Схемная реализация элементарных логических операций. типовые логические узлы
Мы уже знаем, что любую достаточно сложную логическую функцию можно реализовать, имея относительно простой набор базовых логических операций. Первоначально этот тезис был технически реализован «один к одному»: были разработаны и выпускались микросхемы, соответствующие основным логическим действиям. Потребитель, комбинируя имеющиеся в его распоряжении элементы, мог получить схему с реализацией необходимой логики. Довольно быстро стало ясно, что подобное «строительство здания из отдельных кирпичиков» не может удовлетворить практические потребности. Промышленность увеличила степень интеграции МС и начала выпускать более сложные типовые узлы: триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры и т.д. (продолжая аналогию со строительством, этот шаг, видимо, следует уподобить панельному способу домостроения). Новые микросхемы давали возможность реализовывать еще более сложные электронные логические устройства, но человеку свойственно не останавливаться на достигнутом: рост возможностей порождает новые потребности. Последовал переход к большим интегральным схемам (БИС), представлявшим из себя функционально законченные узлы, а не отдельные компоненты для их создания (как тут не вспомнить блочный метод постройки здания из готовых комнат). Наконец, дальнейшая эволюция технологий производства ИМС привела к настолько высокой степени интеграции, что в одной БИС содержалось функционально законченное изделие: часы, калькулятор, небольшая специализированная ЭВМ...
Если посмотреть на внутреннее устройство типичного современного компьютера, то там присутствуют ИМС очень высокого уровня интеграции: микропроцессор, модули ОЗУ, контроллеры внешних устройств и др. Фактически каждая микросхема или небольшая группа микросхем образуют функционально законченный блок. Уровень сложности блока таков, что разобраться в его внутреннем устройстве для неспециалиста не только нецелесообразно, а просто невозможно. К счастью, для понимания внутренних принципов работы современной ЭВМ достаточно рассмотреть несколько типовых узлов, а изучение поведения БИС заменить изучением функциональной схемы компьютера.
Обработка информации в ЭВМ происходит, как уже не раз отмечалось выше, путем последовательного выполнения элементарных операций. Эти операции менее многочисленны, нежели набор команд ЭВМ (которые реализуются через цепочки этих операций). К элементарным операциям относятся: установка - запись в операционный элемент (например, регистр) двоичного кода; прием - передача (перезапись) кода из одного элемента в другой; сдвиг - изменение положения кода относительно исходного; преобразование - перекодирование; сложение - арифметическое сложение целых двоичных чисел - и некоторые другие. Для выполнения каждой из этих операций сконструированы электронные узлы. являющиеся основными узлами цифровых вычислительных машин - регистры, счетчики, сумматоры, преобразователи кодов и т.д.
В основе каждой из элементарных операций лежит некоторая последовательность логических действий, описанных в предыдущем параграфе. Проанализируем, например, операцию сложения двух чисел: 3+6.Имеем:
+ 110
На каждом элементарнейшем шаге этой деятельности двум двоичным цифрам сопоставляется двоичное число (одно- или двузначное) по правилам: (0,0) => О, (0,1) => 1, (1.0) => 1, (1,1) => 10. Таким образом, сложение цифр можно описать логической бинарной функцией. Если дополнить это логическим правилом переноса единицы в старший разряд (оно будет сформулировано ниже при описании работы сумматора), то сложение полностью сведется к цепочке логических операций.
Для дальнейшего рассмотрения необходимо знать условные обозначения базовых логических элементов. Они приведены на рис. 4.21. Соответствующие таблицы истинности приведены в предыдущем пункте.
Отметим, что на практике логические элементы могут иметь не один или два, а значительно большее число входов.
Рис. 4.21. Условные обозначения основных логических элементов
Итак, примем к сведению, что простейшие логические элементы, изображенные на рис. 4.21, можно реализовать аппаратно. Это означает, что можно создать электронные устройства на транзисторах, резисторах и т.п., каждое из которых имеет один или два входа для подачи управляющих напряжений и один выход, напряжение на котором определяется соответствующей таблицей истинности. На практике логическому «да» («истина», или цифра 1 в таблицах истинности) соответствует наличие напряжения, логическому «нет» («ложь», или цифра 0) - его отсутствие.
Вопрос, на который мы должны ответить, таков: как с помощью таких элементарных схем реализовать сложные цифровые устройства, необходимые для работы ЭВМ? При этом, учитывая существование прямых соответствий между логическими и электронными схемами, вполне достаточно достичь понимания на уровне логических схем.
В качестве характерных устройств выберем два наиболее важных и интересных -триггер (рис. 4.22) и сумматор. Первый - основа устройств оперативного хранения информации, второй служит для сложения чисел.
Перейдем к описанию работы триггера.Соответствующая его работе таблицаистинности (табл. 4.7) приведена ниже.
Как видно из рис. 4.22, простейший вариант триггера собирается из четырех логических элементов И-НЕ, причем два из них играют вспомогательную роль. Триггер имеет два входа, обозначенные на схеме R и S, а также два выхода, помеченные буквой Q - прямой и инверсный (черта над Q у инверсного выхода означает отрицание). Триггер устроен таким образом, что на прямом и инверсном выходах сигналы всегда противоположны.
Как же работает триггер? Пусть на входе R установлена 1, а на S - 0. Логические элементы D1 и D2 инвертируют эти сигналы, т.е. меняют их значения на противоположные. В результате на вход элемента D3 поступает 1, а на D4 - 0. Поскольку на одном из входов D4 есть 0. независимо от состояния другого входа на его выходе (он же является инверсным выходом триггера!) обязательно установится 1. Эта единица передается на вход элемента D3 и в сочетании с 1 на другом входе порождает на выходе D3 логический 0. Итак, при R=1 и S=0 на прямом выходе триггера устанавливается 0, а на инверсном - 1.
Рис. 4.22. Логическая схема триггера
Таблица 4.7
Таблица истинности RS-тригтера
| S | R |  |  | Q |  | Примечания |
| X (1 | X 1) | Хранение Запрещено |
Обозначение состояния триггера по договоренности связывается с прямым выходом. Тогда при описанной выше комбинации входных сигналов результирующее состояние можно условно назвать нулевым: говорят, что триггер «устанавливается в 0» или «сбрасывается». Сброс по-английски называется «Reset», отсюда вход, появление сигнала на котором приводит к сбросу триггера, обычно обозначают буквой R.
Проведите аналогичные рассуждения для «симметричного» случая R =0 и S = 1. Вы увидите, что на прямом выходе получится логическая 1, а на инверсном - 0. Триггер перейдет в единичное состояние - «установится» (установка по-английски - «Set»).
Теперь рассмотрим наиболее распространенную и интересную ситуацию R = 0 и S = 0 - входных сигналов нет. Тогда на входы элементов D3 и D4. связанные с R и S будет подана и их выходной сигнал будет зависеть от сигналов на противопо-ложных входах. Нетрудно убедится, что такое состояние будет устойчивым. Пусть, например, на прямом выходе 1. Тогда наличие единиц на обоих входах элемента D4 «подтверждает» нулевой сигнал на его выходе. В свою очередь, наличие 0 на инверсном выходе передается на D3 и поддерживает его выходное единичное состояние. Аналогично доказывается устойчивость картины и для противоположного состояния триггера, когда Q = 0.
Таким образом, при отсутствии входных сигналов триггер сохраняет свое «предыдущее» состояние. Иными словами, если на вход R подать 1, а затем убрать, триггер установится в нулевое состояние и будет его сохранять, пока не поступит сигнал на другой вход S. В последнем случае он перебросится в единичное состояние и после прекращения действия входного сигнала будет сохранять на прямом выходе 1. Мы видим, что триггер обладает замечательным свойством: после снятия входных сигналов он сохраняет свое состояние, а значит может служить устройством для хранения одного бита информации.
В заключение проанализируем последнюю комбинацию входных сигналов: R = 1 и S = 1. Нетрудно убедиться (проделайте необходимые рассуждения самостоятельно), что в этом случае на обоих выходах триггера установится I! Такое состояние помимо своей логической абсурдности еще и является неустойчивым: после снятия входных сигналов триггер случайным образом перейдет в одно из своих устойчивых состояний. Вследствие этого, комбинация R = 1 и S = 1 никогда не используется на практике и является запрещенной.
Мы рассмотрели простейший RS-триггер. Существуют и другие разновидности этого интересного и полезного устройства. Все они различаются не столько принципом работы, сколько входной логикой, усложняющей «поведение» триггера.
Триггеры очень широко применяются в вычислительной технике. На их основе изготовляются всевозможные регистры для хранения и некоторых видов обработки (например, сдвига) двоичной информации, счетчики импульсов и даже интегральные микросхемы статического ОЗУ, не требующие для сохранения информации специальных процессов регенерации. Множество триггеров входят в состав любого микропроцессора.
В качестве второго примера применения логических элементов в вычислительной технике рассмотрим устройство, называемое сумматором. Его назначение состоит в нахождении суммы двух двоичных чисел. Этот узел интересен для нас тем, что он лежит в основе арифметического устройства ЭВМ и иллюстрирует некоторые принципы выполнения вычислительных операций в компьютере.
Для простоты начнем с изучения логической структуры простейшего возможного устройства, являющегося звеном сумматора. Это устройство - полусумматор - реализует сложение двух одноразрядных двоичных, чисел, которые обозначим А и В. В результате получается, вообще говоря, двухразрядное двоичное число. Его младшую цифру обозначим S, а старшую, которая при сложении многоразрядных чисел будет перенесена в старший разряд, через Со (от английских слов «Carry out»- «выходной перенос»). Для лучшего понимания происходящего вспомните правило типа «ноль пишем, один в уме».
Обе цифры можно получить по следующим логическим формулам:
(черта над символом обозначает операцию NOT, знак ^ - конъюнкцию, знак v -дизъюнкцию). Это легко проверить перебором всех четырех возможных случаев сочетания значений А и В, пользуясь табл. 4.5 и табл. 4.8.
Таблица 4.8
Таблица истинности для полусумматора
| А | В | S | Со |
Мысленно объединим в табл. 4.8 столбцы А, В и Со. Полученная таблица напоминает базовый логический элемент И. Аналогично, сравнив первые три столбца А.В и S с имеющимися в предыдущем разделе таблицами истинности для распространенных логических элементов, обнаружим подходящий для наших целей элемент «исключающее ИЛИ». Таким образом, для реализации полусумматора достаточно соединить параллельно входы двух логических элементов (рис. 4.23).
Ниже приведены два варианта логической схемы полусумматора: с использованием лишь базовых логических элементов и с использованием логического элемента «исключающее ИЛИ». Видно, что вторая схема существенно проще.
Рис. 4.23. Логическая схема полусумматора (два варианта)
Полный одноразрядный сумматор «умеет» при сложении двух цифр учитывать возможное наличие единицы, переносимой из старшего разряда (той, которая при обычном сложении столбиком остается «в уме»). Обозначим этот «бит переноса» через Ci (от английского «Carry in» - «входной перенос»).
Таблица 4.9
Таблица истинности для полусумматора
| Входы | Выходы | ||||
| А | В | Ci | S | Со | |
При построении схемы сумматор удобно представить в виде двух полусумматоров, из которых первый суммирует разряды А и В, а второй к полученному результату прибавляет бит переноса Ci.
Заметим, что для суммирования младших разрядов чисел полусумматора уже достаточно, так как в этом случае отсутствует сигнал входного переноса.
Соединив два полусумматора как показано на рис. 4.24, получим полный сумматор, способный осуществить сложение двух двоичных разрядов с учетом возможности переноса.
Рис. 4.24. Сумматор, составленный из двух полусумматоров
Рис. 4.25. Логическая схема суммирования двух трехразрядных двоичных чисел
Перейти к многоразрядным числам можно путем последовательного соединения соответствующего количества сумматоров. На рис. 4.25 представлена схема суммировання двух трехразрядных двоичных чисел А + В = S; в поразрядной записи эта-операция имеет следующие обозначения:
(a3a2a1) + (b3b2b1) = (S4S3S2S1)
Последовательность логических схем на рис. 4.23 - 4.25 отражает важнейшую в современной цифровой электронике и вычислительной технике идею последовательной интеграции. Такая интеграция позволяет реализовать все более функционально сложные узлы современного компьютера.
ПРИМЕР ЭЛЕКТРОННОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ЛОГИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА
Наконец, приведем обещанную выше электронную схему одного из элементарных логических устройств. Эта схема реализует логическую операцию И-НЕ.
Основа схемы - два nрn-транзистора. Для ее понимания достаточно вспомнить, как работают транзисторы. Через такой транзистор может протекать ток от коллектора к эмиттеру (на рис. 4.26 это соответствует «от плюса к минусу») при наличии положительного напряжения на базе (т.е. в точках А и В). Отсутствие напряжения на базе запирает этот ток.
Схема 4.26 имеет два входа А и В, через которые подается информация в виде электрического напряжения: есть напряжение - логическое «да», нет его - «нет». Выход - точка Y, наличие разности потенциалов между которой и точкой Z рассматривается как «да», отсутствие - как «нет». Питающее напряжение для схемы подается на левые входы («+» и «-»). Резистор R, при наличии тока, создает падение напряжения.
Puc. 4.26. Электронная реализация логического элемента И-НЕ (схема на nрn-транзисторах)
Допустим, на входах А и В нет напряжения («нет» и «нет»). В последней колонке табл. 4.6 этому соответствует А = 0, В = 0. Тогда оба транзистора «заперты», ток по цепи не протекает и между точками Y и Z есть разность потенциалов - т.е. результат операции «да», что в логических обозначениях соответствует 1 (именнокак втабл. 4.6). Если заперт один из транзисторов, то результат все равно такой же (сравните с табл. 4.6). Лишь если оба транзистора открыты, ток в цепи идет и между точками Y и Z разности потенциалов нет (падение напряжения на самих транзисторах ничтожно мало по сравнению с его падением на резисторе).
За более подробными сведениями на эту тему следует обратиться к рекомендованным ниже книгам.
Контрольные вопросы и задания
1. Дайте определение понятию «высказывание» и приведите несколько примеров. Не забудьте объяснить, какие из них истинны, а какие ложны.
2. Самостоятельно (не заглядывая в книгу) постройте таблицы истинности для всех упоминающихся в тексте логических операций.
3. Вспомните, что вам известно об операциях И, ИЛИ, НЕ в языках программирования. Сопоставьте эти знания с только что построенными вами таблицами.
4. Нарисуйте условные обозначения основных логических элементов и постройте рядом их таблицу истинности.
5. Проанализируйте самостоятельно работу триггера и сумматора для каждой строчки таблицы истинности.
6. Попробуйте нарисовать схему соединения элементов И-НЕ для получения базовых логических операций. Если это не удастся, обратитесь за помощью к указанным ниже книгам.
Дополнительная литература к главе 4
1. Александриди Т.М. и др. Работа на микро-ЭВМ. - М.: Финансы и статистика, 1989.
2. Anoкин И. А., Майстров Л.Е. История вычислительной техники. - М.: Наука, 1980.
3. Богумирский Б. С. Руководство пользователя ПЭВМ. Часть 1. Санкт-Петербург: Печатный Двор, 1994.
4. Брусенцов Н П. Микрокомпьютеры. - М.: Наука, 1985.
5. Василевский А. М., Кропоткин М.А.. Тихонов В. В, Оптическая электроника. -Л.: Энергоатомиздат, 1993.
6. Васильев Б.М., Частиков А.П Микропроцессоры (история, применение, технология) //Информатика и образование. - 1993. -N 5. -С. 71-83.
7. Гершензон Е. М., Полянина Г. Д., Соина Н. В. Радиотехника. -М.: Просвещение, 1989.
8. Гутер Р. С., Полунов Ю. Л. От абака до компьютера. - М.: Знание, 1975.
9.Джордейн Р. Справочник программиста персональных компьютеров типа IBM PC, XT и AT. - М.: Финансы и статистика, 1992.
10. Еремин Е.А. Компилятор? Это очень просто. Компьютер УКНЦ. - М.: Компьютика, 1995.-N3.-С. 25-33.
11. Еремин Е.А., Пономарева Л. В. Методические рекомендации по изучению основных принципов работы ПК. - Пермь: ПГПУ, 1989.
12. Еремин Е.А. Как работает современный компьютер. - Пермь: из-во ПРИПИТ, 1997.
13. Зальцман Ю.А. Архитектура и программированиена языке ассемблера БК-0010.//Информатика и образование. 1990.-N4-6: 1991.-N1-5.
14. Крук Б. И., Попов Г.Н. ...И мир загадочный за занавесом цифр... цифровая связь. - М.: Радио и связь, 1992.
15. Лин В. PDP-11 и VAX-11. Архитектура ЭВМ и программирование на языке ассемблера. - М.: Радио и связь, 1989.
16. Майоров С.А., Кириллов В.В., Приблуда А.А. Введение в микро-ЭВМ. - Л.:
Машиностроение, 1988.
17. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1990.
18. Мнеян М.Г. Физические принципы работы ЭВМ. - М.: Просвещение, 1987.
19. Нортон П.. Соухэ Д. Язык ассемблера для IBM PC. - М.: Финансы и статистика, 1992.
20. Нортон П. Персональный компьютер фирмы IBM и операционная система MS DOS. М.: Радио и связь, 1992.
21. Перегудов М.А., Халамайзер А. Я. Бок о бок с компьютером. - М.: Высшая школа,1987.
22. Поляков В. Т. Посвящение в радиоэлектронику. - М.: Радиои связь, 1990.
23. Смит Б.Э., Джонсон М.Т. Архитектура и программирование процессора INTEL 80386. - М.: Конкорд. 1992.
24. Токхейм Р. Основы цифровой электроники. - М.: Мир, 1988.
25. Толковый словарь по вычислительным системам / Под ред. В.Иллингуорта и др. - М.: Машиностроение, 1989.
26. Частиков А. П. История компьютера. - М.: Журнал «Информатика и образование», 1996.
27. Эндерлайн Р. Микроэлектроника для всех. - М.: Мир, 1979.
28. Ямпольский В. С. Основы автоматики и электронно-вычислительной техники. -М.: Просвещение, 1991.
ГЛАВА 5
КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
ВВЕДЕНИЕ
Компьютерная сеть - объединение нескольких ЭВМ для совместного решения информационных, вычислительных, учебных и других задач.
Одна из первых возникших при развитии вычислительной техники задач, потребовавшая создания сети хотя бы из двух ЭВМ - обеспечение многократно большей, чем могла дать в то время одна машина, надежности при управлении ответственным процессом в режиме реального времени. Так, при запуске космического аппарата необходимые темпы реакции на внешние события превосходят возможности человека, и выход из строя управляющего компьютера грозит непоправимыми последствиями. В простейшей схеме работу этого компьютера дублирует второй такой же, и при сбое активной машины содержимое ее процессора и ОЗУ очень быстро перебрасывается на вторую, которая подхватывает управление (в реальных системах все, конечно, происходит существенно сложнее).
Вот примеры других, очень разнородных, ситуации, в которых объединение нескольких ЭВМ необходимо.
А. В простейшем, самом дешевом учебном компьютерном классе, лишь однаизЭВМ - рабочее место преподавателя - имеет дисковод, позволяющий сохранять на диске программы и данные всего класса, и принтер, с помощью которого можно распечатывать тексты. Для обмена информацией между рабочим местом преподавателя и рабочими местами учеников нужна сеть.
Б. Для продажи железнодорожных или авиационных билетов, в которой одновременно участвуют сотни кассиров по всей стране, нужна сеть, связывающая сотни ЭВМ и выносных терминалов на пунктах продажи билетов.
В. Сегодня существует множество компьютерных баз и банков данных по самым разным аспектам человеческой деятельности. Для доступак хранимой в них информации нужна компьютерная сеть.
Сети ЭВМ врываются в жизнь людей - как в профессиональную деятельность, так и в быт - самым неожиданным и массовым образом. Знания о сетях и навыки работы в них становятся необходимыми множеству людей.
Сети ЭВМ породили существенно новые технологии обработки информации -сетевые технологии. В простейшем случае сетевые технологии позволяют совместно использовать ресурсы - накопители большой емкости, печатающие устройства, доступ в Internet, базы и банки данных. Наиболее современные и перспективные подходы к сетям связаны с использованием коллективного разделения труда при совместной работе с информацией - разработке различных документов и проектов, управлении учреждением или предприятием и т.д.
Простейшим видом сети является, так называемая, одноранговая сеть, обеспечивающая связь персональных компьютеров конечных пользователей и позволяющая совместно использовать дисководы, принтеры, файлы.
Более развитые сети помимо компьютеров конечных пользователей -рабочихстанций - включают специальные выделенные компьютеры - серверы. Сервер - это ЭВМ. выполняющая в сети особые функции обслуживания остальных компьютеров сети - рабочих станций. Есть разные виды серверов: файловые, телекоммуникационные серверы, серверы для проведения математических расчетов, серверы баз данных.
Весьма популярная сегодня и чрезвычайно перспективная технология обработки информации в сети называется «клиент - сервер». В методологии «клиент - сервер» предполагается глубокое разделение функций компьютеров в сети. При этом в функции «клиента» (под котором понимается ЭВМ с соответствующим программным обеспечением) входит
• предоставление пользовательского интерфейса, ориентированного на определенные производственные обязанности и полномочия пользователя;
• формирование запросов к серверу, причем не обязательно информируя об этом пользователя; в идеале пользователь вообще не вникает в технологию общения ЭВМ, за которой он работает, с сервером;
• анализ ответов сервера на запросы и предъявление их пользователю. Основная функция сервера - выполнение специфических действий по запросам клиента (например, решение сложной математической задачи, поиск данных в базе, соединение клиента с другим клиентом и т.д.); при этом сам сервер не инициирует никаких взаимодействий с клиентом. Если сервер, к которому обратился клиент, не в состоянии решить задачу из-за нехватки ресурсов, то в идеале он сам находит другой, более мощный, сервер и передает задачу ему, становясь, в свою очередь, клиентом, но не информируя об этом без нужды начального клиента. Обратим внимание, что «клиент» вовсе не есть выносной терминал сервера. Клиентом может быть весьма мощный компьютер, который в силу своих возможностей решает задачи самостоятельно.
Компьютерные сети и сетевые технологии обработки информации стали основой для построения современных информационных систем. Компьютер ныне следует рассматривать не как отдельное устройство обработки, а как «окно» в компьютерные сети, средство коммуникаций с сетевыми ресурсами и другими пользователями сетей.
ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ
АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА
Локальные сети (ЛС ЭВМ) объединяют относительно небольшое число компьютеров (обычно от 10 до 100, хотя изредка встречаются и гораздо большие) в пределах одного помещения (учебный компьютерный класс), здания или учреждения (например, университета). Традиционное название - локальная вычислительная сеть (ЛВС) - скорее дань тем временам, когда сети в основном использовались для решения вычислительных задач; сегодня же в 99% случаев речь идет исключительно об обмене информацией в виде текстов, графических и видео-образов, числовых массивов. Полезность ЛС объясняется тем, что от 60% до 90% необходимой учреждению информации циркулирует внутри него, не нуждаясь в выходе наружу.
Большое влияние на развитие ЛС оказало создание автоматизированных систем управления предприятиями (АСУ). АСУ включают несколько автоматизированных рабочих мест (АРМ), измерительных комплексов, пунктов управления. Другое важнейшее поле деятельности, в котором ЛС доказали свою эффективность -создание классов учебной вычислительной техники (КУВТ).
Благодаря относительно небольшим длинам линий связи (как правило, не более 300 метров), по ЛС можно передавать информацию в цифровом виде с высокой скоростью передачи. На больших расстояниях такой способ передачи неприемлем из-за неизбежного затухания высокочастотных сигналов, в этих случаях приходятся прибегать к дополнительным техническим (цифро-аналоговым преобразованиям) и программным (протоколам коррекции ошибок и др.) решениям.
Характерная особенность ЛС - наличие связывающего всех абонентов высокоскоростного канала связи для передачи информации в цифровом виде. Существуют проводные и беспроводные (радио) каналы. Каждый из них характеризуется определенными значениями существенных с точки зрения организации ЛС параметров:
• скорости передачи данных;
• максимальной длины линии;
• помехозащищенности;
• механической прочности;
• удобства и простоты монтажа;
• стоимости.
В настоящее времяобычно применяют четыре типа сетевых кабелей:
• коаксиальный кабель;
• незащищенная витая пара;
• защищенная витая пара;
• волоконно-оптический кабель.
Первые три типа кабелей передают электрический сигнал по медным проводникам. Волоконно-оптические кабели передают свет по стеклянному волокну.
Большинство сетей допускает несколько вариантов кабельных соединений.
Коаксиальные кабели состоят из двух проводников, окруженных изолирующими слоями. Первый слой изоляции окружает центральный медный провод. Этот слой оплетен снаружи внешним экранирующим проводником. Наиболее распространенными коаксиальными кабелями являются толстый и тонкий кабели «Ethernet». Такая конструкция обеспечивает хорошую помехозащищенность и малое затухание сигнала на расстояниях.
Различают толстый (около 10 мм в диаметре) и тонкий (около 4 мм) коаксиальные кабели. Обладая преимуществами по помехозащищенности, прочности, длине линий, толстый коаксиальный кабель дороже и сложнее в монтаже (его сложнее протягивать по кабельным каналам), чем тонкий. До последнего времени тонкий коаксиальный кабель представлял собой разумный компромисс между основными параметрами линий связи ЛВС и в российских условиях наиболее часто использовался для организации крупных ЛС предприятий и учреждений. Однако более дорогие толстые кабели обеспечивают лучшую передачу данных на большее расстояние и менее чувствительны к электромагнитным помехам.
Витые пары представляют собой два повода, скрученных вместе шестью оборотами на дюйм для обеспечения защиты от электромагнитных помех и согласования импеданса или электрического сопротивления. Другим наименованием, обычно употребляемым для такого провода, является «IBM тип-3». В США такие кабели прокладываются при постройке зданий для обеспечения телефонной связи. Однако использование телефонного провода, особенно когда он уже размещен в здании, может создать большие проблемы. Во-первых, незащищенные витые пары чувствительны к электромагнитным помехам, например электрическим шумам, создаваемым люминесцентными светильниками и движущимися лифтами. Помехи могут создавать также сигналы, передаваемые по замкнутому контуру в телефонных линиях, проходящих вдоль кабеля локальной сети. Кроме того, витые пары плохого качества могут иметь переменное числовитков на дюйм, что искажает расчетное электрическое сопротивление.
Важно также заметить, что телефонные провода не всегда проложены по прямой линии. Кабель, соединяющий два рядом расположенных помещения, может на самом деле обойти половину здания. Недооценка длины кабеля в этом случае может привести к тому, что фактически она превысит максимально допустимую длину.
Защищенные витые пары схожи с незащищенными, за исключением того, что они используют более толстые провода и защищены от внешнего воздействия слоем изолятора. Наиболее распространенный тип такого кабеля, применяемого в локальных сетях, «IBM тип-1» представляет собой защищенный кабель с двумя витыми парами непрерывного провода. В новых зданиях лучшим вариантом может быть кабель «тип-2», так как он включает помимо линии передачи данных четыре незащищенные пары непрерывного провода для передачи телефонных переговоров. Таким образом, «тип-2» позволяет использовать один кабель для передачикактелефонных переговоров, так и данных по локальной сети.
Защита и тщательное соблюдение числа повивов на дюйм делают защищенный кабель с витыми парами надежным альтернативным кабельным соединением. Однако эта надежность приводит к увеличению стоимости.
Волоконно-оптические кабели передают данные в виде световых импульсов по стеклянным «проводам». Большинство систем локальных сетей в настоящее время поддерживает волоконно-оптическое кабельное соединение. Волоконно-оптический кабель обладает существенными преимуществами по сравнению с любыми вариантами медного кабеля. Волоконно-оптические кабели обеспечивают наивысшую скорость передачи; они более надежны, так как не подвержены потерям информационных пакетов из-за электромагнитных помех. Оптический кабель очень тонок и гибок, что делает его транспортировку более удобной по сравнению с более тяжелым медным кабелем. Однако наиболее важно то, что только оптический кабель имеет достаточную пропускную способность, которая в будущем потребуется для более быстрых сетей.
Пока еще цена волоконно-оптического кабеля значительно выше медного.Посравнению с медным кабелем монтаж оптического кабеля более трудоемок, поскольку концы его должны быть тщательно отполированы и выровнены для обеспечения надежного соединения. Однако ныне происходит переход на оптоволоконные линии, абсолютно неподверженные помехам и находящиеся вне конкуренции по пропускной способности. Стоимость таких линий неуклонно снижается, технологические трудности стыковки оптических волокон успешно преодолеваются.
Беспроводная связь на радиоволнах СВЧ диапазона может использоваться для организации сетей в пределах больших помещений типа ангаров или павильонов, там где использование обычных линий связи затруднено или нецелесообразно. Кроме того, беспроводные линии могут связывать удаленные сегменты локальных сетей на расстояниях 3 - 5 км (с антенной типа волновой канал) и 25 км (с направг ленной параболической антенной) при условии прямой видимости.Организациябеспроводной сети существенно дороже, чем обычной.
Для организации учебных ЛС чаще всего используется витая пара, как самая дешевая, поскольку требования к скорости передачи данных и длине линий не являются критическими.
Для связи компьютеров с помощью линий связи ЛС требуются адаптеры сети (или, как их иногда называют, сетевые платы). Самыми известными являются адаптеры следующих трех типов: • ArcNet; • Token Ring; • Ethernet.
Из них последние получили в России подавляющее распространение. Адаптер сети вставляется непосредственно в свободный слот материнской платы персонального компьютера и к нему на задней панели системного блока подстыковывается линия связи ЛС. Адаптер, в зависимости от своего типа, реализует ту или иную стратегию доступа от одного компьютера к другому.
1.2. КОНФИГУРАЦИИ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ
И ОРГАНИЗАЦИЯ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ
В простейших сетях с небольшим числом компьютеров они могут быть полностью равноправными; сеть в этом случае обеспечивает передачу данных от любого компьютера к любому другому для коллективной работы над информацией. Такая сеть называется одноранговой.
Однако в крупных сетях с большим числом компьютеров оказывается целесообразным выделять один (или несколько) мощных компьютеров для обслуживания потребностей сети (хранение и передачу данных, печать на сетевом принтере). Такие выделенные компьютеры называют серверами; они работают под управлением сетевой операционной системы. В качестве сервера обычно используется высокопроизводительный компьютер с большим ОЗУ и винчестером (или даже несколькими винчестерами) большой емкости. Клавиатура и дисплей для сервера сети не обязательны, поскольку они используются очень редко (для настройки сетевой ОС).
Все остальные компьютеры называются рабочими станциями. Рабочие станции могут не иметь винчестерских дисков или даже дисководов вовсе. Такие рабочие станции называют бездисковыми. Первичная загрузка ОС на бездисковые рабочие станции происходит по локальной сети с использованием специально устанавливаемых на сетевые адаптеры рабочих станций микросхем ПЗУ, хранящих программу начальной загрузки.
ЛС в зависимости от назначения и технических решений могут иметь различные конфигурации (или, как еще говорят, архитектуру, или топологию), изображенные на рис. 5.1.
В кольцевой ЛС информация передается по замкнутому каналу. Каждый абонент непосредственно связан с двумя ближайшими соседями, хотя в принципе способен связаться с любым абонентом сети.
В звездообразной (радиальной) ЛС в центре находится центральный управляющий компьютер, последовательно связывающийся с абонентами и связывающий их друг с другом.
В шинной конфигурации компьютеры подключены к общему дляних каналу (шине), через который могут обмениваться сообщениями.
В древовидной - существует «главный» компьютер, которому подчинены компьютеры следующего уровня, и т.д.
Кроме того, возможны конфигурации без отчетливого характера связей; пределом является полносвязная конфигурация, когда каждый компьютер в сети непосредственно связан с любым другим компьютером.
В крупных ЛС предприятий и учреждений чаще всего используется шинная (линейная) топология, соответствующая архитектуре многих административных зданий, имеющих длинные коридоры и кабинеты сотрудников