычислениями. Кроме того, Лейбниц был убежден, что его изобретение найдет широкое распространение не только в науке, но и в быту. В отличие от Паскаля Лейбниц использовал цилиндры, а не колесики и приводы. На цилиндры были нанесены цифры. Каждый цилиндр имел 9 рядов выступов или зубцов. При этом первый ряд содержал 1 выступ, второй - 2 и так вплоть до 9-го ряда, который содержал 9 выступов. Цилиндры были подвижными и приводились в определенное положение оператором.

2. РАЗНОСТНАЯ И АНАЛИТИЧЕСКАЯ МАШИНА ЧАРЛЗА БЕББИДЖА

В 1812 году Ч. Беббидж изобрел разностную машину, которая могла считать палином 2 степени с точностью до 8 знака.

В 1822году – разностная машина. эта машина должна была уметь вычислять значения многочленов до шестой степени с точностью до 18-го знака.

1822 г. Английский ученый Чарльз Бэббидж составил проект"аналитической" машины, в которую входили:

— устройства ввода и вывода информации,

— запоминающее устройство для хранения чисел,

— устройство, способное выполнять арифметические операции,

— устройство, управляющее последовательностью действий машины.

Команды вводились с помощью перфокарт. Перфокарты операций переключали машину между режимами сложения, вычитания, деления и умножения. Перфокарты переменных управляли передачей информации со «склада» на «мельницу» и обратно. Числовые перфокарты могли быть использованы как для ввода данных в машину, так и для сохранения результатов вычислений, если место на «складе» было ограничено. Проект не был реализован.

3. ЭВМ АТАНАСОВА-БЕРИ, ЭВМ МАРК-1, ENIAC, EDSAC

1939 г. Американец болгарского происхождения профессор физики Джон Атанасофф создал прототип вычислительной машины на базе двоичных элементов. (после попыток создания аналоговых устройств для производства сложных вычислений начал работать над созданием цифрового компьютера с использованием двоичной системы счисления. Машина строилась на электромеханических и электронных компонентах. Атанасов изобрел, в частности, регенеративную память на конденсаторах. При помощи аспиранта К.Берри он построил опытный образец машины для решения дифференциальных уравнений. Машина получила название Эй-Би-Си.)

1944 год - автоматическая вычислительная машина "Марк—1" с программным управлением.

С благословения командования ВМФ, при финансовой и технической поддержке фирмы IBM Эйкен принялся за разработку машины, в основу которой легли непроверенные идеи XIX в. и надежная технология XX в. Описания Аналитической машины, оставленного самим Бэббиджем, оказалось более чем достаточно. В качестве переключательных устройств в машине Эйкена использовались простые электромеханические реле; инструкции были записаны на перфоленте. В отличие от Стибица Эйкен не осознал преимуществ двоичной системы счисления, и данные вводились в машину в виде десятичных чисел. Разработка машины “Марк-1” проходила на удивление гладко. Успешно пройдя первые испытания в начале 1943 г., она была затем перенесена в Гарвардский унивеситет, где стала яблоком раздора между ее изобретателем и его шефом.

Следует заметить, что и Эйкен, и Уотсон, обладая немалым упрямством, любили делать все по-своему. Сначала они разошлись во мнениях по поводу внешнего вида машины. “Марк-1”, достигавший в длину почти 17 м и в высоту более 2,5 м, содержал около 750 тыс. деталей, соединенных проводами общей протяженностью около 800 км. Для инженера такая махина была поистине кошмарным сном. Эйкен хотел оставить внутренности машины открытыми, чтобы специалисты имели возможность видеть ее устройство. Уотсон же, которого, как всегда, больше беспокоила репутация фирмы, настаивал, чтобы машину заключили в корпус из стекла и блестящей нержавеющей стали.

Вскоре Уотсон передал машину в распоряжение ВМФ, и ее стали использовать для выполнения сложных баллистических расчетов, которыми руководил сам Эйкен. “Марк-1” мог перемалывать числа длинной до 23 разрядов. На сложение и вычитание тратилось 0,3 с, а на умножение 3 с. Такое быстродействие было беспрецендентным. За день машина выполняла вычисления, на которые раньше уходило полгода.

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.

“Эниак” успешно выдержал испытания, обработав около миллиона префокарт фирмы IBM. Спустя два месяца машину продемонстрировали представителям прессы. По своим размерам (около 6 м в высоту и 26 м в длину) этот компьютер более чем вдвое превосходил “Марк-1” Говарда Эйкена. Однако двойное увеличение в размерах сопровождалось тысячекратным увеличением в быстродействии. По словам одного восхищенного репортера, “Эниак” работал “быстрее мысли”.

1949 г. В Англии под руководством Мориса Уилкса построен первый в мире компьютер с хранимой в памяти программой EDSAC.Следующая модель—машина “Эдвак” (EDVAC, от Electronic Discrete Automatic Variable Computer—электронный дискретный переменный компьютер). Ее более вместительная внутренняя память содержала не только данные, но и программу. Инструкции теперь не “впаивались” в схемы аппаратуры, а записывались электронным образом в специальных устройствах, о которых Экерт узнал работая над созданием радара: это заполненные ртутью трубки, называемые линиями задержки. Кристаллы, помещенные в трубку, генерировали импульсы, которые, распространяясь по трубке, сохраняли информацию, как ущелье “хранит” эхо. Существенно и то, что “Эдвак” кодировал данные уже не в десятичной системе, а в двоичной, что позволило значительно сократить количество электронных ламп.

4. МЭСМ, СТРЕЛА, М-20, БЭСМ, IBM-701

Г. В Киеве построен первый в континентальной Европе компьютер МЭСМ (малая электронная счетная машина), имеющий 600 электронных ламп. Создатель С.А. Лебедев.

1952 г. Под руководством С.А. Лебедева в Москве построен компьютер БЭСМ—1 (большая электронная счетная машина) — самая производительная машина в Европе и одна из лучших в мире.

Стрела

Первой советской серийной ЭВМ стала Стрела, производимая с 1953 на Московском заводе счётно-аналитических машин "Стрела" относится к классу больших универсальных ЭВМ Мейнфрейм с трехадресной системой команд. ЭВМ имела быстродействие 2000-3000 операций в секунду. В качестве внешней памяти использовались два накопителя на магнитной ленте емкостью 200 000 слов, объем оперативной памяти - 2048 ячеек по 43 разряда. Компьютер состоял из 6200 ламп, 60 000 полупроводниковых диодов и потреблял 150 кВт энергии.

1959 г. Под руководством С.А. Лебедева создана машина БЭСМ—2 производительностью 10 тыс. опер./с. С ее применением связаны расчеты запусков космических ракет и первых в мире искусственных спутников Земли.

1959 г. Создана машина М—20, главный конструктор С.А. Лебедев. Для своего времени одна из самых быстродействующих в мире (20 тыс. опер./с.). На основе М—20 была создана уникальная многопроцессорная М—40 — самая быстродействующая ЭВМ того времени в мире (40 тыс. опер./с.). На смену М—20 пришли полупроводниковые БЭСМ—4 и М—220 (200 тыс. опер./с.).

1967 г. Под руководством С.А. Лебедева организован выпуск БЭСМ—6 — самой быстродействующей машины в мире. За ним последовал "Эльбрус" — ЭВМ нового типа, производительностью10млн.опер./с.

В 1953 г. была выпущена IBM 701, построенная на электронно-вакуумных лампах, с быстродействием до 17 тыс. оп./с, с памятью на электронно-лучевых трубках, изобретенной Ф.Вильямсом (Frederic Williams) (1911-1977) и Е.Килберном в том же году. Инициатором создания этой машины, названной Defence Calculator, что подчеркивало ее оборонное назначение, был Томас Дж. Уотсон-младший (президент IBM с 1952 г.). Именно ему принадлежит инициатива перехода IBM к производству компьютеров, хотя перспективы рынка были тогда весьма туманными: считалось, что спрос на них составит в стране всего несколько штук. Разработку IBM 701 выполнило подразделение прикладных исследований IBM, которым руководил Гутберт Херд.

5. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРОВ. ПОРТАТИВНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ.

ПО ПОКОЛЕНИЯМ:

1. К первому поколению(на рубеже 50-х гг) обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х годов. В их схемах использовались электронные лампы. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства. Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду.

Но это только техническая сторона. Очень важна и другая — способы использования компьютеров, стиль программирования, особенности математического обеспечения.

Программы для этих машин писались на языке конкретной машины. Математик, составивший программу, садился за пульт управления машины, вводил и отлаживал программы и производил по ним счет. Процесс отладки был наиболее длительным по времени.

Несмотря на ограниченность возможностей, эти машины позволили выполнить сложнейшие расчёты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и др.

Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета.

Эти проблемы начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.

Отечественные машины первого поколения: МЭСМ (малая электронная счётная машина), БЭСМ, Стрела, Урал, М—20.

2. Второе поколение компьютерной техники — машины, сконструированные примерно в 1955—65 гг.

Характеризуются использованием в них как электронных ламп, так и дискретных транзисторных логических элементов. Их оперативная память была построена на магнитных сердечниках. В это время стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода-вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.

Быстродействие — до сотен тысяч операций в секунду (х00.000), ёмкость памяти — до нескольких десятков тысяч слов (х0.000).

Появились так называемые языки высокого уровня, средства которых допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом виде.

Программа, написанная на алгоритмическом языке, непонятна компьютеру, воспринимающему только язык своих собственных команд. Поэтому специальные программы, которые называются трансляторами, переводят программу с языка высокого уровня на машинный язык.

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

Операционная система — важнейшая часть программного обеспечения компьютера, предназначенная для автоматизации планирования и организации процесса обработки программ, ввода-вывода и управления данными, распределения ресурсов, подготовки и отладки программ, других вспомогательных операций обслуживания.

Таким образом, операционная система является программным расширением устройства управления компьютера.

Для некоторых машин второго поколения уже были созданы операционные системы с ограниченными возможностями.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

3. Машины третьего поколения созданы примерно после 60-x годов. Поскольку процесс создания компьютерной техники шел непрерывно, и в нём участвовало множество людей из разных стран, имеющих дело с решением различных проблем, трудно и бесполезно пытаться установить, когда "поколение" начиналось и заканчивалось. Возможно, наиболее важным критерием различия машин второго и третьего поколений является критерий, основанный на понятии архитектуры.

Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

Примеры машин третьего поколения — семейства IBM—360, IBM—370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.

Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду (х.000.000). Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов (х00.000).

4. Четвёртое поколение — это теперешнее поколение компьютерной техники, разработанное после 1970 года.

Наиболее важный в концептуальном отношении критерий, по которому эти компьютеры можно отделить от машин третьего поколения, состоит в том, что машины четвёртого поколения проектировались в расчете на эффективное использование современных высокоуровневых языков и упрощение процесса программирования для конечного пользователя.

В аппаратурном отношении для них характерно широкое использование интегральных схем в качестве элементной базы, а также наличие быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой ёмкостью в десятки мегабайт.

C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Быстродействие составляет до нескольких десятков миллионов операций в секунду (х0.000.000), ёмкость оперативной памяти порядка 1 — 64 Мбайт.

Для них характерны:

— применение персональных компьютеров;

— телекоммуникационная обработка данных;

— компьютерные сети;

— широкое применение систем управления базами данных;

— элементы интеллектуального поведения систем обработки данных и устройств.

5. Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры,голография).

Развитие идет также по пути "интеллектуализации" компьютеров, устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой.

В компьютерах пятого поколения произойдёт качественный переход от обработки данных к обработке знаний.

Архитектура компьютеров будущего поколения будет содержать два основных блока. Один из них — это традиционный компьютер. Но теперь он лишён связи с пользователем. Эту связь осуществляет блок, называемый термином "интеллектуальный интерфейс". Его задача — понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в работающую программу для компьютера.

Будет также решаться проблема децентрализации вычислений с помощью компьютерных сетей, как больших, находящихся на значительном расстоянии друг от друга, так и миниатюрных компьютеров, размещённых на одном кристалле полупроводника.

ПО УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ:

По условиям эксплуатации компьютеры делятся на два типа:

офисные (универсальные);

специальные.

Офисные предназначены для решения широкого класса задач при нормальных условиях эксплуатации.

Cпециальные компьютеры служат для решения более узкого класса задач или даже одной задачи, требующей многократного решения, и функционируют в особых условиях эксплуатации. Машинные ресурсы специальных компьютеров часто ограничены. Однако их узкая ориентация позволяет реализовать заданный класс задач наиболее эффективно.

Специальные компьютеры управляют технологическими установками, работают в операционных или машинах скорой помощи, на ракетах, самолётах и вертолётах, вблизи высоковольтных линий передач или в зоне действия радаров, радиопередатчиков, в неотапливаемых помещениях, под водой на глубине, в условиях пыли, грязи, вибраций, взрывоопасных газов и т.п. Существует много моделей таких компьютеров. Познакомимся с одной из них.

Компьютер Ergotouch (Эрготач)исполнен в литом алюминиевом полностью герметичном корпусе, который легко открывается для обслуживания. Cтенки компьютера поглощают практически все электромагнитные излучения как изнутри, так и снаружи. Машина оборудована экраном, чувствительным к прикосновениям. Компьютер можно, не выключая, мыть из шланга, дезинфицировать, дезактивировать, обезжиривать. Высочайшая надежность позволяет использовать его как средство управления и контроля технологическими процессами в реальном времени. Компьютер легко входит в локальную сеть предприятия.
Важное направление в создании промышленных компьютеров — разработка "операторского интерфейса" — пультов управления, дисплеев, клавиатур и указательных устройств во всевозможных исполнениях. От этих изделий напрямую зависит комфортность и результативность труда операторов.

ПОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ХАРАКТЕРУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ:

По производительности и характеру использования компьютеры можно условно подразделить на:

микрокомпьютеры, в том числе — персональные компьютеры;

миникомпьютеры;

мэйнфреймы (универсальные компьютеры);

суперкомпьютеры.

Микрокомпьютеры — это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора.

Продвинутые модели микрокомпьютеров имеют несколько микропроцессоров. Производительность компьютера определяется не только характеристиками применяемого микропроцессора, но и ёмкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений и др.

Микрокомпьютеры представляют собой инструменты для решения разнообразных сложных задач. Их микропроцессоры с каждым годом увеличивают мощность, а периферийные устройства — эффективность. Быстродействие — порядка 1 — 10 миллионов опеpаций в сек.

Разновидность микрокомпьютера — микроконтроллер. Это основанное на микропроцессоре специализированное устройство, встраиваемое в систему управления или технологическую линию. Персональные компьютеры (ПК) — это микрокомпьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком.

В класс персональных компьютеров входят различные машины — от дешёвых домашних и игровых с небольшой оперативной памятью, с памятью программы на кассетной ленте и обычным телевизором в качестве дисплея (80-е годы), до сверхсложных машин с мощным процессором, винчестерским накопителем ёмкостью в десятки Гигабайт, с цветными графическими устройствами высокого разрешения, средствами мультимедиа и другими дополнительными устройствами.

Пеpсональный компьютеp должен удовлетворять следующим требованиям:

стоимость от нескольких сотен до 5 —10 тыс. долларов;

наличие внешних ЗУ на магнитных дисках;

объём оперативной памяти не менее 32 Мбайт;

наличие операционной системы;

способность работать с программами на языках высокого уровня;

ориентация на пользователя-непрофессионала (в простых моделях).

Миникомпьютерами и суперминикомпьютерами называются машины, конструктивно выполненные в одной стойке, т.е. занимающие объём порядка половины кубометра. Сейчас компьютеры этого класса вымирают, уступая место микрокомпьютерам.

Мэйнфреймы предназначены для решения широкого класса научно-технических задач и являются сложными и дорогими машинами. Их целесообразно применять в больших системах при наличии не менее 200 — 300 рабочих мест.

Централизованная обработка данных на мэйнфрейме обходится примерно в 5 — 6 раз дешевле, чем распределённая обработка при клиент-серверном подходе.

Известный мэйнфрейм S/390 фирмы IBM обычно оснащается не менее чем тремя процессорами. Максимальный объём оперативного хранения достигает 342 Терабайт.

Производительность его процессоров, пропускная способность каналов, объём оперативного хранения позволяют наращивать число рабочих мест в диапазоне от 20 до 200000 с помощью простого добавления процессорных плат, модулей оперативной памяти и дисковых накопителей.

Десятки мэйнфреймов могут работать совместно под управлением одной операционной системы над выполнением единой задачи.

Суперкомпьютеры — это очень мощные компьютеры с производительностью свыше 100 мегафлопов (1 мегафлоп — миллион операций с плавающей точкой в секунду). Они называются сверхбыстродействующими. Эти машины представляют собой многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Различают суперкомпьютеры среднего класса, класса выше среднего и переднего края (high end).

Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейеризации вычислений.

В этих машинах параллельно, то есть одновременно, выполняется множество похожих операций (это называется мультипроцессорной обработкой). Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию.

Что такое конвейеpная обработка? Приведем сравнение — на каждом рабочем месте конвейера выполняется один шаг производственного процесса, а на всех рабочих местах в одно и то же время обрабатываются различные изделия на всевозможных стадиях. По такому принципу устроено арифметико-логическое устройство суперкомпьютера.

Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами — векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном — выдаёт сразу векторые команды.

Векторная аппаратура очень дорога, в частности, потому, что требуется много сверхбыстродействующей памяти под векторные регистры.

Наиболее распространённые суперкомпьютеры — массово-параллельные компьютерные системы. Они имеют десятки тысяч процессоров, взаимодействующих через сложную, иерархически организованую систему памяти.

В качестве примера рассмотрим характеристики многоцелевого массово-параллельного суперкомпьютера среднего класса Intel Pentium Pro 200. Этот компьютер содержит 9200 процессоров Pentium Pro на 200 Мгц, в сумме (теоретически) обеспечивающих производительность 1,34 Терафлоп (1 Терафлоп равен 10¹² операций с плавающей точкой в секунду), имеет 537 Гбайт памяти и диски ёмкостью 2,25 Терабайт. Система весит 44 тонны (кондиционеры для неё — целых 300 тонн) и потребляет мощность 850 кВт.

Супер-компьютеры используются для решения сложных и больших научных задач (метеорология, гидродинамика и т. п.), в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т.д.

Элементная база — микросхемы сверхвысокой степени интеграции.

ПОРТАТИВНЫЕ КОМПЫ:

Портативные компьютеры обычно нужны руководителям предприятий, менеджерам, учёным, журналистам, которым приходится работать вне офиса — дома, на презентациях или во время командировок.

Основные разновидности портативных компьютеров:

Laptop (наколенник, от lap> — колено и top — поверх). По размерам близок к обычному портфелю. По основным характеристикам (быстродействие, память) примерно соответствует настольным ПК. Сейчас компьютеры этого типа уступают место ещё меньшим.

Notebook (блокнот, записная книжка). По размерам он ближе к книге крупного формата. Имеет вес около 3 кг. Помещается в портфель-дипломат. Для связи с офисом его обычно комплектуют модемом. Ноутбуки зачастую снабжают приводами CD—ROM.

Многие современные ноутбуки включают взаимозаменяемые блоки со стандартными разъёмами. Такие модули предназначены для очень разных функций. В одно и то же гнездо можно по мере надобности вставлять привод компакт-дисков, накопитель на магнитных дисках, запасную батарею или съёмный винчестер. Ноутбук устойчив к сбоям в энергопитании. Даже если он получает энергию от обычной электросети, в случае какого-либо сбоя он мгновенно переходит на питание от аккумуляторов.

Palmtop (наладонник) — самые маленькие современные персональные компьютеры. Умещаются на ладони. Магнитные диски в них заменяет энергонезависимая электронная память. Нет и накопителей на дисках — обмен информацией с обычными компьютерами идет линиям связи. Если Palmtop дополнить набором деловых программ, записанных в его постоянную память, получится персональный цифровой помощник (Personal Digital Assistant).

Возможности портативных компьютеров постоянно расширяются. Например, современный карманный компьютер iPAQ 3150 располагает всем необходимым для: ведения списка задач, хранения записок, включая аудиофайлы, работы с календарем, чтения электронной почты, синхронизации с РС, мобильным телефоном. Помимо этого iPAQ позволяет: проигрывать видео и звуковые ролики, бродить по Интернету, просматривать и редактировать документы и электронные таблицы, хранить файлы, искать в них слова, просматривать картинки вести домашнюю бухгалтерию, играть в игры, читать электронные книги с помощью Microsoft Reader, полноценно работать с программным обеспечением.

ПО АРХИТЕКТУРЕ:

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

· Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью. Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами. Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

· Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

· Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

· Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.

6. ТЕРМИН ИНФОРМАТИКА И ЕГО ПРОИСХОЖДЕНИЕ.ОСНОВНЫЕ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ ИНФОРМАТИКИ И ОСНОВНЫЕНАПРАВЛЕНИЯ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ.

Термин "информатика" (франц. informatique) происходит от французских слов information (информация) и automatique (автоматика) и дословно означает "информационная автоматика".

Широко распространён также англоязычный вариант этого термина — "Сomputer science", что означает буквально "компьютерная наука".

Инфоpматика — это основанная на использовании компьютерной техники дисциплина, изучающая структуру и общие свойства информации, а также закономерности и методы её создания, хранения, поиска, преобразования, передачи и применения в различных сферах человеческой деятельности.

В 1978 году международный научный конгресс официально закрепил за понятием "информатика" области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая компьютеры и их программное обеспечение, а также организационные, коммерческие, административные и социально-политические аспекты компьютеризации — массового внедрения компьютерной техники во все области жизни людей.

Таким образом, информатика базируется на компьютерной технике и немыслима без нее.

Инфоpматика — комплексная научная дисциплина с широчайшим диапазоном применения. Её приоритетные направления:

pазpаботка вычислительных систем и пpогpаммного обеспечения;

теоpия инфоpмации, изучающая процессы, связанные с передачей, приёмом, преобразованием и хранением информации;

математическое моделирование, методы вычислительной и прикладной математики и их применение к фундаментальным и прикладным исследованиям в различных областях знаний;

методы искусственного интеллекта, моделирующие методы логического и аналитического мышления в интеллектуальной деятельности человека (логический вывод, обучение, понимание речи, визуальное восприятие, игры и др.);

системный анализ, изучающий методологические средства, используемые для подготовки и обоснования решений по сложным проблемам различного характера;

биоинформатика, изучающая информационные процессы в биологических системах;

социальная информатика, изучающая процессы информатизации общества;

методы машинной графики, анимации, средства мультимедиа;

телекоммуникационные системы и сети, в том числе, глобальные компьютерные сети, объединяющие всё человечество в единое информационное сообщество;

разнообразные пpиложения, охватывающие производство, науку, образование, медицину, торговлю, сельское хозяйство и все другие виды хозяйственной и общественной деятельности.

Российский академик А.А. Дородницин выделяет в информатике три неразрывно и существенно связанные части — технические средства, программные и алгоритмические.

Технические средства, или аппаратура компьютеров, в английском языке обозначаются словом Hardware, которое буквально переводится как "твердые изделия".

Для обозначения программных средств, под которыми понимается совокупность всех программ, используемых компьютерами, и область деятельности по их созданию и применению, используется слово Software (буквально — "мягкие изделия"), которое подчеркивает равнозначность самой машины и программного обеспечения, а также способность программного обеспечения модифицироваться, приспосабливаться и развиваться.

Программированию задачи всегда предшествует разработка способа ее решения в виде последовательности действий, ведущих от исходных данных к искомому результату, иными словами, разработка алгоритма решения задачи. Для обозначения части информатики, связанной с разработкой алгоритмов и изучением методов и приемов их построения, применяют термин Brainware (англ. brain — интеллект).

Роль информатики в развитии общества чрезвычайно велика. С ней связано начало революции в области накопления, передачи и обработки информации. Эта революция, следующая за революциями в овладении веществом и энергией, затрагивает и коренным образом преобразует не только сферу материального производства, но и интеллектуальную, духовную сферы жизни.

7.ПОНЯТИЕ ИНФОРМАЦИИ В БЫТУ,ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОМ И ТЕХНИЧЕСКОМ СМЫСЛЕ. ФОРМЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ.

Термин "информация" происходит от латинского слова "informatio", что означает сведения, разъяснения, изложение. Несмотря на широкое распространение этого термина, понятие информации является одним из самых дискуссионных в науке. В настоящее время наука пытается найти общие свойства и закономерности, присущие многогранному понятию информация, но пока это понятие во многом остается интуитивным и получает различные смысловые наполнения в различных отраслях человеческой деятельности:

в обиходе информацией называют любые данные или сведения, которые кого-либо интересуют. Например, сообщение о каких-либо событиях, о чьей-либо деятельности и т.п. "Информировать" в этом смысле означает "сообщить нечто, неизвестное раньше";

в технике под информацией понимают сообщения, передаваемые в форме знаков или сигналов;

в кибернетике под информацией понимает ту часть знаний, которая используется для ориентирования, активного действия, управления, т.е. в целях сохранения, совершенствования, развития системы (Н. Винер).

Клод Шеннон, американский учёный, заложивший основы теории информации — науки, изучающей процессы, связанные с передачей, приёмом, преобразованием и хранением информации, — рассматривает информацию как снятую неопределенность наших знаний о чем-то.

Приведем еще несколько определений:

Информация — это сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся о них степень неопределенности, неполноты знаний (Н.В. Макарова);

Информация — это отрицание энтропии (Леон Бриллюэн);

Информация — это мера сложности структур (Моль);

Информация — это отраженное разнообразие (Урсул);

Информация — это содержание процесса отражения (Тузов);

Информация — это вероятность выбора (Яглом).

Современное научное представление об информации очень точно сформулировал Норберт Винер, "отец" кибернетики. А именно: Информация — это обозначение содержания, полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспособления к нему наших чувств.

Люди обмениваются информацией в форме сообщений. Сообщение — это форма представления информации в виде речи, текстов, жестов, взглядов, изображений, цифровых данных, графиков, таблиц и т.п.

Одно и то же информационное сообщение (статья в газете, объявление, письмо, телеграмма, справка, рассказ, чертёж, радиопередача и т.п.) может содержать разное количество информации для разных людей — в зависимости от их предшествующих знаний, от уровня понимания этого сообщения и интереса к нему.

Так, сообщение, составленное на японском языке, не несёт никакой новой информации человеку, не знающему этого языка, но может быть высокоинформативным для человека, владеющего японским. Никакой новой информации не содержит и сообщение, изложенное на знакомом языке, если его содержание непонятно или уже известно.

Информация есть характеристика не сообщения, а соотношения между сообщением и его потребителем. Без наличия потребителя, хотя бы потенциального, говорить об информации бессмысленно.

В случаях, когда говорят об автоматизированной работе с информацией посредством каких-либо технических устройств, обычно в первую очередь интересуются не содержанием сообщения, а тем, сколько символов это сообщение содержит.

Применительно к компьютерной обработке данных под информацией понимают некоторую последовательность символических обозначений (букв, цифр, закодированных графических образов и звуков и т.п.), несущую смысловую нагрузку и представленную в понятном компьютеру виде. Каждый новый символ в такой последовательности символов увеличивает информационный объём сообщения.

В КАКОМ ВИДЕ СУЩЕСТВУЕТ ИНФОРМАЦИЯ.

текстов, рисунков, чертежей, фотографий;

световых или звуковых сигналов;

радиоволн;

электрических и нервных импульсов;

магнитных записей;

жестов и мимики;

запахов и вкусовых ощущений;

хромосом, посредством которых передаются по наследству признаки и свойства организмов и т.д.

Предметы, процессы, явления материального или нематериального свойства, рассматриваемые с точки зрения их информационных свойств, называются информационными объектами.

8.ЕДИНИЦА ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ИНФОРМАЦИИ.ТЕРМИН «БИТ» В ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИИ И В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ.ФОРМУЛА КОЛИЧЕСТВА ИНФОРМАЦИИ.

Какое количество информации содержится, к примеру, в тексте романа "Война и мир", во фресках Рафаэля или в генетическом коде человека? Ответа на эти вопросы наука не даёт и, по всей вероятности, даст не скоро. А возможно ли объективно измерить количество информации? Важнейшим результатом теории информации является следующий вывод:

В определенных, весьма широких условиях можно пренебречь качественными особенностями информации, выразить её количество числом, а также сравнить количество информации, содержащейся в различных группах данных.

В настоящее время получили распространение подходы к определению понятия "количество информации", основанные на том, что информацию, содержащуюся в сообщении, можно нестрого трактовать в смысле её новизны или, иначе, уменьшения неопределённости наших знаний об объекте. Эти подходы используют математические понятия вероятности и логарифма.
Подходы к определению количества информации. Формулы Хартли и Шеннона.

Американский инженер Р. Хартли в 1928 г. процесс получения информации рассматривал как выбор одного сообщения из конечного наперёд заданного множества из N равновероятных сообщений, а количество информации I,
содержащееся в выбранном сообщении, определял как двоичный логарифм N.

Формула Хартли: I = log2N

Допустим, нужно угадать одно число из набора чисел от единицы до ста. По формуле Хартли можно вычислить, какое количество информации для этого требуется: I = log₂100 > 6,644. Таким образом, сообщение о верно угаданном числе содержит количество информации, приблизительно равное 6,644 единицы информации.

Приведем другие примеры равновероятных сообщений:

при бросании монеты: "выпала решка", "выпал орел";

на странице книги: "количество букв чётное", "количество букв нечётное".

Определим теперь, являются ли равновероятными сообщения "первой выйдет из дверей здания женщина" и "первым выйдет из дверей здания мужчина". Однозначно ответить на этот вопрос нельзя. Все зависит от того, о каком именно здании идет речь. Если это, например, станция метро, то вероятность выйти из дверей первым одинакова для мужчины и женщины, а если это военная казарма, то для мужчины эта вероятность значительно выше, чем для женщины.

Для задач такого рода американский учёный Клод Шеннон предложил в 1948 г. другую формулу определения количества информации, учитывающую возможную неодинаковую вероятность сообщений в наборе.

Формула Шеннона: I = — ( p1log2 p1 + p2 log2 p2 + . . . + pN log2 pN), где pi — вероятность того, что именно i-е сообщение выделено в наборе из N сообщений.

Легко заметить, что если вероятности p₁, ..., p_N равны, то каждая из них равна 1 / N, и формула Шеннона превращается в формулу Хартли.

Помимо двух рассмотренных подходов к определению количества информации, существуют и другие. Важно помнить, что любые теоретические результаты применимы лишь к определённому кругу случаев, очерченному первоначальными допущениями.

В качестве единицы информации Клод Шеннон предложил принять один бит (англ. bit — binary digit — двоичная цифра).

Бит в теории информации — количество информации, необходимое для различения двух равновероятных сообщений (типа "орел"—"решка", "чет"—"нечет" и т.п.).
В вычислительной технике битом называют наименьшую "порцию" памяти компьютера, необходимую для хранения одного из двух знаков "0" и "1", используемых для внутримашинного представления данных и команд.

Бит — слишком мелкая единица измерения. На практике чаще применяется более крупная единица — байт, равная восьми битам. Именно восемь битов требуется для того, чтобы закодировать любой из 256 символов алфавита клавиатуры компьютера (256=2⁸).

Широко используются также ещё более крупные производные единицы информации:

1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 2¹⁰ байт,

1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 2²⁰ байт,

Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 230 байт.

1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 2⁴⁰ байт,

Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 250 байт.

За единицу информации можно было бы выбрать количество информации, необходимое для различения, например, десяти равновероятных сообщений. Это будет не двоичная (бит), а десятичная (дит) единица информации.

УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА

9. РОЛЬ АППАРАТУРЫ И ПО КОМПЬЮТЕРА. ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ КОМПЬЮТЕРА.

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

Существует два основных класса компьютеров:

— цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде двоичных кодов;

— аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т.д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.

Поскольку в настоящее время подавляющее большинство компьютеров являются цифровыми, далее будем рассматривать только этот класс компьютеров и слово "компьютер" употреблять в значении "цифровой компьютер".

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.

Российский академик А.А. Дородницин выделяет в информатике три неразрывно и существенно связанные части — технические средства, программные и алгоритмические.

10. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КОМПЬЮТЕРА. ПРОГРАММА, СИСТЕМА КОМАНД КОМПЬЮТЕРА.

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

Любая компьютерная программапредставляет собой последовательность отдельных команд.

Команда — это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат.

Например, у команды "сложить два числа" операндами являются слагаемые, а результатом — их сумма. А у команды "стоп" операндов нет, а результатом является прекращение работы программы.

Результат команды вырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера.

Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера.

Компьютеры работают с очень высокой скоростью, составляющей миллионы — сотни миллионов операций в секунду.

Команда — это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.

В общем случае, команда содержит следующую информацию:

код выполняемой операции;
указания по определению операндов (или их адресов);
указания по размещению получаемого результата.

В зависимости от количества операндов, команды бывают:

одноадресные;
двухадресные;
трехадресные;
переменноадресные.

Команды хранятся в ячейках памяти в двоичном коде.

В современных компьютерах длина команд переменная (обычно от двух до четырех байтов),а способы указания адресов переменных весьма разнообразные. В адресной части команды может быть указан, например:

сам операнд (число или символ);
адрес операнда (номер байта, начиная с которого расположен операнд);
адрес адреса операнда (номер байта, начиная с которого расположен адрес операнда), и др.

Рассмотрим несколько возможных вариантов команды сложения (англ. add — сложение), при этом вместо цифровых кодов и адресов будем пользоваться условными обозначениями:

одноадресная команда add x (содержимое ячейки x сложить с содержимым сумматора, а результат оставить в сумматоре)
двухадресная команда add x, y (сложить содержимое ячеек x и y, а результат поместить в ячейку y)
трехадресная команда add x, y, z (содержимое ячейки x сложить с содержимым ячейки y, сумму поместить в ячейку z)

Как выполняется команда

Выполнение команды можно проследить по схеме:

Общая схема компьютера

Как пpавило, этот процесс разбивается на следующие этапы:

из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды;
выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд;
устройство управления расшифровывает адресное поле команды;
по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;
УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;
результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;
все предыдущие этапы повторяются до достижения команды “стоп”.

11. ГЛАВНЫЕ УСТРОЙСТВА КОМПЬЮТЕРА. ФУНКЦИИ ПАМЯТИ И ФУНКЦИИ ПРОЦЕССОРА.

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:

память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;

процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);

устройство ввода;

устройство вывода.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

Основные устройства компьютера и связи между ними представлены на схеме (рис. 2.1). Жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а простыми стрелками — пути и направления передачи управляющих сигналов.

Функции памяти:

приём информации из других устройств;

запоминание информации;

выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Функции процессора:

обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

программное управление работой устройств компьютера.

12. ДВЕ ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ ПРОЦЕССОРА, ИХ НАЗНАЧЕНИЯ.

РЕГИСТРЫ, ИХ ФУНКЦИИ.

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами.

Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд двоичного кода). Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;
счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;
регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

13. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРОВ.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”.

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без “счетчика команд”, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

14. АРХИТЕКТУРА И СТРУКТУРА.

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

15. ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КАЖДОЙ ИЗ НИХ.

Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.

16. ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР. ДВЕ ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ ПАМЯТИ КОМПЬЮТЕРА.

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

арифметико-логическое устройство;
шины данных и шины адресов;
регистры;
счетчики команд;
кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);
математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

Как устроена память

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов— битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово). Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации. Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице:

Байт 0	Байт 1	Байт 2	Байт 3	Байт 4	Байт 5	Байт 6	Байт 7
ПОЛУСЛОВО	ПОЛУСЛОВО	ПОЛУСЛОВО	ПОЛУСЛОВО
СЛОВО	СЛОВО
ДВОЙНОЕ СЛОВО

Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации. Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю.

17 . ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ВНУТРЕННЕЙ ПАМЯТИ. СТАТИЧЕСКАЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ.

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

1. Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Объем ОЗУ обычно составляет от 32 до 512 Мбайт. Для несложных административных задач бывает достаточно и 32 Мбайт ОЗУ, но сложные задачи компьютерного дизайна могут потребовать от 512 Мбайт до 2 Гбайт ОЗУ.

Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти SDRAM (синхронное динамическое ОЗУ). Каждый информационный бит в SDRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory). Микросхемы SDRAM имеют ёмкость 16 — 256 Мбит и более. Они устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти.

Большинство современных компьютеров комплектуются модулями типа DIMM (Dual-In-line Memory Module — модуль памяти с двухрядным расположением микросхем). В компьютерных системах на самых современных процессорах используются высокоскоростные модули Rambus DRAM (RIMM) и DDR DRAM.

Модули памяти характеризуются такими параметрами, как объем —(16, 32, 64, 128, 256 или 512 Мбайт), число микросхем, паспортная частота(100 или 133 МГц), время доступа к данным (6 или 7 наносекунд) и число контактов (72, 168 или 184). В 2001 г. начинается выпуск модулей памяти на 1 Гбайт и опытных образцов модулей на 2 Гбайта. В 2009 г. модули 2 гб распространены. Начала производства модулей по 4 гб.

2. Кэш-память

Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Кэш-памятью управляет специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM (SDRAM). Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8, 16 или 32 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью 256, 512 Кбайт и выше.

3. Специальная память

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory) — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом "зашивается" в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой строны — важный модуль любой операционной системы.

BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.

CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up — устанавливать, читается "сетап").

Для хранения графической информации используется видеопамять.

Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

Статическая и динамическая оперативная память

Эти два типа памяти отличаются, прежде всего, различной в корне технологической реализацией - SRAM будет хранить записанные данные до тех пор, пока… Рассмотрим достоинства и недостатки SRAM и DRAM: 1. Память типа DRAM, в силу своей технологии, имеет гораздо большую плотность размещения данных, чем SRAM.

Если при помощи сканера вводится текст, компьютер воспринимает его как картинку, а не как последовательность символов. Для преобразования такого графического текста в обычный символьный формат используют программы оптического распознавания образов.

22. ПОРТЫ УСТРОЙСТВ. ОХАРАКТЕРИЗОВАТЬ ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПОРТОВ.

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:

Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.
Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

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.

Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:

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.

К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более "быстрые" устройства — принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы.

23. АУДИОАДАПТЕР. ВИДЕОАДАПТЕР. ГРАФИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРАТОР. МОДЕМ.

Аудиоадаптер (Sound Blaster или звуковая плата) это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования.

Аудиоадаптер содержит в себе два преобразователя информации:

аналого-цифровой, который преобразует непрерывные (то есть, аналоговые) звуковые сигналы (речь, музыку, шум) в цифровой двоичный код и записывает его на магнитный носитель;
цифро-аналоговый, выполняющий обратное преобразование сохранённого в цифровом виде звука в аналоговый сигнал, который затем воспроизводится с помощью акустической системы, синтезатора звука или наушников.

Профессиональные звуковые платы позволяют выполнять сложную обработку звука, обеспечивают стереозвучание, имеют собственное ПЗУ с хранящимися в нём сотнями тембров звучаний различных музыкальных инструментов. Звуковые файлы обычно имеют очень большие размеры. Так, трёхминутный звуковой файл со стереозвучанием занимает примерно 30 Мбайт памяти. Поэтому платы Sound Blaster, помимо своих основных функций, обеспечивают автоматическое сжатие файлов.

Область применения звуковых плат — компьютерные игры, обучающие программные системы, рекламные презентации, "голосовая почта" (voice mail) между компьютерами, озвучивание различных процессов, происходящих в компьютерном оборудовании, таких, например, как отсутствие бумаги в принтере и т.п.

Видеоадаптер — это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения.

Наиболее распространенный видеоадаптер на сегодняшний день — адаптер SVGA (Super Video Graphics Array — супервидеографический массив), который может отображать на экране дисплея 1280х1024 пикселей при 256 цветах и 1024х768 пикселей при 16 миллионах цветов.

С увеличением числа приложений, использующих сложную графику и видео, наряду с традиционными видеоадаптерами широко используются разнообразные устройства компьютерной обработки видеосигналов:

· Графические акселераторы (ускорители) — специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор от большого объёма операций с видеоданными, так как акселераторы самостоятельно вычисляют, какие пиксели отображать на экране и каковы их цвета.

· Фрейм-грабберы, которые позволяют отображать на экране компьютера видеосигнал от видеомагнитофона, камеры, лазерного проигрывателя и т. п., с тем, чтобы захватить нужный кадр в память и впоследствии сохранить его в виде файла.

· TV-тюнеры — видеоплаты, превращающие компьютер в телевизор. TV-тюнер позволяет выбрать любую нужную телевизионную программу и отображать ее на экране в масштабируемом окне. Таким образом можно следить за ходом передачи, не прекращая работу.

Модем — устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи.

Цифровые сигналы, вырабатываемые компьютером, нельзя напрямую передавать по телефонной сети, потому что она предназначена для передачи человеческой речи — непрерывных сигналов звуковой частоты.

Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона — этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией. Отсюда название устройства: модем — модулятор/демодулятор.

Для осуществления связи один модем вызывает другой по номеру телефона, а тот отвечает на вызов. Затем модемы посылают друг другу сигналы, согласуя подходящий им обоим режим связи. После этого передающий модем начинает посылать модулированные данные с согласованными скоростью (количеством бит в секунду) и форматом. Модем на другом конце преобразует полученную информацию в цифровой вид и передает её своему компьютеру. Закончив сеанс связи, модем отключается от линии.

Управление модемом осуществляется с помощью специального коммутационного программного обеспечения.

Модемы бывают внешние, выполненные в виде отдельного устройства, и внутренние,представляющие собой электронную плату, устанавливаемую внутри компьютера. Почти все модемы поддерживают и функции факсов.

24. МУЛЬТИМЕДИА. ТЕХНОЛОГИИ МУЛЬТИМЕДИА.

Термин “мультимедиа” образован из слов “мульти” — много, и “медиа” — среда, носитель, средства сообщения, и в первом приближении его можно перевести как “многосредность” [47].

Мультимедиа — это собирательное понятие для различных компьютерных технологий, при которых используется несколько информационных сред, таких, как графика, текст, видео, фотография, движущиеся образы (анимация), звуковые эффекты, высококачественное звуковое сопровождение.

Мультимедиа-компьютер — это компьютер, снабженный аппаратными и программными средствами, реализующими технологию мультимедиа.

Области применения мультимедиа

Обучение с использованием компьютерных технологий (Специальными исследованиями установлено, что из услышанного в памяти остается только четверть, из увиденного — треть, при комбинированном воздействии зрения и слуха — 50%, а если вовлечь учащегося в активные действия в процессе изучения при помощи мультимедийных приложений — 75% [46].
Информационная и рекламная служба.
Развлечения, игры, системы виртуальной реальности.

Технологию мультимедиа составляют две основные компоненты — аппаратная и программная.

Аппаратные средства мультимедиа

Основные— компьютер с высокопроизводительным процессором, оперативной памятью 64 — 512 Мбайт, винчестерским накопителем ёмкостью 40 — 100 Гбайт и выше, накопителем на гибких магнитных дисках, манипуляторами, мультимедиа-монитором со встроенными стереодинамиками и видеоадаптером SVGA.
Специальные — приводы CD-ROM; TV-тюнеры и фрейм-грабберы; графические акселераторы (ускорители), в том числе, для поддержки трёхмерной графики; платы видеовоспроизведения; устройства для ввода видеопоследовательностей; звуковые платы с установленными микшерами и музыкальными синтезаторами, воспроизводящими звучание реальных музыкальных инструментов; акустические системы с наушниками или динамиками и др.

Программные средства мультимедиа

Мультимедийные приложения — энциклопедии, интерактивные курсы обучения по всевозможным предметам, игры и развлечения, работа с Интернет, тренажёры, средства торговой рекламы, электронные презентации, информационные киоски, установленные в общественных местах и предоставляющие различную информацию, и др.
Cредства создания мультимедийных приложений — редакторы видеоизображений; профессиональные графические редакторы; средства для записи, создания и редактирования звуковой информации, позволяющие подготавливать звуковые файлы для включения в программы, изменять амплитуду сигнала, наложить или убрать фон, вырезать или вставить блоки данных на каком-то временном отрезке; программы для манипуляции с сегментами изображений, изменения цвета, палитры; программы для реализации гипертекстов и др.

Технологии мультимедиа

Телевизионный приём — вывод телевизионных сигналов на монитор компьютера на фоне работы других программ.
Видеозахват — “захват” и “заморозка” в цифровом виде отдельных видеокадров.
Анимация — воспроизведение последовательности картинок, создающее впечатление движущегося изображения.
Звуковые эффекты — сохранение в цифровом виде звучания музыкальных инструментов, звуков природы или музыкальных фрагментов, созданных на компьютере, либо записаных и оцифрованых.
Трёхмерная (3D) графика — графика, создаваемая с помощью изображений, имеющих не только длину и ширину, но и глубину.
Музыка MIDI (Musical Instrument Digital Interface, цифровой интерфейс музыкальных инструментов) — стандарт, позволяющий подсоединять к компьютеру цифровые музыкальные инструменты, используемые при сочинении и записи музыки.
Виртуальная реальность (Virtual Reality, VR). Слово “виртуальный” означает “действующий и проявляющий себя как настоящий”.

Виртуальная реальность — это высокоразвитая форма компьютерного моделирования, которая позволяет пользователю погрузиться в модельный мир и непосредственно действовать в нём. Зрительные, слуховые, осязательные и моторные ощущения пользователя при этом заменяются их имитацией, генерируемой компьютером.

Признаки устройств виртуальной реальности: моделирование в реальном масштабе времени; имитация окружающей обстановки с высокой степенью реализма; возможность воздействовать на окружающую обстановку и иметь при этом обратную связь.

Пример использования виртуальной реальности: архитектурно-строительная компания использует программное обеспечение, позволяющее заказчикам “посетить” виртуальный образ будущего архитектурного сооружения задолго до того, как будет начато строительство.

25. КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА.

Под компьютерной графикой обычно понимают автоматизацию процессов подготовки, преобразования, хранения и воспроизведения графической информации с помощью компьютера. Под графической информацией понимаются модели объектов и их изображения. Интерактивная компьютерная графика - это так же использование компьютеров для подготовки и воспроизведения изображений, но при этом пользователь имеет возможность оперативно вносить изменения в изображение непосредственно в процессе его воспроизведения, т.е. предполагается возможность работы с графикой в режиме диалога в реальном масштабе времени. Интерактивная графика представляет собой важный раздел компьютерной графики, когда пользователь имеет возможность динамически управлять содержимым изображения, его формой, размером и цветом на поверхности дисплея с помощью интерактивных устройств управления.

Виды компьютерной графики:

Растровая графика

В растровой графике изображение представляется в виде набора окрашенных точек. Такой метод представления изображения называют растровым. Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще всего для этой цели используют отсканированные иллюстрации, подготовленные художниками, или фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото- и видеокамеры. Большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку. В Интернете пока применяются только растровые иллюстрации.

Векторная графика

Векторный метод - это метод представления изображения в виде совокупности отрезков и дуг и т. д. В данном случае вектор - это набор данных, характеризующих какой-либо объект. Программные средства для работы с векторной графикой предназначены в первую очередь для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки. Такие средства широко используют в рекламных агенствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах. Оформительские работы, основанные на применении шрифтов и простейших геометрических элементов, решаются средствами векторной графики много проще.

Фрактальная графика

Фрактальная графика, как и векторная, основана на математических вычислениях. Однако базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула, то есть никаких объектов в памяти компьютера не хранится и изображение строится исключительно по уравнениям. Таким способом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты.

АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРОВ

26. ПОЗИЦИОННЫЕ И НЕПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ.

Система счисления — это совокупность приемов и правил, по которым числа записываются и читаются.

Существуют позиционные и непозиционные системы счисления.

В непозиционных системах счисления вес цифры (т. е. тот вклад, который она вносит в значение числа) не зависит от ее позициив записи числа. Так, в римской системе счисления в числе ХХХII (тридцать два) вес цифры Х в любой позиции равен просто десяти.

В позиционных системах счисления вес каждой цифры изменяется в зависимости от ее положения (позиции) в последовательности цифр, изображающих число. Например, в числе 757,7 первая семерка означает 7 сотен, вторая — 7 единиц, а третья — 7 десятых долей единицы. Сама же запись числа 757,7 означает сокращенную запись выражения 700 + 50 + 7 + 0,7 = 7^.10² + 5^.10¹ + 7^.10⁰ + 7^.10^—1 = 757,7.

Любая позиционная система счисления характеризуется своим основанием.

Основание позиционной системы счисления — количество различных цифр, используемых для изображения чисел в данной системе счисления.

За основание системы можно принять любое натуральное число — два, три, четыре и т.д. Следовательно, возможно бесчисленное множество позиционных систем: двоичная, троичная, четверичная и т.д. Запись чисел в каждой из систем счисления с основанием q означает сокращенную запись выражения

a_n-1 q^n-1 + a_n-2 q^n-2 + ... + a₁ q¹ + a₀ q⁰ + a_-1 q^-1 + ... + a_-_m q^-^m,
где a_i — цифры системы счисления; n и m — число целых и дробных разрядов, соответственно.
Например:

В каждой системе счисления цифры упорядочены в соответствии с их значениями: 1 больше 0, 2 больше 1 и т.д.

Продвижением цифры называют замену её следующей по величине.

Продвинуть цифру 1 значит заменить её на 2, продвинуть цифру 2 значит заменить её на 3 и т.д. Продвижение старшей цифры (например, цифры 9 в десятичной системе) означает замену её на 0. В двоичной системе, использующей только две цифры — 0 и 1, продвижение 0 означает замену его на 1, а продвижение 1 — замену её на 0.

Целые числа в любой системе счисления порождаются с помощью Правила счета :

Для образования целого числа, следующего за любым данным целым числом, нужно продвинуть самую правую цифру числа; если какая-либо цифра после продвижения стала нулем, то нужно продвинуть цифру, стоящую слева от неё.

Применяя это правило, запишем первые десять целых чисел

в двоичной системе: 0, 1, 10, 11, 100, 101, 110, 111, 1000, 1001;
в троичной системе: 0, 1, 2, 10, 11, 12, 20, 21, 22, 100;
в пятеричной системе: 0, 1, 2, 3, 4, 10, 11, 12, 13, 14;
в восьмеричной системе: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 11.

27. ПЕРЕВЕСТИ ПРАВИЛЬНУЮ ДЕСЯТИЧНУЮ ДРОБЬ ИЗ ДЕСЯТИЧНОЙ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ В ЛЮБУЮ ДРУГУЮ ПОЗИЦИОННУЮ СИСТЕМУ СЧИСЛЕНИЯ.

Для перевода целого десятичного числа N в систему счисления с основанием q необходимо N разделить с остатком ("нацело") на q , записанное в той же десятичной системе. Затем неполное частное, полученное от такого деления, нужно снова разделить с остатком на q , и т.д., пока последнее полученное неполное частное не станет равным нулю. Представлением числа N в новой системе счисления будет последовательность остатков деления, изображенных одной q-ичной цифрой и записанных в порядке, обратном порядку их получения.

Пример:

75₁₀ = 1 001 011₂ = 113₈ = 4B₁₆

Для перевода правильной десятичной дpоби F в систему счисления с основанием q необходимо F умножить на q , записанное в той же десятичной системе, затем дробную часть полученного произведения снова умножить на q, и т. д., до тех пор, пока дpобная часть очередного пpоизведения не станет pавной нулю, либо не будет достигнута требуемая точность изображения числа F в q-ичной системе. Представлением дробной части числа F в новой системе счисления будет последовательность целых частей полученных произведений, записанных в порядке их получения и изображенных одной q-ичной цифрой. Если требуемая точность перевода числа F составляет k знаков после запятой, то предельная абсолютная погрешность при этом равняется q ^-(k+1) / 2.

Пример:

Для чисел, имеющих как целую, так и дробную части, перевод из десятичной системы счисления в другую осуществляется отдельно для целой и дробной частей.

28. ПЕPЕВЕСТИ ЧИСЛО ИЗ ДВОИЧНОЙ (ВОСЬМЕPИЧНОЙ, ШЕСТНАДЦАТЕPИЧНОЙ) СИСТЕМЫ В ДЕСЯТИЧНУЮ

Перевод в десятичную систему числа x, записанного в q-ичной cистеме счисления (q = 2, 8 или 16) в виде x_q = (a_na_n-1... a₀, a_-1 a_-2 ... a_-m)_q сводится к вычислению значения многочлена x₁₀ = a_n qⁿ+ a_n_-1 qⁿ^-1 + ... + a₀ q⁰ + a_-1 q ^-1 + a_-2 q^-2+ ... + a_-_m q^-^m средствами десятичной арифметики.

Примеpы:

29. АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ В ПОЗИЦИОННЫХ СИСТЕМАХ СЧИСЛЕНИЯ

1. Сложение(десятичная, двоичная, восьмеричная)

2. Вычитание (восьмеричная, шестнадцатеричная)

3. умножение (десятичная, двоичная, восьмеричная)

4. деление

30. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ В КОМПЬЮТЕРЕ ЦЕЛЫЕ ЧИСЛА

Целые числа без знака

Обычно занимают в памяти компьютера один или два байта. В однобайтовом формате принимают значения от 00000000₂ до 11111111₂. В двубайтовом формате - от 00000000 00000000₂ до 11111111 11111111₂.

Диапазоны значений целых чисел без знака

Формат числа в байтах	Диапазон
Запись с порядком	Обычная запись
	0 ... 2⁸-1	0 ... 255
	0 ... 2¹⁶-1	0 ... 65535

Примеры:

а) число 72₁₀ = 1001000₂ в однобайтовом формате:

б) это же число в двубайтовом формате:

в) число 65535 в двубайтовом формате:

Целые числа со знаком

Обычно занимают в памяти компьютера один, два или четыре байта, при этом самый левый (старший) разряд содержит информацию о знаке числа.

Диапазоны значений целых чисел со знаком

Последние две формы применяются особенно широко, так как позволяют упростить конструкцию арифметико-логического устройства компьютера путем замены… Положительные числа в прямом, обратном и дополнительном кодах изображаются…

Система вещественных чисел в математических вычислениях предполагается непрерывной и бесконечной, т.е. не имеющей ограничений на диапазон и точность представления чисел. Однако в компьютерах числа хранятся в регистрах и ячейках памяти с ограниченным количеством разрядов. В следствие этого система вещественных чисел, представимых в машине, является дискретной (прерывной) и конечной.

При написании вещественных чисел в программах вместо привычной запятой принято ставить точку. Для отображения вещественных чисел, которые могут быть как очень маленькими, так и очень большими, используется форма записи чисел с порядком основания системы счисления. Например, десятичное число 1.25 в этой форме можно представить так:

1.25 ^. 10⁰ = 0.125 ^. 10¹ = 0.0125 ^. 10² = ...
или так:

12.5 ^. 10^-1 = 125.0 ^. 10^-2 = 1250.0 ^. 10^-3 = ... .

Любое число N в системе счисления с основанием q можно записать в виде N = M ^. q^p, где M — множитель, содержащий все цифры числа (мантисса), а p — целое число, называемое порядком. Такой способ записи чисел называется представлением числа с плавающей точкой.

Если "плавающая" точка расположена в мантиссе перед первой значащей цифрой, то при фиксированном количестве разрядов, отведённых под мантиссу, обеспечивается запись максимального количества значащих цифр числа, то есть максимальная точность представления числа в машине. Из этого следует:

Мантисса должна быть правильной дробью, у которой первая цифра после точки (запятой в обычной записи) отлична от нуля: 0.1₂ <= |M| < 1. Если это требование выполнено, то число называется нормализованным

Мантиссу и порядок q-ичного числа принято записывать в системе с основанием q, а само основание — в десятичной системе. Примеры нормализованного представления:
Десятичная система Двоичная система
753.15 = 0.75315 ^. 10³; —101.01 = —0.10101 ^. 2¹¹ (порядок 11₂ = 3₁₀)
— 0.000034 = — 0.34 ^. 10^-4; 0.000011 = 0.11 ^. 2^-100 (порядок —100₂ = —4₁₀).

Вещественные числа в компьютерах различных типов записываются по-разному, тем не менее, все компьютеры поддерживают несколько международных стандартных форматов, различающихся по точности, но имеющих одинаковую структуру следующего вида:

Здесь порядок n-разрядного нормализованного числа задается в так называемой смещенной форме: если для задания порядка выделено k разрядов, то к истинному значению порядка, представленного в дополнительном коде, прибавляют смещение, равное (2^k-1 — 1). Например, порядок, принимающий значения в диапазоне от —128 до +127, представляется смещенным порядком, значения которого меняются от 0 до 255.

Использование смещенной формы позволяет производить операции над порядками, как над беззнаковыми числами, что упрощает операции сравнения, сложения и вычитания порядков, а также упрощает операцию сравнения самих нормализованных чисел.

Чем больше разрядов отводится под запись мантиссы, тем выше точность представления числа. Чем больше разрядов занимает порядок, тем шире диапазон от наименьшего отличного от нуля числа до наибольшего числа, представимого в машине при заданном формате.

Стандартные форматы представления вещественных чисел: 1) одинарный — 32-разрядное нормализованное число со знаком, 8-разрядным смещенным порядком и 24-разрядной мантиссой (старший бит мантиссы, всегда равный 1, не хранится в памяти, и размер поля, выделенного для хранения мантиссы, составляет только 23 разряда). 2) двойной — 64-разрядное нормализованное число со знаком, 11-разрядным смещенным порядком и 53-разрядной мантиссой (старший бит мантиссы не хранится, размер поля, выделенного для хранения мантиссы, составляет 52 разряда). 3) расширенный — 80-разрядное число со знаком, 15-разрядным смещенным порядком и 64-разрядной мантиссой. Позволяет хранить ненормализованные числа.

Следует отметить, что вещественный формат с m-разрядной мантиссой позволяет абсолютно точно представлять m-разрядные целые числа, т. е. любое двоичное целое число, содержащее не более m разрядов, может быть без искажений преобразовано в вещественный формат.

Сложение и вычитание

При сложении и вычитании сначала производится подготовительная операция, называемая выравниванием порядков.

В процессе выравнивания порядков мантисса числа с меньшим порядком сдвигается в своем регистре вправо на количество разрядов, равное разности порядков операндов. После каждого сдвига порядок увеличивается на единицу.

В результате выравнивания порядков одноименные разряды чисел оказываются расположенными в соответствующих разрядах обоих регистров, после чего мантиссы складываются или вычитаются. В случае необходимости полученный результат нормализуется путем сдвига мантиссы результата влево. После каждого сдвига влево порядок результата уменьшается на единицу.

Сложить двоичные нормализованные числа 0.10111^.2^-1 и 0.11011^.2¹⁰

Вычитание двоичных нормализованных чисел 0.10101^.2¹⁰ и 0.11101^.2¹

Умножение

При умножении двух нормализованных чисел их порядки складываются, а мантиссы перемножаются.

Деление

32. ТРИ ФОРМЫ ЗАПИСИ ЦЕЛЫХ ЧИСЕЛ СО ЗНАКОМ. Положительные числа в прямом, обратном и дополнительном кодах изображаются одинаково - двоичными кодами… Отрицательные числа в прямом, обратном и дополнительном кодах имеют разное изображение.

Умножение и деление

Другой регистр АЛУ, участвующий в выполнении этой операции, вначале содержит множитель. Затем по мере выполнения сложений содержащееся в нем число… Для иллюстрации умножим 1100112 на 1011012.

Логическими элементами компьютеров являются электронные схемы И, ИЛИ, НЕ, И—НЕ, ИЛИ—НЕ и другие (называемые также вентилями), а также триггер.

Чтобы представить два логических состояния — “1” и “0” в вентилях, соответствующие им входные и выходные сигналы имеют один из двух установленных… Каждый логический элемент имеет свое условное обозначение, которое выражает…

С помощью логических переменных и символов логических операций любое высказывание можно формализовать, то есть заменить логической формулой.

В качестве примера рассмотрим высказывание "если я куплю яблоки или абрикосы, то приготовлю фруктовый пирог". Это высказывание… Как показывает анализ формулы (A v B) C, при определённых сочетаниях значений… Некоторые формулы принимают значение "истина" при любых значениях истинности входящих в них переменных.…

ПО И ПРОГРАММИРОВАНИЕ

К программному обеспечению (ПО) относится также вся область деятельности по проектированию и разработке ПО: технология проектирования программ… Программное обеспечение — неотъемлемая часть компьютерной системы. Оно… Программное обеспечение современных компьютеров включает миллионы программ — от игровых до научных.

В противоположность этому, операционная система или инструментальное ПО не вносят прямого вклада в удовлетворение конечных потребностей пользователя.

Прикладные программы могут использоваться либо автономно, то есть решать поставленную задачу без помощи других программ, либо в составе программных комплексов или пакетов.

Какова роль и назначение системных программ?

Системные программы выполняются вместе с прикладными и служат для управления ресурсами компьютера — центральным процессором, памятью, вводом-выводом.

Cреди десятков тысяч системных программ особое место занимают операционные системы, которые обеспечивают управление ресурсами компьютера с целью их… Важными классами системных программ являются также программы вспомогательного… Часть утилит входит в состав операционной системы, а другая часть функционирует независимо от нее, т.е. автономно.

Инструментальные программные системы

По своему назначению они близки системам программирования. К инструментальным программам, например, относятся: редакторы; средства компоновки… Инструментальные программные средства могут оказать помощь на всех стадиях… 43. ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА И ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ Операционная система — это комплекс…

Windows XP

Весь вид системы теперь можно полностью поменять одним нажатием кнопки, путем определения какой-либо темы(Экран-свойства-Темы). Появилась новая… Вид панели управления также изменился. Теперь все сгруппировано по категориям.… Даже меню завершения работы стала полупрозрачной и более округлой.

Windows 2000

Поддержка службы каталогов Active Directory. Службы IIS версии 5.0. По сравнению с IIS 4.0 эта версия включает, помимо… Файловая система NTFS версии 3.0 (также называемая NTFS 5.0 по внутренней версии Windows 2000 — NT 5.0). В этой версии…

Windows 2003

Windows Server 2003 включает в себя следующие улучшения для Active Directory — службы каталогов, впервые появившейся в Windows 2000:Возможность… В составе Windows Server 2003 распространяется версия 6.0 служб Internet… По заявлениям Microsoft, в Windows Server 2003 большое внимание было уделено безопасности системы. В частности,…

Контрольная сумма данных пакета содержит информацию, необходимую для контроля ошибок. Первый раз она вычисляется передающим компьютером. После того, как пакет будет передан, контрольная сумма повторно вычисляется принимающим компьютером. Если значения не совпадают, это означает, что данные пакета были повреждены при передаче. Такой пакет отбрасывается, и автоматически направляется запрос повторно передать пакет.

При установлении связи устройства обмениваются сигналами для согласования коммуникационных каналов и протоколов. Этот процесс называется подтверждением установления связи (англ. HandShake — рукопожатие).

Для соединения компов в сеть используется специальное оборудование:

Сетевые кабели (коаксиальные, состоящие из двух изолированных между собой концентрических проводников, из которых внешний имеет вид трубки; оптоволоконные; кабели на витых парах, образованные двумя переплетёнными друг с другом проводами, и др.).
Коннекторы (соединители) для подключения кабелей к компьютеру; разъёмы для соединения отрезков кабеля.
Сетевые интерфейсные адаптеры для приёма и передачи данных. В соответствии с определённым протоколом управляют доступом к среде передачи данных. Размещаются в системных блоках компьютеров, подключенных к сети.
К разъёмам адаптеров подключается сетевой кабель.
Трансиверы повышают уровень качества передачи данных по кабелю, отвечают за приём сигналов из сети и обнаружение конфликтов.
Хабы (концентраторы) и коммутирующие хабы (коммутаторы) расширяют топологические, функциональные и скоростные возможности компьютерных сетей. Хаб с набором разнотипных портов позволяет объединять сегменты сетей с различными кабельными системами. К порту хаба можно подключать как отдельный узел сети, так и другой хаб или сегмент кабеля.
Повторители (репитеры) усиливают сигналы, передаваемые по кабелю при его большой длине.

63. АРХИТЕКТУРА СЕТИ, ОДНОРАНГОВЫЕ И ИЕРАРХИЧЕСКИЕ СЕТИ.

Архитектура сети — это реализованная структура сети передачи данных, определяющая её топологию, состав устройств и правила их взаимодействия в сети. В рамках архитектуры сети рассматриваются вопросы кодирования информации, её адресации и передачи, управления потоком сообщений, контроля ошибок и анализа работы сети в аварийных ситуациях и при ухудшении характеристик.

Наиболее распространённые архитектуры:

Ethernet (англ. ether — эфир) — широковещательная сеть. Это значит, что все станции сети могут принимать все сообщения. Топология — линейная или звездообразная. Скорость передачи данных 10 или 100 Мбит/сек.
Arcnet (Attached Resource Computer Network — компьютерная сеть соединённых ресурсов) — широковещательная сеть. Физическая топология — дерево. Скорость передачи данных 2,5 Мбит/сек.
Token Ring (эстафетная кольцевая сеть, сеть с передачей маркера) — кольцевая сеть, в которой принцип передачи данных основан на том, что каждый узел кольца ожидает прибытия некоторой короткой уникальной последовательности битов — маркера — из смежного предыдущего узла. Поступление маркера указывает на то, что можно передавать сообщение из данного узла дальше по ходу потока. Скорость передачи данных 4 или 16 Мбит/сек.
FDDI (Fiber Distributed Data Interface) — сетевая архитектура высокоскоростной передачи данных по оптоволоконным линиям. Скорость передачи — 100 Мбит/сек. Топология — двойное кольцо или смешанная (с включением звездообразных или древовидных подсетей). Максимальное количество станций в сети — 1000. Очень высокая стоимость оборудования.
АТМ (Asynchronous Transfer Mode) — перспективная, пока ещё очень дорогая архитектура, обеспечивает передачу цифровых данных, видеоинформации и голоса по одним и тем же линиям. Скорость передачи до 2,5 Гбит/сек. Линии связи оптические.

Одноранговые и иерархические

Например, сервером может быть мощный компьютер, на котором размещается центральная база данных, а клиентом — обычный компьютер, программы которого… 64. СЕТЬ ИНТЕРНЕТ, ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПОИСКА РЕСУРСОВ ИНТЕРЕНЕТ

Науки ==> Животные ==> Доисторические животные ==> Динозавры.

Каталоги, составленные людьми, более осмыслены, чем автоматические индексы. Их очень мало, так как их создание и поддержка требуют огромных затрат.

Автоматические индексы.

Переоценить их трудно. Поиск по ключевым словам в одной базе данных, занимающий в худшем случае несколько секунд, принесёт те же результаты, что и обшаривание всех WWW-страниц во всей сети Интернет.

Автоматический индекс состоит из трёх частей:

программы-робота;
базы данных, собираемой этим роботом;
интерфейса для поиска в этой базе, с которым и работает пользователь.

Все эти компоненты функционируют без вмешательства человека. К автоматическим индексам следует прибегать только тогда, когда ключевые слова точно известны, например, фамилия человека или несколько специфических терминов из соответствующей области. Индексы получают информацию из каждого отдельного узла, регистрируют и индексируют её и добавляют к своим базам данных.

65. ПРОТОКОЛ TCP,IP. IP-АДРЕС.

Как связываются между собой сети в Интернет?

Отдельные участки Интернет представляют собой сети различной архитектуры, которые связываются между собой с помощью маршрутизаторов. Передаваемые данные разбиваются на небольшие порции, называемые пакетами. Каждый пакет перемещается по сети независимо от других пакетов. Сети в Интернет неограниченно коммутируются (т.е. связываются) друг с другом, потому что все компьютеры, участвующие в передаче данных, используют единый протокол коммуникации TCP/IP(читается "ти-си-пи / ай-пи"). На самом деле протокол TCP/IP — это два разных протокола, определяющих различные аспекты передачи данных в сети:

· протокол TCP (Transmission Control Protocol) — протокол управления передачей данных, использующий автоматическую повторную передачу пакетов, содержащих ошибки; этот протокол отвечает за разбиение передаваемой информации на пакеты и правильное восстановление информации из пакетов получателя;

· протокол IP (Internet Protocol) — протокол межсетевого взаимодействия, отвечающий за адресацию и позволяющий пакету на пути к конечному пункту назначения проходить по нескольким сетям.

Схема передачи информации по протоколу TCP/IP такова: протокол ТСР разбивает информацию на пакеты и нумерует все пакеты; далее с помощью протокола IP все пакеты передаются получателю, где с помощью протокола ТСР проверяется, все ли пакеты получены; после получения всех пакетов протокол ТСР располагает их в нужном порядке и собирает в единое целое.

Каким образом пакет находит своего получателя ?

Каждый компьютер, подключенный к сети Интернет имеет два равноценных уникальных адреса: цифровой IP-адрес и символический доменный адрес. Присваивание адресов происходит по следующей схеме: международная организация Сетевой информационный центр выдает группы адресов владельцам локальных сетей, а последние распределяют конкретные адреса по своему усмотрению.

IP-адрес компьютера имеет длину 4 байта. Обычно первый и второй байты определяют адрес сети, третий байт определяет адрес подсети, а четвертый — адрес компьютера в подсети. Для удобства IP-адрес записывают в виде четырех чисел со значениями от 0 до 255, разделенных точками, например: 145.37.5.150. Адрес сети — 145.37; адрес подсети — 5; адрес компьютера в подсети — 150.

Доменный адрес (англ. domain — область), в отличие от цифрового, является символическим и легче запоминается человеком. Пример доменного адреса: barsuk.les.nora.ru. Здесь домен barsuk — имя реального компьютера, обладающего IP-адресом, домен les — имя группы, присвоившей имя этому компьютеру, домен nora — имя более крупной группы, присвоившей имя домену les , и т.д. В процессе передачи данных доменный адрес преобразуются в IP-адрес.

66. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

По степени географического распространения сети делятся на локальные, городские, корпоративные, глобальные и др.

Локальная сеть (ЛВС или LAN — Local Area NetWork) — сеть, связывающая ряд компьютеров в зоне, ограниченной пределами одной комнаты, здания или предприятия.

Глобальная сеть (ГВС или WAN — World Area NetWork) — сеть, соединяющая компьютеры, удалённые географически на большие расстояния друг от друга. Отличается от локальной сети более протяженными коммуникациями (спутниковыми, кабельными и др.). Глобальная сеть объединяет локальные сети.

Городская сеть (MAN — Metropolitan Area NetWork) — сеть, которая обслуживает информационные потребности большого города.

По рангу:

Одноранговые

Иерархические

По технологии в сетях:

Клиент-сервер

Файл-сервер

67. УСТРОЙСТВА ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ, БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ.

Для соединения локальных сетей используются следующие устройства, которые различаются между собой по назначению и возможностям:

Мост (англ. Bridge) — связывает две локальные сети. Передаёт данные между сетями в пакетном виде, не производя в них никаких изменений. Ниже на рисунке показаны три локальные сети, соединённые двумя мостами.

Здесь мосты создали расширенную сеть, которая обеспечивает своим пользователям доступ к прежде недоступным ресурсам. Кроме этого, мосты могут фильтровать пакеты, охраняя всю сеть от локальных потоков данных и пропуская наружу только те данные, которые предназначены для других сегментов сети.

Маршрутизатор (англ. Router) объединяет сети с общим протоколом более эффективно, чем мост. Он позволяет, например, расщеплять большие сообщения на более мелкие куски, обеспечивая тем самым взаимодействие локальных сетей с разным размером пакета.

Маршрутизатор может пересылать пакеты на конкретный адрес (мосты только отфильтровывают ненужные пакеты), выбирать лучший путь для прохождения пакета и многое другое. Чем сложней и больше сеть, тем больше выгода от использования маршрутизаторов.

Мостовой маршрутизатор (англ. Brouter) — это гибрид моста и маршрутизатора, который сначала пытается выполнить маршрутизацию, где это только возможно, а затем, в случае неудачи, переходит в режим моста.

Шлюз (англ. GateWay), в отличие от моста, применяется в случаях, когда соединяемые сети имеют различные сетевые протоколы. Поступившее в шлюз сообщение от одной сети преобразуется в другое сообщение, соответствующее требованиям следующей сети. Таким образом, шлюзы не просто соединяют сети, а позволяют им работать как единая сеть. C помощью шлюзов также локальные сети подсоединяются к мэйнфреймам — универсальным мощным компьютерам.

Беспроводные сети используются там, где прокладка кабелей затруднена, нецелесообразна или просто невозможна. Например, в исторических зданиях, промышленных помещениях с металлическим или железобетонным полом, в офисах, полученных в краткосрочную аренду, на складах, выставках, конференциях и т.п. [48]

· Топология "Все-Со-Всеми"

В этих случаях сеть реализуется при помощи сетевых радио-адаптеров, снабжённых всенаправленными антеннами и использующих в качестве среды передачи информации радиоволны. Такая сеть реализуется топологией “Все-Со-Всеми” и работоспособна при дальности 50–200 м.

Для связи между беспроводной и кабельной частями сети используется специальное устройство, называемое точкой входа (или радиомостом). Можно использовать и обычный компьютер, в котором установлены два сетевых адаптера — беспроводной и кабельный.

· Топология "точка-точка"

Другой важной областью применения беспроводных сетей является организация связи между удалёнными сегментами локальных сетей при отсутствии инфраструктуры передачи данных (кабельных сетей общего доступа, высококачественных телефонных линий и др.), что типично для нашей страны. В этом случае для наведения беспроводных мостов между двумя удалёнными сегментами используются радиомосты с антенной направленного типа.

Топология типа "звезда"

Если в сеть нужно объединить несколько сегментов, то используется топология типа “звезда”. При этом в центральном узле устанавливается всенаправленная антенна, а удалённых узлах — направленные. Сети звездообразной топологии могут образовывать сети разнообразной конфигурации.

Сетевая магистраль с беспроводным доступом позволяет отказаться от использования медленных модемов.

68. ПРОГРАММА ПЕРЕСЫЛКИ FTP. ПРОГРАММА УДАЛЕННОГО ДОСТУПА TELNET. ЭЛЕКТРОННАЯ ПОЧТА.

Перемещает копии файлов с одного узла Интернет на другой в соответствии с протоколом FTP (File Transfer Protocol — "протокол передачи файлов"). При этом не имеет значения, где эти узлы расположены и как соединены между собой. Компьютеры, на которых есть файлы для общего пользования, называются FTP-серверами. В Интернет имеется более 10 Терабайт бесплатных файлов и программ.

Позволяет входить в другую вычислительную систему, работающую в Интернет, с помощью протокола TELNET. Эта программа состоит из двух компонент: программы-клиента, которая выполняется на компьютере-клиенте, и программы-сервера, которая выполняется на компьютере-сервере.

Функциипрограммы-клиента:

установление соединения с сервером;
приём от абонента входных данных, преобразование их к стандартному формату и отсылка серверу;
приём от сервера результатов запроса в стандартном формате и переформатирование их в вид, удобный клиенту.

Функциипрограммы-сервера:

ожидание запроса в стандартной форме;
обслуживание этого запроса;
отсылка результатов программе-клиенту.

Telnet — простое и поэтому универсальное средство связи в Интернет.

В Интернет один и тот же узел сети может одновременно работать по нескольким протоколам. Поэтому крупные узлы сети сейчас обладают полным набором серверов, и к ним можно обращаться почти по любому из существующих протоколов.

Электронная почта (Electronic mail, англ. mail — почта, сокр. e-mail) cлужит для передачи текстовых сообщений в пределах Интернет, а также между другими сетями электронной почты. К тексту письма современные почтовые программы позволяют прикреплять звуковые и графические файлы, а также двоичные файлы — программы. При использовании электронной почты каждому абоненту присваивается уникальный почтовый адрес, формат которого имеет вид:
<имя пользователя> @ < имя почтового сервера>.
Например: earth@space.com, где earth — имя пользователя, space.com — имя компьютера, @ — разделительный символ "эт коммерческое".

Сообщения, поступающие по e-mail, хранятся в специальном "почтовом" компьютере в выделенной для получателя области дисковой памяти (его "почтовом ящике"), откуда он может их выгрузить и прочитать с помощью специальной программы-клиента. Для отсылки сообщения нужно знать электронный адрес абонента. При качественной связи электронное письмо доходит в любую точку мира в течение нескольких минут. Пользователи электронной почты стремятся придерживаться правил сетевого этикета (нэтикета), а для выражения эмоций используют схематические изображения человеческого лица, так называемые смайлики (англ. smiley, "улыбочка").

69. СИСТЕМЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ПОИСКА RAMBLER, ALTA VISTA

см. 64 вопрос

Среди известных автоматических индексов выделяется AltaVista — одна из самых мощных полностью автоматических поисковых систем. Обладает полнотекстовой базой данных. Выдаёт наибольшее количество ссылок. Проиндексировано 30 млн. страниц с 300 тысяч серверов и 4 млн. статей из телеконференций Usenet. За один день AltaVista обслуживает около 20 млн. запросов.

Для примера рассмотрим самый популярный предметный каталог Rambler,который обладает одной из крупнейших баз данных. Имеет информационные базы для детей и подростков. Поддерживает два основных метода работы с каталогом — поиск по ключевым словам и поиск по иерархическому дереву разделов. Не принимает запросов на естественном языке.

70. МУЛЬТИМЕДИА

Области применения мультимедиа

Обучение с использованием компьютерных технологий (Специальными исследованиями установлено, что из услышанного в памяти остается только четверть, из увиденного — треть, при комбинированном воздействии зрения и слуха — 50%, а если вовлечь учащегося в активные действия в процессе изучения при помощи мультимедийных приложений — 75% [46].
Информационная и рекламная служба.
Развлечения, игры, системы виртуальной реальности.

Технологию мультимедиа составляют две основные компоненты — аппаратная и программная.

Аппаратные средства мультимедиа

Основные— компьютер с высокопроизводительным процессором, оперативной памятью 64 — 512 Мбайт, винчестерским накопителем ёмкостью 40 — 100 Гбайт и выше, накопителем на гибких магнитных дисках, манипуляторами, мультимедиа-монитором со встроенными стереодинамиками и видеоадаптером SVGA.
Специальные — приводы CD-ROM; TV-тюнеры и фрейм-грабберы; графические акселераторы (ускорители), в том числе, для поддержки трёхмерной графики; платы видеовоспроизведения; устройства для ввода видеопоследовательностей; звуковые платы с установленными микшерами и музыкальными синтезаторами, воспроизводящими звучание реальных музыкальных инструментов; акустические системы с наушниками или динамиками и др.

Программные средства мультимедиа

Мультимедийные приложения — энциклопедии, интерактивные курсы обучения по всевозможным предметам, игры и развлечения, работа с Интернет, тренажёры, средства торговой рекламы, электронные презентации, информационные киоски, установленные в общественных местах и предоставляющие различную информацию, и др.
Cредства создания мультимедийных приложений — редакторы видеоизображений; профессиональные графические редакторы; средства для записи, создания и редактирования звуковой информации, позволяющие подготавливать звуковые файлы для включения в программы, изменять амплитуду сигнала, наложить или убрать фон, вырезать или вставить блоки данных на каком-то временном отрезке; программы для манипуляции с сегментами изображений, изменения цвета, палитры; программы для реализации гипертекстов и др.

Технологии мультимедиа

Телевизионный приём — вывод телевизионных сигналов на монитор компьютера на фоне работы других программ.
Видеозахват — “захват” и “заморозка” в цифровом виде отдельных видеокадров.
Анимация — воспроизведение последовательности картинок, создающее впечатление движущегося изображения.
Звуковые эффекты — сохранение в цифровом виде звучания музыкальных инструментов, звуков природы или музыкальных фрагментов, созданных на компьютере, либо записаных и оцифрованых.
Трёхмерная (3D) графика — графика, создаваемая с помощью изображений, имеющих не только длину и ширину, но и глубину.
Музыка MIDI (Musical Instrument Digital Interface, цифровой интерфейс музыкальных инструментов) — стандарт, позволяющий подсоединять к компьютеру цифровые музыкальные инструменты, используемые при сочинении и записи музыки.
Виртуальная реальность (Virtual Reality, VR). Слово “виртуальный” означает “действующий и проявляющий себя как настоящий”.

71. ЛВС ПОСТРОЕННЫЕ ПО ПРИНЦИПУ «КЛИЕНТ-СЕРВЕР», «ФАЙЛ-СЕРВЕР»

Технология «клиент-сервер» - выделяется компьютер под сервер, на котором устанавливаются прикладные программы.

Технология «файл-сервер» - технология, при которой сервер выделяет дисковое пространство. Этот компьютер запускает операционную систему и управляет потоком даных, передаваемых по сети. Отдельные рабочие станции и любые совместно используемые периферийные устройства связаны с файл–сервером.

72. МОДЕЛИ КОМПЬЮТЕРНЫХ АТАК.

До сих пор нет точного определения термина "атака" (вторжение, нападение). Каждый специалист в области безопасности трактует его по-своему. Наиболее правильным и полным я считаю следующее определение.

Атакой на информационную систему называются преднамеренные действия злоумышленника, использующие уязвимости информационной системы и приводящие к нарушению доступности, целостности и конфиденциальности обрабатываемой информации.

Традиционная модель атаки строится по принципу "один к одному" или "один ко многим", т.е. атака исходит из одного источника.

В отличие от традиционной модели в распределенной модели используются отношения "многие к одному” и "многие ко многим". Распределенные атаки основаны на "классических" атаках типа "отказ в обслуживании", а точнее на их подмножестве, известном как Flood-атаки или Storm-атаки (указанные термины можно перевести как "шторм", "наводнение" или "лавина"). Смысл данных атак заключается в посылке большого количества пакетов на атакуемый узел. Атакуемый узел может выйти из строя, поскольку он "захлебнется" в лавине посылаемых пакетов и не сможет обрабатывать запросы авторизованных пользователей. По такому принципу работают атаки SYN-Flood, Smurf, UDP Flood, Targa3 и т.д. Однако в том случае, если пропускная способность канала до атакуемого узла превышает пропускную способность атакующего или атакуемый узел некорректно сконфигурирован, то к "успеху" такая атака не приведет. Например, с помощью этих атак бесполезно пытаться нарушить работоспособность своего провайдера. Но распределенная атака происходит уже не из одной точки Internet, а сразу из нескольких, что приводит к резкому возрастанию трафика и выведению атакуемого узла из строя. Например, по данным России-Онлайн в течение двух суток, начиная с 9 часов утра 28 декабря 2000 г. крупнейший Internet-провайдер Армении "Арминко" подвергался распределенной атаке. В данном случае к атаке подключились более 50 машин из разных стран, которые посылали по адресу "Арминко" бессмысленные сообщения. Кто организовал эту атаку, и в какой стране находился хакер - установить было невозможно. Хотя атаке подвергся в основном "Арминко", перегруженной оказалась вся магистраль, соединяющая Армению с всемирной паутиной. 30 декабря благодаря сотрудничеству "Арминко" и другого провайдера - "АрменТел" - связь была полностью восстановлена. Несмотря на это компьютерная атака продолжалась, но с меньшей интенсивностью.

73. ЭТАПЫ РЕАЛИЗАЦИИ КОМПЬЮТЕРНЫХ АТАК.

Можно выделить следующие этапы реализации атаки:

· предварительные действия перед атакой или "сбор информации",

Первый этап реализации атак - это сбор информации об атакуемой системе или узле. Он включает такие действия как определение сетевой топологии, типа и версии операционной системы атакуемого узла, а также доступных сетевых и иных сервисов и т.п. Эти действия реализуются различными методами.

· собственно "реализация атаки",

С этого момента начинается попытка доступа к атакуемому узлу. При этом доступ может быть как непосредственный, т.е. проникновение на узел, так и опосредованный, например, при реализации атаки типа "отказ в обслуживании". Реализация атак в случае непосредственного доступа также может быть разделена на два этапа:

Проникновение- Проникновение подразумевает под собой преодоление средств защиты периметра (например, межсетевого экрана)

установление контроля.

· завершение атаки.

Этапом завершения атаки является "заметание следов" со стороны злоумышленника. Обычно это реализуется путем удаления соответствующих записей из журналов регистрации узла и других действий, возвращающих атакованную систему в исходное, "предатакованное" состояние.

74. КЛАССИФИКАЦИЯ АТАК.

Существуют различные типа классификации атак. Например, деление на пассивные и активные, внешние и внутренние, умышленные и неумышленные. Однако дабы не запутать вас большим разнообразием классификаций, мало применимыми на практике, предлагаю более "жизненную" классификацию:

Удаленное проникновение (remote penetration). Атаки, которые позволяют реализовать удаленное управление компьютером через сеть. Например, NetBus или BackOrifice.

Локальное проникновение (local penetration). Атака, которая приводит к получению несанкционированного доступа к узлу, на котором она запущена. Например, GetAdmin.

Удаленный отказ в обслуживании (remote denial of service). Атаки, которые позволяют нарушить функционирование или перегрузить компьютер через Internet. Например, Teardrop или trin00.

Локальный отказ в обслуживании (local denial of service). Атаки, которые позволяют нарушить функционирование или перегрузить компьютер, на котором они реализуются. Примером такой атаки является "враждебный" апплет, который загружает центральный процессор бесконечным циклом, что приводит к невозможности обработки запросов других приложений.

Сетевые сканеры (network scanners). Программы, которые анализируют топологию сети и обнаруживают сервисы, доступные для атаки. Например, система nmap.

Сканеры уязвимостей (vulnerability scanners). Программы, которые ищут уязвимости на узлах сети и которые могут быть использованы для реализации атак. Например, система SATAN или ShadowSecurityScanner.

Взломщики паролей (password crackers). Программы, которые "подбирают" пароли пользователей. Например, L0phtCrack для Windows или Crack для Unix.

Анализаторы протоколов (sniffers). Программы, которые "прослушивают" сетевой трафик. При помощи этих программ можно автоматически искать такую информацию, как идентификаторы и пароли пользователей, информацию о кредитных картах и т.д. Например, Microsoft Network Monitor, NetXRay компании Network Associates или LanExplorer.

75. ПРОГРАММЫ С ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫМИ ПОСЛЕДСТВИЯМИ.

Программой с потенциально опасными последствиями назовем программу или часть программы, которая способна выполнить одно из следующих действий:

· скрыть признаки своего присутствия в программной среде ПЭВМ;

· самодублироваться, ассоциировать себя с другими программами и/или переносить свои фрагменты в какие-либо области оперативной или внешней памяти, не принадлежащие программе;

· изменять код программ в оперативной или внешней памяти;

· сохранять фрагменты информации из оперативной памяти в некоторых областях внешней памяти (локальных или удаленных);

· искажать произвольным образом, блокировать и/или подменять выводимый во внешнюю память или канал связи массив информации, образовавшийся в результате работы прикладных программ, или уже находящиеся во внешней памяти массивы данных.

Программы с потенциально опасными последствиями можно условно подразделить на:

классические программы-"вирусы";
программы типа "программный червь" или "троянский конь" и фрагменты программ типа "логический люк";
программы типа "логическая бомба";
программные закладки - обобщенный класс программ с потенциально опасными последствиями.

Кроме того, такие программы можно классифицировать по методу и месту их внедрения и применения (то есть по "cпособу доставки" в систему):

· закладки, связанные с программно-аппаратной средой (BIOS);

· закладки, связанные с программами первичной загрузки;

· закладки, связанные с драйвером DOS, командным интерпретатором, сетевыми драйверами, то есть с загрузкой и работой операционной среды;

· закладки, связанные с прикладным программным обеспечением общего назначения (встроенные в клавиатурные и экранные драйверы, программы тестирования ПЭВМ, утилиты, файловые оболочки);

· исполняемые модули, содержащие только код закладки (как правило, внедряемые в пакетные файлы типа BAT);

· модули-имитаторы, совпадающие по внешнему виду с легальными программами, требующими ввода конфеденциальной информации;

· закладки, маскируемые под программные средства оптимизационного назначения (архиваторы, ускорители и т.д.);

· закладки, маскируемые под программные средства игрового и развлекательного назначения (как правило, используются для первичного внедрения других закладок; условное название - "исследователь").

76. ПРОГРАММЫ – «ВИРУСЫ», «ТРОЯНСКИЙ КОНЬ», АТАКА «САЛЯМИ».

Вирус

Первые исследования саморазмножающихся искусственных конструкций проводились в середине прошлого столетия: в работах фон Неймана, Винера и др. дано определение и проведен математический анализ конечных автоматов, в том числе самовоспроизводящихся. Термин "компьютерный вирус" появился позднее - официально считается, что его впервые употребил сотрудник Лехайского университета (США) Фред Коэн в 1984 году на 7-й конференции по безопасности информации, проходившей в США.

Компьютерным вирусом называется программа, которая может создавать свои копии (не обязательно совпадающие с оригиналом) и внедрять их в файлы, системные области компьютера, сети и так далее. При этом копии сохраняют способность дальнейшего распространения.

Вирусы можно разделить на классы по следующим признакам:

по среде обитания вируса;
по способу заражения среды обитания;
по деструктивным возможностям.

По среде обитания различают вирусы сетевые, файловые, загрузочные и специальные. Сетевые вирусы распространяются по компьютерной сети, файловые внедряются в выполняемые файлы, загрузочные в загрузочный сектор диска(Boot) или сектор, содержащий системный загрузчик винчестера(Master Boot Record). Специальные ориентированы на конкретные особенности ПО, например вирус, заражающий документы редактора Word. Существуют сочетания - например, файлово-загрузочные вирусы, заражающие и файлы и загрузочные сектора дисков. Кроме того, по сети могут распространятся вирусы любых типов.

Способы заражения делятся на резидентный и нерезидентный. Резидентный вирус при инфицировании компьютера оставляет в оперативной памяти свою резидентную часть, которая затем перехватывает обращение операционной системы к объектам заражения и внедряется в них. Резидентные вирусы находятся в памяти и остаются активными вплоть до выключения или перезагрузки компьютера. Нерезидентные вирусы не заражают память компьютера и являются активными ограниченное время. Некоторые вирусы оставляют в оперативной памяти небольшие резидентные программы, которые не распространяют вирус. Такие вирусы считаются нерезидентными.

По деструктивным возможностям вирусы можно разделить на:

безвредные, никак не влияющие на работу компьютера (кроме уменьшения свободной памяти на диске в результате своего распространения);
неопасные, влияние которых ограничивается уменьшением свободной памяти на диске и графическими, звуковыми и прочими эффектами;
опасные вирусы, которые могут привести к серьезным сбоям в работе компьютера;
очень опасные вирусы, которые могут привести к потере программ, уничтожить данные, способствовать ускоренному износу или повреждению частей механизмов(например, головок винчестеров).

Троянский конь

Существуют программы, реализующие, помимо функций, описанных в документации, и некоторые другие функции, в документации не описанные. Такие программы называются "троянскими конями".

Атака салями

А теперь поговорим о биче банковских компьютерных систем - атаке "салями".

Чтобы понять смысл такой атаки, полезно вспомнить технологию изготовления известного сорта колбасы, которая создается путем соединения в общее целое множества мелких кусочков мяса. Получается достаточно вкусно.

При разработке банковских систем устанавливается правило округления (или усечения), используемое при выполнении всех операций. Вся хитрость состоит в том, как запрограммировать обработку округлений. Можно, конечно, просто удалять несуществующие величины. Но можно и не удалять, а накапливать на некоем специальном счете. Там пол цента, тут пол цента... - а в сумме? Как свидетельствует практика, сумма, составленная буквально из ничего, за пару лет эксплуатации "хитрой" программы в среднем по размеру банке, может исчисляться тысячами долларов.

Можно сказать, что атака салями - компьютерная реализация известной поговорки "С миру по нитке - голому рубаха".

77. ПРОГРАММЫ ТИПА «ПРОГРАММНЫЙ ЧЕРВЬ», «ЛОГИЧЕСКИЙ ЛЮК», «ЛОГИЧЕСКАЯ БОМБА».

Логическая бомба

"Логической бомбой" обычно называют программу или даже участок кода в программе, реализующий некоторую функцию при выполнении определенного условия.

Мировая компьютерная общественность достаточно хорошо знакома с логическими бомбами. Логическая бомба является одним из излюбленных способов мести программистов компаниям, которые их уволили или чем-либо обидели. При этом чаще всего срабатывание бомбы ставится в зависимость от установки в системе даты - так называемые "часовые" бомбы. Это очень удобно: допустим, программист знает, что его уволят 1 марта; в таком случае он может установить "часовую" бомбу на взрыв, допустим, 6 июля или даже на Рождество, когда сам он будет уже вне пределов досягаемости для пострадавшей компании.

Люк

Люком называется не описанная в документации на программный продукт возможность работы с этим программным продуктом. Сущность использования люков состоит в том, что при выполнении пользователем некоторых не описанных в документации действий он получает доступ к возможностям и данным, которые в обычных условиях для него закрыты (в частности - выход в привилегированный режим).

Таким образом, люк (или люки) может присутствовать в программе ввиду того, что программист:

забыл удалить его;
умышленно оставил его в программе для обеспечения тестирования или выполнения оставшейся части отладки;
умышленно оставил его в программе в интересах облегчения окончательной сборки конечного программного продукта;
умышленно оставил его в программе с тем, чтобы иметь скрытое средство доступа к программе уже после того, как она вошла в состав конечного продукта.

Файловые черви

Файловые черви создают собственные копии с привлекательными для пользователя названиями (например, Game.exe, install.exe и др.) в надежде на то, что пользователь их запустит.

ПРОГРАММЫ-ЗАКЛАДКИ.

Для того чтобы закладка смогла выполнить какие-либо функции по отношению к другой прикладной программе, она должна получить управление на себя, то есть процессор должен начать выполнять инструкции, относящиеся к коду закладки.

Это возможно только при одновременном выполнении двух условий:

закладка должна находиться в оперативной памяти до начала работы программы, на которую направлено ее воздействие;
закладка должна активизироваться по некоторому общему для закладки и для прикладной программы событию.

Это достигается путем анализа и обработки закладкой общих относительно нее и прикладной программы событий, например, прерываний. Причем данные события должны сопровождать работу прикладной программы или работу всей ПЭВМ.

Исполнение кода закладки может быть сопровождено операциями несанкционированной записи (НСЗ), например, для сохранения некоторых фрагментов информации, и несанкционированного считывания (НСЧ), которое может происходить отдельно от операций чтения прикладной программы или совместно с ними. При этом операции считывания и записи, возможно, не связаны с получением конфиденциальной информации, например, считывание параметров устройства или его инициализация (закладка может использовать для своей работы и такие операции, в частности, для инициирования сбойных ситуаций или переназначения ввода-вывода).

Несанкционированная запись закладкой может происходить:

в массив данных, не совпадающий с пользовательской информацией - сохранение информации;

в массив данных, совпадающий с пользовательской информацией или ее подмножеством - искажение, уничтожение или навязывание информации закладкой.

Следовательно, можно рассматривать три основные группы деструктивных функций, которые могут выполняться закладками:

сохранение фрагментов информации, возникающей при работе пользователей, прикладных программ, вводе-выводе данных, во внешней памяти сети (локальной или удаленной) или выделенной ПЭВМ, в том числе различных паролей, ключей и кодов доступа, собственно конфиденциальных документов в электронном виде;

изменение алгоритмов функционирования прикладных программ (то есть целенаправленное воздействие во внешней или оперативной памяти), например, программа разграничения доступа станет пропускать пользователей по любому паролю;

навязывание некоторого режима работы (например, при уничтожении информации - блокирование записи на диск, при этом информация, естественно, не уничтожается), либо замена записываемой информации информацией, навязанной закладкой (например, при выводе на экран слово "неверно" заменяется словом "верно", а "рубль" - "доллар" и т.д.).

79. БРАНДМАУЭР (ПАКЕТНЫЕ ФИЛЬТРЫ, СЕРВЕРА ПРИКЛАДНОГО УРОВНЯ, СЕРВЕРА УРОВНЯ СОЕДИНЕНИЯ).

Межсетевой экран или брандмауэр (по-нем. brandmauer, по-англ. firewall, по-рус. граница огня) - это система или комбинация систем, позволяющих разделить сеть на две или более частей и реализовать набор правил, определяющих условия прохождения пакетов из одной части в другую (см. рис.1). Чаще всего эта граница проводится между локальной сетью предприятия и INTERNET, хотя ее можно провести и внутри локальной сети предприятия. Брандмауэр, таким образом, пропускает через себя весь трафик. Для каждого проходящего пакета брандмауэр принимает решение пропускать его или отбросить. Для того чтобы брандмауэр мог принимать эти решения, ему необходимо определить набор правил. О том, как эти правила описываются и какие параметры используются при их описании, речь пойдет чуть позже.

Все брандмауэры можно разделить на три типа:

· пакетные фильтры (packet filter);

Брандмауэры с пакетными фильтрами принимают решение о том, пропускать пакет или отбросить, просматривая IP-адреса, флаги или номера TCP портов в заголовке этого пакета. IP-адрес и номер порта - это информация сетевого и транспортного уровней соответственно, но пакетные фильтры используют и информацию прикладного уровня, т.к. все стандартные сервисы в TCP/IP ассоциируются с определенным номером порта.

Для описания правил прохождения пакетов составляются таблицы типа:

Действие тип пакета адрес источн. порт источн. адрес назнач. порт назнач. флаги

Поле "действие" может принимать значения пропустить или отбросить.

Достоинства пакетных фильтров:

относительно невысокая стоимость;

гибкость в определении правил фильтрации;

небольшая задержка при прохождении пакетов.

Недостатки пакетных фильтров:

локальная сеть видна (маршрутизируется ) из INTERNET;

правила фильтрации пакетов трудны в описании, требуются очень хорошие знания технологий TCP и UDP;

при нарушении работоспособности брандмауэра все компьютеры за ним становятся полностью незащищенными либо недоступными;

аутентификацию с использованием IP-адреса можно обмануть использованием IP-спуфинга (атакующая система выдает себя за другую, используя ее IP-адрес);

отсутствует аутентификация на пользовательском уровне.

· сервера прикладного уровня (application gateways);

Брандмауэры с серверами прикладного уровня используют сервера конкретных сервисов (proxy server) - TELNET, FTP и т.д., запускаемые на брандмауэре и пропускающие через себя весь трафик, относящийся к данному сервису. Таким образом, между клиентом и сервером образуются два соединения: от клиента до брандмауэра и от брандмауэра до места назначения.

Использование серверов прикладного уровня позволяет решить важную задачу - скрыть от внешних пользователей структуру локальной сети, включая информацию в заголовках почтовых пакетов или службы доменных имен (DNS). Другим положительным качеством является возможность аутентификации на пользовательском уровне (напоминаю, что аутентификация - процесс подтверждения идентичности чего-либо; в данном случае это процесс подтверждения, действительно ли пользователь является тем, за кого он себя выдает).

При описании правил доступа используются такие параметры, как

название сервиса,

имя пользователя,

допустимый временной диапазон использования сервиса,

компьютеры, с которых можно пользоваться сервисом,

схемы аутентификации.

Сервера прикладного уровня позволяют обеспечить наиболее высокий уровень защиты, т.к. взаимодействие с внешним миров реализуется через небольшое число прикладных программ, полностью контролирующих весь входящий и выходящий трафик.

Достоинства серверов прикладного уровня:

локальная сеть невидима из INTERNET;

при нарушении работоспособности брандмауэра пакеты перестают проходить через брандмауэр, тем самым не возникает угрозы для защищаемых им машин;

защита на уровне приложений позволяет осуществлять большое количество дополнительных проверок, снижая тем самым вероятность взлома с использованием дыр в программном обеспечении;

аутентификация на пользовательском уровне может быть реализована система немедленного предупреждения о попытке взлома.

Недостатки серверов прикладного уровня:

более высокая, чем для пакетных фильтров стоимость;

невозможность использовании протоколов RPC и UDP;

производительность ниже, чем для пакетных фильтров.

· сервера уровня соединения (circuit gateways).

Сервер уровня соединения представляет из себя транслятор TCP соединения. Пользователь образует соединение с определенным портом на брандмауэре, после чего последний производит соединение с местом назначения по другую сторону от брандмауэра. Во время сеанса этот транслятор копирует байты в обоих направлениях, действуя как провод.

Как правило, пункт назначения задается заранее, в то время как источников может быть много (соединение типа один - много). Используя различные порты, можно создавать различные конфигурации.

Такой тип сервера позволяет создавать транслятор для любого определенного пользователем сервиса, базирующегося на TCP, осуществлять контроль доступа к этому сервису, сбор статистики по его использованию.

Все типы могут одновременно встретиться в одном брандмауэре.

80. СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ БРАНДМАУЭРОВ.

Брандмауэр может использоваться в качестве внешнего роутера, используя поддерживаемые типы устройств для подключения к внешней сети

Иногда используется схема, изображенная на рис.2, однако пользоваться ей следует только в крайнем случае, поскольку требуется очень аккуратная настройка роутеров и небольшие ошибки могут образовать серьезные дыры в защите.

Чаще всего подключение осуществляется через внешний маршрутизатор, поддерживающий два Ethernet интерфейса(так называемый dual-homed брандмауэр) (две сетевые карточки в одном компьютре). При этом между внешним роутером и брандмауэром имеется только один путь, по которому идет весь трафик. Обычно роутер настраивается таким образом, что брандмауэр является единственной видимой снаружи машиной. Эта схема является наиболее предпочтительной с точки зрения безопасности и надежности защиты.

При этом брандмауэром защищается только одна подсеть из нескольких выходящих из роутера. В незащищаемой брандмауэром области часто располагают серверы, которые должны быть видимы снаружи (WWW, FTP и т.д.). Большинство брандмауэров позволяет разместить эти сервера на нем самом - решение, далеко не лучшее с точки зрения загрузки машины и безопасности самого брандмауэра.

Существуют решения (см. рис.5), которые позволяют организовать для серверов, которые должны быть видимы снаружи, третью сеть; это позволяет обеспечить контроль за доступом к ним, сохраняя в то же время необходимый уровень защиты машин в основной сети. При этом достаточно много внимания уделяется тому, чтобы пользователи внутренней сети не могли случайно или умышленно открыть дыру в локальную сеть через эти сервера. Для повышения уровня защищенности возможно использовать в одной сети несколько брандмауэров, стоящих друг за другом.

81. НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ (ПОЛИТИКА БЕЗОПАСНОСТИ, ГАРАНТИРОВАННОСТЬ). ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ БАЗА. МОНИТОР ОБРАЩЕНИЙ.

С 1983 по 1988 год Министерство обороны США и Национальный комитет компьютерной безопасности разработали систему стандартов в области компьютерной безопасности, которая включает более десяти документов. Этот список возглавляют "Критерии оценки безопасности компьютерных систем", которые по цвету обложки чаще называют "Оранжевой книгой". В 1995 году Национальный центр компьютерной безопасности США опубликовал "Пояснения к критериям безопасности компьютерных систем", объединившие все имеющиеся на тот момент дополнения и разъяснения к "Оранжевой книге". В "Оранжевой книге" надежная система определяется как "система, использующая достаточные аппаратные и программные средства, чтобы обеспечить одновременную обработку информации разной степени секретности группой пользователей без нарушения прав доступа".

Надежность систем оценивается по двум основным критериям:

· Политика безопасности - набор законов, правил и норм поведения, определяющих, как организация обрабатывает, защищает и распространяет информацию. В частности, правила определяют, в каких случаях пользователь имеет право оперировать с определенными наборами данных. Чем надежнее система, тем строже и многообразнее должна быть политика безопасности. В зависимости от сформулированной политики можно выбирать конкретные механизмы, обеспечивающие безопасность системы. Политика безопасности - это активный компонент защиты, включающий в себя анализ возможных угроз и выбор мер противодействия.

· Гарантированность- мера доверия, которая может быть оказана архитектуре и реализации системы. Гарантированность можно определить тестированием системы в целом и ее компонентов. Гарантированность показывает, насколько корректны механизмы, отвечающие за проведение в жизнь политики безопасности. Гарантированность можно считать пассивным компонентом защиты, надзирающим за самими защитниками.

Важным средством обеспечения безопасности является механизм подотчетности (протоколирования). Надежная система должна фиксировать все события, касающиеся безопасности. Ведение протоколов должно дополняться аудитом, то есть анализом регистрационной информации.

При оценке степени гарантированности, с которой систему можно считать надежной, центральной является концепция надежной вычислительной базы. Вычислительная база - это совокупность защитных механизмов компьютерной системы (включая аппаратное и программное обеспечение), отвечающих за проведение в жизнь политики безопасности. Надежность вычислительной базы определяется исключительно ее реализацией и корректностью исходных данных, которые вводит административный персонал (например, это могут быть данные о степени благонадежности пользователей).

Основное назначение надежной вычислительной базы - выполнять функции монитора обращений, то есть контролировать допустимость выполнения субъектами определенных операций над объектами. Каждое обращение пользователя к программам или данным проверяется на предмет согласованности со списком действий, допустимых для пользователя.

От монитора обращений требуется выполнение трех свойств:

· Изолированность. Монитор должен быть защищен от отслеживания своей работы;

· Полнота. Монитор должен вызываться при каждом обращении, не должно быть способов его обхода;

· Верифицируемость. Монитор должен быть компактным, чтобы его можно было проанализировать и протестировать, будучи уверенным в полноте тестирования.

Согласно "Оранжевой книге", политика безопасности должна включать в себя по крайней мере следующие элементы:

1. произвольное управление доступом;

Произвольное управление доступом - это метод ограничения доступа к объектам, основанный на учете личности субъекта или группы, в которую субъект входит. Произвольность управления состоит в том, что некоторое лицо (обычно владелец объекта) может по своему усмотрению давать другим субъектам или отбирать у них права доступа к объекту.

2. безопасность повторного использования объектов;

Безопасность повторного использования объектов - важное на практике дополнение средств управления доступом, предохраняющее от случайного или преднамеренного извлечения секретной информации из "мусора". Безопасность повторного использования должна гарантироваться для областей оперативной памяти, в частности для буферов с образами экрана, расшифрованными паролями и т.п., для дисковых блоков и магнитных носителей в целом.

3. метки безопасности;

Для реализации принудительного управления доступом с субъектами и объектами используются метки безопасности. Метка субъекта описывает его благонадежность, метка объекта - степень закрытости содержащейся в нем информации.

Согласно "Оранжевой книге", метки безопасности состоят из двух частей: уровня секретности и списка категорий. Уровни секретности, поддерживаемые системой, образуют упорядоченное множество, которое может выглядеть, например, так:

совершенно секретно; секретно; конфиденциально; несекретно.

Категории образуют неупорядоченный набор. Их назначение - описать предметную область, к которой относятся данные.

4. принудительное управление доступом.

Принудительное управление доступом основано на сопоставлении меток безопасности субъекта и объекта.

Субъект может читать информацию из объекта, если уровень секретности субъекта не ниже, чем у объекта, а все категории, перечисленные в метке безопасности объекта, присутствуют в метке субъекта. В таком случае говорят, что метка субъекта доминирует над меткой объекта. Смысл сформулированного правила понятен - читать можно только то, что положено.

82. КРИПТОСИСТЕМЫ (ПОДСТАНОВКА).

Криптографические методы являются наиболее эффективными средствами защиты информации в автоматизированных системах (АС). А при передаче информации по протяженным линиям связи они являются единственным реальным средством предотвращения несанкционированного доступа.

Любой криптографический метод характеризуется такими показателями:

Стойкость метода - это тот минимальный объем зашифрованного текста, статистическим анализом которого можно вскрыть исходный текст. Таким образом стойкость шифра определяет допустимый объем информации, зашифровываемый при использовании одного ключа.

Трудоемкость метода - определяется числом элементарных операций, необходимых для шифрования одного символа исходного текста.

Наиболее простой метод шифрования. Символы шифруемого текста заменяются другими символами, взятыми из одного алфавита (одноалфавитная замена) или нескольких алфавитов (многоалфавитная подстановка).

Одноалфавитная подстановка

Простейшая подстановка - прямая замена символов шифруемого сообщения другими буквами того же самого или другого алфавита.

Стойкость метода равна 20 - 30, трудоемкость определяется поиском символа в таблице замены. Для снижения трудоемкости при шифровании таблица замены сортируется по шифруемым символам, а для расшифровки формируется таблица дешифрования, которая получается из таблицы замены сортировкой по заменяющим символам.

Многоалфавитная одноконтурная обыкновенная подстановка

Для замены символов используются несколько алфавитов, причем смена алфавитов проводится последовательно и циклически: первый символ заменяется на соответствующий символ первого алфавита, второй - из второго алфавита, и т.д. пока не будут исчерпаны все алфавиты. После этого использование алфавитов повторяется.

Многоалфавитная одноконтурная монофоническая подстановка

В монофонической подстановке количество и состав алфавитов выбирается таким образом, чтобы частоты появления всех символов в зашифрованном тексте были одинаковыми. При таком положении затрудняется криптоанализ зашифрованного текста с помощью его статистической обработки. Выравнивание частот появления символов достигается за счет того, что для часто встречающихся символов исходного текста предусматривается большее число заменяющих символов, чем для редко встречающихся

Многоалфавитная многоконтурная подстановка

Многоконтурная подстановка заключается в том, что для шифрования используются несколько наборов (контуров) алфавитов, используемых циклически, причем каждый контур в общем случае имеет свой индивидуальный период применения.

83. КРИПТОСИСТЕМЫ (ПЕРЕСТАНОВКА).

При шифровании перестановкой символы шифруемого текста переставляются по определенным правилам внутри шифруемого блока этого текста.

Простая перестановка

Выбирается размер блока шифрования в n столбцов и m строк и ключевая последовательность, которая формируется из натурального ряда чисел 1,2,...,n случайной перестановкой.

Шифрование проводится в следующем порядке:

Шифруемый текст записывается последовательными строками под числами ключевой последовательности, образуя блок шифрования размером n*m.

Зашифрованный текст выписывается колонками в порядке возрастания номеров колонок, задаваемых ключевой последовательностью.

Заполняется новый блок и т.д.

Например, зашифруем текст ГРУЗИТЕ_АПЕЛЬСИНЫ_БОЧКАХ блоком размером 8*3 и ключом 5-8-1-3-7-4-6-2.

Таблица простой перестановки будет иметь вид:

Ключ

5 8 1 3 7 4 6 2

Г Р У З И Т Е _

А П Е Л Ь С И Н

Ы _ Б О Ч К А Х

Зашифрованное сообщение:УЕБ_НХЗЛОЕСЛГАЫЕИАИЬЧРП_

Расшифрование выполняется в следующем порядке:

Из зашифрованного текста выделяется блок символов размером n*m.

Этот блок разбивается на n групп по m символов.

Символы записываются в те столбцы таблицы перестановки, номера которых совпадают с номерами групп в блоке. Расшифрованный текст читается по строкам таблицы перестановки.

Выделяется новый блок символов и т.д.

Перестановка, усложненная по таблице

При усложнении перестановки по таблицам для повышения стойкости шифра в таблицу перестановки вводятся неиспользуемые клетки таблицы. Количество и расположение неиспользуемых элементов является дополнительным ключом шифрования

Перестановка, усложненная по маршрутам

Высокую стойкость шифрования можно обеспечить усложнением перестановок по маршрутам типа гамильтоновских. При этом для записи символов шифруемого текста используются вершины некоторого гиперкуба, а знаки зашифрованного текста считываются по маршрутам Гамильтона, причем используются несколько различных маршрутов.

84. КРИПТОСИСТЕМЫ (ГАММИРОВАНИЕ).

Суть метода состоит в том, что символы шифруемого текста последовательно складываются с символами некоторой специальной последовательности, называемой гаммой. Иногда такой метод представляют как наложение гаммы на исходный текст, поэтому он получил название "гаммирование".

Наложение гаммы можно осуществить несколькими способами, например по формуле

tш = tо XOR tг ,

где tш, tо, tг - ASCII коды соответственно зашифрованного символа, исходного символа и гаммы,

XOR - побитовая операция "исключающее или".

Расшифрование текста проводится по той же формуле:

tо = tш XOR tг .

Последовательность гаммы удобно формировать с помощью датчика псевдослучайных чисел (ПСЧ).

Стойкость гаммирования однозначно определяется длиной периода гаммы. При использовании современных ПСЧ реальным становится использование бесконечной гаммы, что приводит к бесконечной теоретической стойкости зашифрованного текста.

85. КРИПТОСИСТЕМЫ (АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ).

Достаточно надежное закрытие информации может обеспечить использование при шифровании некоторых аналитических преобразований. Например, можно использовать методы алгебры матриц - в частности умножение матрицы на вектор.

В качестве ключа задается квадратная матрица ||a|| размера n*n. Исходный текст разбивается на блоки длиной n символов. Каждый блок рассматривается как n-мерный вектор. А процесс шифрования блока заключается в получении нового n-мерного вектора (зашифрованного блока) как результата умножения матрицы ||a|| на исходный вектор.

Расшифрование текста происходит с помощью такого же преобразования, только с помощью матрицы, обратной ||a||. Очевидно, что ключевая матрица ||a|| должна быть невырожденной.