«Архитектура ЭВМ и вычислительных систем» - Методические указания

2.1 Классическая архитектура ЭВМ и принципы Фон Неймана….25
2.2 Совершенствование и развитие внутренней структуры ЭВМ. Основной цикл работы ЭВМ….31
2.3 Система команд ЭВМ и способы обращения к данным….37
3 Развитие ЭВМ в Свободненском авиационном отряде ГАУ «Амурская авиабаза»….40
3.1 Характеристика построения компьютерной сети в Свободненском авиационном отряде ГАУ «Амурская авиабаза»….40
3.2 Перспективы развития ЭВМ в Свободненском авиационном отряде ГАУ «Амурская авиабаза»….…47
Заключение….54
Глоссарий….57
Список использованных источников….…60
Список сокращений….63
Приложения….64

Оценка возможности использоания автоматизированных тренажёров в дисциплине Архитектура аппаратных средств
Основы применения Автоматизированных тренажеров в дисциплине Архитектура аппаратных средств
Основы успешного обучения
Место и роль автоматизированных тренажеров в дисциплине Архитектура аппаратных средств
Классификация автоматизированных тренажеров
Методы организации обучения с применением автоматизированных тренажеров
Разработка WEB-Приложения для формирования навыков по идентификации раъёмов материнской платы
Выбор технических средств
Выбор инструментального средства
Разработка алгоритма тренажёра для идентификации разъёмов ЭВМ
Интерфейс приложения
Заключение
Литература

3. Рекуррентные соотношения. Способы решения рекуррентных соотношений. Числа Фибоначчи.
4. Основные понятия теории графов. Изоморфизм графов. Связные графы. Деревья. Представление графа на ЭВМ (динамические структуры данных, стеки, очереди, двоичные деревья)
Архитектура компьютера
5. Архитектура ЭВМ. Классическая архитектура ЭВМ и принцип Фон Неймана.
6. Язык программирования Ассемблер. Базовые элементы. Основные операции над регистрами.
7. Аппаратные и программные прерывания. Адресное пространство и смещение.
8. Аппаратные и программные средства обработки информации.
Информационные технологии в математике
9. Информационная технология. Этапы развития и перспективы информационных технологий.
10. Информационная емкость. Формула информационной емкости.
11. Перспективы развития информационных технологий.
12. Математический пакет Maple — среда для решения математических задач. Основы работы, команды. Построение графиков функций. Решение дифференциальных уравнений.
Исслед операций
13. Понятие одномерной и многомерной оптимизации. Необходимые и достаточные условия безусловного экстремума.
14. Условный экстремум: Функция Лагранжа, метод множителей Лагранжа.
15. Симплекс-метод. Преобразование симплекс  таблиц на языке Pascal.
16. Двойственные задачи: симметричные и несимметричные. Двойственность в линейном программировании.
Компьютерное моделирование
17. Моделирование как метод познания. Понятие «модель». Виды моделирования в естественных и технических науках. Компьютерная модель. Информационные модели. Объекты и их связи. Основные структуры в информационном моделировании. Примеры информационных моделей. Поля, методы и свойства. Абстрактные, виртуальные, динамические и перегружаемые методы.
18. Графическое моделирование. Основы трехмерной графики. Преобразования координат. Перенос и повороты в трехмерном пространстве.
19. Понятие математического моделирования. Этапы и цели математического моделирования. Различные подходы к классификации математических моделей. Модели с сосредоточенными и распределенными параметрами. Дескриптивные, оптимизационные, многокритериальные, игровые модели.
20. Имитационные модели и системы. Этапы построения имитационной модели. Анализ и оценка адекватности имитационной модели. Примеры имитационных моделей.
21. Моделирование стохастических систем. Общие и частные стохастические методы. Моделирование последовательностей независимых и зависимых случайных испытаний. Общий алгоритм моделирования дискретной случайной величины.
Компьютерные сети
22. Понятие о компьютерных сетях. Типы сетей. Топология. Классификация.
23. Архитектура компьютерных сетей. Семиуровневая модель OSI. Модель TCP/IP.
24. Адресация в сети Internet. Понятие сокета, как способ программного доступа к сетевым функциям.
25. Технология «Клиент-Сервер». Одноранговые и распределенные сети.
26. Протоколы и службы Internet.
Математическая логика, теория алгоритмов, теоретические основы информатики
27. Алгебра высказываний как модель алгебры Буля, ее аксиоматическое задание. Принцип двойственности и теорема двойственности.
28. Проблема разрешимости (разрешения) для класса однотипных задач. Проблема разрешимости в алгебре высказываний и способы их разрешения.
29. Высказывательные формы (предикаты). Способы их задания. Логические операции над предикатами.
30. Неформальное понятие алгоритма. Общие свойства алгоритмов. Графические средства для описания алгоритмов.
31. Формальное определение понятия алгоритма в виде машин Тьюринга. Вычисления на машинах Тьюринга. Тезис Тьюринга - Черча. Проблема самоприменимости.
32. Рекурсивные функции, рекурсивные множества. Тезис Черча. Итерация одноместных функций и доказательная база к ней.
33. Система счисления с произвольным основанием. Перевод из одной системы счисления в другую. Операции над числами в системах счисления с произвольным основанием.
34. Основные понятия теории кодирования. Оптимальный код Шеннона-Фано.
Основы искусственного интеллекта.
35. Основы теории экспертных систем. Общая характеристика ЭС. Виды ЭС и типы решаемых задач. Структура и режимы использования ЭС. Перспективы развития экспертных систем.
36. Основы теории распознавания образов. Общая постановка проблемы. Детерминированные, вероятностные, логические и структурные методы
37. Основы нейросетевых технологий. Нейроклетка - разработка формальной модели. Классы нейронных сетей. Методы обучения.
38. Базовые конструкции языка программирования Pascal.
39. Основные типы данных языка программирования Pascal и их производные.
40. Описание процедур и функции языка программирования Pascal.
41. Delphi – cреда разработки приложений для ОС Windows. Компонентная разработка приложений в среде Delphi.
42. Разработка мультимедийных приложений в среде Delphi.
Численные методы
43. Метод простой итерации при решении уравнения с одной переменной.
44. Метод простой итерации для СЛАУ.
45. Интерполяционный многочлен Лагранжа. Вывод, оценка погрешности.
46. Метод трапеций для численного нахождения определенного интеграла: вывод формулы, оценка погрешности, геометрический смысл.
47. Методы численного интегрирования дифференциальных уравнений.
48. Метод наименьших квадратов.
Элементы абстрактной и компьютерной алгебры.
49. Теория множеств: множества и операции над множествами, основные проблемы.
50. Алгебра и алгебраические системы.
51. Группы (подгруппы), поля и кольца.

3.1. Большие ЭВМ 9
3.2. Малые ЭВМ 11
3.3 Персональные компьютеры 12
3.4. СуперЭВМ 14
3.5. Серверы 15
3.6. Переносные компьютеры 17
4. Тенденции развития вычислительных систем 22
Заключение 25
Список использованной литературы 26

2. Условный экстремум: Функция Лагранжа, метод множителей Лагранжа. 4
3. Симплекс-метод. Преобразование симплекс  таблиц на языке Pascal. 5
4. Двойственные задачи: симметричные и несимметричные. Двойственность в линейном программировании. 6
5. 5.Основные комбинаторные объекты и числа. 7
6. 6.Метод производящих функций. Бином Ньютона. Основные тождества с биномиальными коэффициентами. 9
7. Рекуррентные соотношения. Способы решения рекуррентных соотношений. Числа Фибоначчи. 11
8. Основные понятия теории графов. Изоморфизм графов. Связные графы. Деревья. Представление графа на ЭВМ(динамические структуры данных, стеки, очереди, двоичные деревья) 14
9. Теория множеств: множества и операции над множествами, основные проблемы. 18
10. Алгебра и алгебраические системы. 19
11. Группы (подгруппы), поля и кольца. 20
12. Основы теории экспертных систем. Общая характеристика ЭС. Виды ЭС и типы решаемых задач. Структура и режимы использования ЭС. Перспективы развития экспертных систем. 25
13. Основы теории распознавания образов. Общая постановка проблемы. Детерминированные, вероятностные, логические и структурные методы 33
14. Основы нейросетевых технологий. Нейроклетка - разработка формальной модели. Классы нейронных сетей. Методы обучения. 36
15. Базовые конструкции языка программирования Pascal 39
16. Основные типы данных языка программирования Pascal и их производные. 41
17. Описание процедур и функции языка программирования pascal. 43
18. Delphi – cреда разработки приложений для ОС Windows. Компонентная разработка приложений в среде Delphi. 45
19. Разработка мультимедийных приложений в среде Delphi. 48
20. Архитектура ЭВМ. Классическая архитектура ЭВМ и принцип Фон Неймана 49
21. Язык программирования Ассемблер. Базовые элементы. Основные операции над регистрами 52
22. Аппаратные и программные прерывания. Адресное пространство и смещение. 61
23. Аппаратные и программные средства обработки информации 62
24. Понятие об информационных технологиях, принципы организации. Основные задачи системного программирования. 63
25. Информационная емкость. Формула информационной емкости 65
26. Понятие о системах программирования, ее основные функции и компоненты. 66
27. Прикладные инструментальные пакеты для решения математических задач. Обзор пакетов символьных вычислений, обработки статистической информации и графические пакеты. 71
28. Алгебра высказываний как модель алгебры Буля, ее аксиоматическое задание. Принцип двойственности и теорема двойственности. 73
29. Проблема разрешимости (разрешения) для класса однотипных задач. Проблема разрешимости в алгебре высказываний и способы их разрешения. 77
30. Высказывательные формы (предикаты). Способы их задания. Логические операции над предикатами. 78
31. Рекурсивные функции, рекурсивные множества. Тезис Черча. Итерация одноместных функций и доказательная база к ней. 83
32. Система счисления с произвольным основанием. Перевод из одной системы счисления в другую. Операции над числами в системах счисления с произвольным основанием. 86
33. Основные понятия теории кодирования. Оптимальный код Шеннона-Фано 89
34. Понятие о компьютерных сетях. Типы сетей. Топология. Классификация 93
35. Архитектура компьютерных сетей. Семиуровневая модель OSI. Модель TCP/IP 97
36. Адресация в сети Internet. Понятие сокета, как способ программного доступа к сетевым функциям. 99
37. Технология «Клиент-Сервер». Одноранговые и распределенные сети 101
38. Протоколы и службы Internet. 107
39. Метод простой итерации при решении уравнения с одной переменной 116
40. Метод трапеций для численного нахождения определенного интеграла: вывод формулы, оценка погрешности, геометрический смысл 118
41. Методы численного интегрирования дифференциальных уравнений 119
42. Метод наименьших квадратов 119
43. Моделирование как метод познания. Понятие «модель». Виды моделирования в естественных и технических науках. Компьютерная модель. Информационные модели. Объекты и их связи. Основные структуры в информационном моделировании. Примеры информационных моделей. Поля, методы и свойства. Абстрактные, виртуальные, динамические и перегружаемые методы. 120
44. Графическое моделирование. Траектории движения тел и графики функций. Изолинии. Основы трехмерной графики. Преобразования координат. Перенос и повороты в трехмерном пространстве. 126
45. Понятие математического моделирования. Этапы и цели математического моделирования. Различные подходы к классификации математических моделей. Модели с сосредоточенными и распределенными параметрами. Дескриптивные, оптимизационные, многокритериальные, игровые модели 130
46. Имитационные модели и системы. Этапы построения имитационной модели. Анализ и оценка адекватности имитационной модели. Примеры имитационных моделей 134
47. Моделирование стохастических систем. Общие и частные стохастические методы. Моделирование последовательностей независимых и зависимых случайных испытаний. Общий алгоритм моделирования дискретной случайной величины 136

2. Топология сети
При построении сети организации будем использовать древовидную структуру на основе топологии звезда. Это одна из наиболее распространенных топологий, поскольку проста в обслуживании.
Достоинства топологии:
• выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети в целом;
• хорошая масштабируемость сети;
• лёгкий поиск неисправностей и обрывов в сети;
• высокая производительность сети (при условии правильного проектирования);
• гибкие возможности администрирования.
Недостатки топологии:
• выход из строя центрального концентратора обернётся неработоспособностью сети (или сегмента сети) в целом;
• для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий;
• конечное число рабочих станций в сети (или сегменте сети) ограничено количеством портов в центральном концентраторе.
Эта топология выбрана в связи с тем, что является наиболее быстродействующей. С точки зрения надежности она не является наилучшим решением, так как выход их строя центрального узла приводит к остановке всей сети, но в то же время проще найти неисправность.
Абоненты каждого сегмента сети будут подключены к соответствующему коммутатору (Switch). А связывать в единую сеть эти сегменты будет управляемый коммутатор – центральный элемент сети.
3. Сетевая технология
Сетевая технология – это набор стандартов, определяющий минимальный состав программно-аппаратных средств, достаточный для организации взаимодействия компьютеров в сети. Как правило, сетевая технология определяет топологию сети, а также протокол канального уровня (формат кадра, порядок обмена кадрами, MTU).
В настоящее время существует большое количество сетевых, но наиболее популярная в настоящее время технология – это технология локальных сетей Ethernet. Эта популярность обеспечивается простыми, надежными и недорогими технологиями.
Будем использовать более быструю технологию – Fast Ethernet/IEEE802.3u, которая позволяет осуществлять передачу данных по сети со скоростью до 100 Мбит/с, в отличие от обычного Ethernet (10 Мбит/с).
Стандарт определяет три типа сегментов, отличающихся типами среды передачи:
• 100BASE-T4 (счетверенная витая пара);
• 100BASE-TX (сдвоенная витая пара);
• 100BASE-FX (оптоволоконный кабель).
Таким образом, эта сетевая технология имеет необходимые модификации, чтобы удовлетворить требования по длине кабелей до сегментов. Так, самое больше расстояние от маршрутизатора до коммутатора имеет сегмент бухгалтерии – 500 м. Поэтому для соединения с этим сегментов будем использовать среду передачи 100BASE-FX, которая поддерживает передачу на расстояние до нескольких км в полнодуплексном режиме при использовании одномодового оптоволокна (ODT). Расстояние до остальных сегментов не превышает 100 м, поэтому для них будем использовать 100BASE-TX.
Так же эта технология определяет метод доступа - CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий. Обнаружение коллизий используется для улучшения производительности CSMA с помощью прерывания передачи сразу после обнаружения коллизии и снижения вероятности второй коллизии во время повторной передачи.
4. Среда передачи
Средой передачи информации называются те линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами.
Для сегментов сети, расстояние которых до роутера не превышает 100 м, будем использовать стандарт 100BASE-TX.
Схема объединения компьютеров в сеть 100BASE-TX показана на рисунке 2.1 и практически ничем не отличается от схемы по стандарту 10BASE-T . Однако, в этом случае необходимо применение кабелей с неэкранированными витыми парами (UTP) категории 5 или выше, что связано с требуемой пропускной способностью кабеля.

Рис. 2.1. Схема объединения компьютеров по стандарту 100BASE-TX
Кабель категории 5 (см. рис. 2.2) – в настоящее время самый совершенный кабель, рассчитанный на передачу данных в полосе частот до 100 МГц. Состоит из витых пар, имеющих не менее 27 витков на метр длины. Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом.

Рис. 2.2. Витая пара UTP, 5 категория
Кабеля оснащены разъемами RJ-45 (см. рис. 2.3), которые похожи на увеличенный телефонный разъем. С помощью обжимных инструментов RJ-45 обжимается в соответствии с цветовой схемой расположения проводников по стандарту T568B. Схема разводки проводов кабеля показана на рис. 2.4.

Рис. 2.3. Разъем RJ-45

Рис. 2.4. Схема разводки проводов кабеля
Назначение контактов разъема представлено в таблице 2.1.
Таблица 2.1
Назначение контактов разъёма MDI/MDI-X (TIA/EIA-568-B/A) кабеля UTP 100Base-TX
Контакт Сигнал Цвет
MDI (TIA/EIA-568-B)
1 Передача + Белый/оранжевый
2 Передача - Оранжевый
3 Приём + Белый/зелёный
4 Не используется Синий
5 Не используется Белый/синий
6 Приём - Зелёный
7 Не используется Белый/коричневый
8 Не используется Коричневый
В качестве передающей среды для линии, соединяющей роутер с коммутатором бухгалтерии, будем использовать оптоволоконный кабель по стандарту 100BASE-FX.
100BASE-FX — вариант Fast Ethernet с использованием оптоволоконного кабеля. В данном стандарте используется длинноволновая часть спектра (1300 нм) передаваемая по двум жилам, одна для приёма (RX) и одна для передачи (TX). Длина сегмента сети может достигать нескольких км в полнодуплексном режиме (с гарантией обнаружения коллизий) при использовании одномодового оптоволокна.
Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель – это такой тип кабеля, по которому информация передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент – это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.

Рис. 2.5. Структура оптоволоконного кабеля
Оптоволокно будет использоваться только в одном участке – это 500 м от роутера до коммутатора бухгалтерии. Поэтому необходимы медиаконверторы которые бы преобразовывали из электрический сигнал стандарта 100BASE-TX в оптический стандарта 100BASE-FX на выходе из центрального коммутатора и обратно перед входом в коммутатор, который стоит в бухгалтерии.

Необходимо следующее сетевое оборудование:
1. Устройство соединения сегментов сети (Router) – 1 шт.— сетевое устройство, на основании информации о топологии сети и определённых правил принимающее решения о пересылке пакетов сетевого уровня (уровень 3 модели OSI) между различными сегментами сети. Должен быть порт для 100BASE-FX
2. Сетевые коммутаторы или свитчи (Switch) - 5 шт. — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю, исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.
3. Серверы (server) - 5 шт. — аппаратное обеспечение, выделенное и/или специализированное для выполнения на нем сервисного программного обеспечения без непосредственного участия человека.
4. Принтеры (в т.ч. многофункциональные устройства) (Printer) – 9 шт. - устройство печати цифровой информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу. Относится к терминальным устройствам компьютера. Общедоступные устройства должны иметь встроенные принт-серверы.
5. Медиаконвертеры (MKa и MKb)– 1 пара – устройство, которое используется в сети для преобразования оптической среды в электрическую и наоборот.
6. Сетевые адаптеры (сетевые карты) на рабочие компьютеры — периферийные устройства, позволяющие компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети. Предположим, что они присутствовали в базовой комплектации закупленных ранее рабочих станций.
Серверы
Серверы - это самые незаметные системы в целой сети компьютеров. Идеальный сервер - система, которая стоит в серверной, и не требует к себе постоянного внимания. Этим он отличается от обычных ПК или рабочей станции. И подход к выбору сервера гораздо более жесткий и прагматичный, чем к любой другой системе. При этом специфика сервера - преднамеренная избыточность основных компонентов. Главными критериями выбора серверной платформы являются специфика решаемых сервером задач и количество автоматизированных рабочих мест, которые объединяются в сеть.
Серверы являются наиболее распространенными вычислительными системами в современных офисах. Они быстро и надежно справляются с повседневными бизнес-процессами любого офиса, такими как хранение и архивация файлов, прием и сортировка электронной почты, организация совместного доступа в Интернет, печать документов, работа с различными базами данных. Существует ошибочное мнение, что в качестве сервера на малом предприятии можно использовать более-менее мощный персональный компьютер. Такое заблуждение не дает возможности предприятиям в полной мере воспользоваться всеми преимуществами настоящих серверных технологий: не обеспечивает необходимую степень защищенности данных, негативно отражается на работоспособности информационных систем и из-за низкой способности к наращиванию (масштабируемости) тормозит дальнейшее развитие компании, а зачастую приводит и к материальным потерям из-за выхода такого «сервера» из строя. Сервер по определению должен быть высоконадежной отказоустойчивой системой с поддержкой многопроцессорных архитектур, возможностью резервирования данных, систем питания и охлаждения и имеющей функции удаленного мониторинга или управления. Архитектура таких серверов, как правило, многопроцессорная, работая 24 часа в сутки они позволяют проводить "горячую замену" большинства узлов, обладают повышенной надежностью и вычислительной мощностью, снабжаются улучшенной системой автономного питания.
3.1.1. Сервер корпоративных баз данных
Сервер Dell PowerEdge R900 - сервер для установки в стойку с четырьмя разъемами для четырехъядерных процессоров и форм-фактором 4U. Идеален для поддержки баз данных, требующих высокой производительности и отказоустойчивости приложений, создания серверных кластеров и виртуализации.

Рис. 3.1. Сервер Dell PowerEdge R900
Dell PowerEdge R900 - это эффективная и стабильная работа критически важных корпоративных приложений.
Разработанный специально для мощных приложений и баз данных, сервер PowerEdgeR900 является:
• Самым мощным на сегодняшний день сервером Dell на процессорах Intel
• Лучшим выбором для работы с ПО Oracle® , SQL® и другими важнейшими бизнес-приложениями
• Стабильным и производительным сервером. Блоки питания Energy Smart® обеспечивают экономию энергии до 90% при большей производительности.
Упрощенное управление. Сервер PowerEdgeTM R900 поможет упростить информационную инфраструктуру:
• Улучшенные функции мониторинга с помощью простого в управлении пакета ПО Dell OpenManageTM для мониторинга и управления энергоемкими и виртуальными средами
• Для защиты критически важных данных в сервере R900 имеются расширенные функции безопасности, в том числе модуль TPM (отраслевой стандарт), заблокированный внутренний USB-порт и датчик открытия корпуса.
• Быстрая настройка с помощью устройств резервного питания и жестких дисков с функцией горячего подключения, а также различных технологий RAID, включая поддержку RA