Computers and Computing Works

1. Лекція №8
Для спеціальності 151 “Автоматизація та комп’ютерно-
інтегровані технології”
141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка»
КНУБА, 2016
Соболевська Л.Г. sobolevska@atp.in.ua +38 066 251 89 80

2. 1970-х роках «MULTICS» (МІТ та компанія «Bell Labs»), передбачали
можливість використання багатопроцесорних системи.
У 1969 році співробітники МІТ з колегами розробили та реалізували
ОС «UNICS» (потім перейменована в «Unix». Нова ОС увібрала в
себе багато рис попередників, але на противагу їм мала цілий ряд
переваг:
 проста метафорика (два ключових поняття — процес та файл);
 компонентна архітектура (принцип «одна програма — одна
функція», плюс потужні засоби об'єднання цих програм для
розв'язання конкретних задач);
 мінімізація ядра та кількості системних викликів;
 незалежність від апаратної архітектури і реалізація на машинно
незалежній мові програмування (для цього була розроблена мова
програмування «C»);
 уніфікація файлів (будь-що у системі є файлом, до якого можна
доступитись за спільними для всіх правилами).

3.  У кінці 1970-х років співробітники
Каліфорнійського університету в Берклі внесли
ряд суттєвих вдосконалень у головні коди Unix,
включно з реалізацією стеку мережевих
протоколів TCP/IP. Їх розробка стала відомою під
іменем BSD (Berkeley Software Distribution).
 Через конфлікт з «Bell Labs» Річард Столмен
поставив задачу реалізувати повністю незалежну
від авторських прав ОС на основі Unix,
заснувавши проект «GNU» (рекурсивсне
скорочення «GNU's Not Unix»).

4.  планування і перемикання процесів;
 управління пам'яттю;
 обробку переривань;
 низькорівневу підтримку пристроїв (через
драйвери);
 управління дисками і буферизація даних;
 синхронізацію процесів і забезпечення засобів між
процесами взаємодії (IPC).
Системні виклики забезпечують:
 зіставлення дій користувача із запитами драйверів
пристроїв;
 створення та припинення процесів;
 реалізацію операцій введення-виведення;
 доступ до файлів і дискам;
 підтримку функцій терміналу.

5.  POSIX (Portable operating system interface for Unix
- переносимий інтерфейс операційних систем
Unix) - набір стандартів, що описують інтерфейси
між операційною системою і прикладною
програмою (системний API), бібліотеку мови C і
набір додатків і їх інтерфейсів.
 Стандарт створений для забезпечення сумісності
різних UNIX-подібних операційних систем і
переносимості прикладних програм на рівні
вихідного коду.
 Серія стандартів POSIX була розроблена
комітетом IEEE. Міжнародна організація по
стандартизації (ISO) спільно c Міжнародної
електротехнічної комісією (IEC) прийняли цей
стандарт (POSIX) під назвою ISO / IEC 9945.

6.  сприяти полегшенню перенесення коду прикладних
програм на інші платформи;
 сприяти визначенню та уніфікації інтерфейсів
заздалегідь при проектуванні, а не в процесі їх
реалізації;
 зберігати по можливості і враховувати всі головні,
створені раніше і використовувані прикладні
програми;
 визначати необхідний мінімум інтерфейсів
прикладних програм, для прискорення створення,
схвалення і затвердження документів;
 розвивати стандарти в напрямку забезпечення
комунікаційних мереж, розподіленої обробки даних
та захисту інформації;
 рекомендувати обмеження використання бінарного
(об'єктного) коду для додатків в простих системах.

7.  Linux - загальна назва Unix-подібних ОС,
заснованих на однойменному ядрі.
 Ядро Linux створюється і поширюється
відповідно до моделі розробки вільного і
відкритого програмного забезпечення.
 Linux поширюється в основному безкоштовно у
вигляді різних готових дистрибутивів, що мають
свій набір прикладних програм.
 Перший реліз ядра системи відбувся 5 жовтня
1991.

8.  смартфонів (85%),
 інтернет-серверів (60%)
 суперкомп'ютерів (97%)
 дата-центрах і на
підприємствах
 вбудованих систем
 нетбуків (32% на 2009 р.)
 Ринкова частка Linux
серед електронних
пристроїв становить
близько 42%.

9. Інтерфейс (Interface) - сукупність
можливостей, засобів і методів взаємодії
двох систем (будь-яких, а не обов'язково
обчислювальних або інформаційних),
пристроїв або програм для обміну
інформацією між ними, певними їх
характеристиками, характеристиками
з'єднання , сигналів обміну і т. і.

10. Апаратний – спосіб взаємодії фізичних
пристроїв.
Програмний – спосіб взаємодії віртуальних
пристроїв.
Апаратно-програмний – спосіб взаємодії
фізичних пристроїв та ПЗ
HMI – human-machine interface – cпосіб
взаємодії людина-машина – user interface
(UI).

11. Фізичний (апаратний) інтерфейс - спосіб
взаємодії фізичних пристроїв.
Найчастіше мова йде про комп'ютерні
порти.
Мережевий інтерфейс.
Мережевий шлюз - пристрій, що з'єднує
локальну мережу з більш великою,
наприклад, Інтернетом.
Шина (комп'ютер).

12. Для віртуальних (програмних) пристроїв існують
наступні інтерфейси (Програмний інтерфейс):
 Інтерфейс функції.
 Прикладний програмний інтерфейс (API) - набір
стандартних бібліотечних методів, які
програміст може використовувати для доступу
до функціональності іншої програми.
 Виклик віддалених процедур.
 Інтерфейс об'єктно-орієнтованого
програмування.

13. Сукупність засобів, за допомогою яких користувач взаємодіє з
різними програмами і пристроями (Інтерфейс користувача):
 Інтерфейс командного рядка: інструкції комп'ютера даються
шляхом введення з клавіатури текстових рядків (команд).
 Графічний інтерфейс користувача: програмні функції
представляються графічними елементами екрану, WIMP
(«window, icon, menu, pointing device» — вікно, значок, меню,
маніпулятор) — в людино-комп'ютерній взаємодії означає
взаємодію з комп'ютером на базі цих елементів.
 SILK-інтерфейс (від speech - мова, image - образ, language -
мова, knowledge - знання): взаємодія з комп'ютером за
допомогою мови.
 Жестовий інтерфейс: сенсорний екран, кермо, джойстик і т. і.
 Нейрокомп'ютерний інтерфейс: відповідає за обмін між
нейронами і електронним пристроєм за допомогою
спеціальних імплантованих електродів.

14. Мережеві інтерфейси дають можливість
будь-якому серверу зі службою
маршрутизації та віддаленого доступу
з'єднуватися з іншими комп'ютерами
через приватну чи загальну мережу.
Мережеві інтерфейси мають два аспекти:
фізичне обладнання (мережевий
адаптер)
 конфігурація мережевого інтерфейсу.

15. Обладнанням мережевого інтерфейсу, що
як правило називається мережевими
адаптерами, може бути будь-який
адаптер, який включається в системну
шину комп'ютера і дозволяє комп'ютеру
підключатися до мережі.

16. Мережеві інтерфейси поділяються на такі категорії:
 Приватний інтерфейс - це мережевий адаптер, який фізично
підключений до приватної мережі. У більшості приватних мереж
налаштований діапазон IP-адрес приватної мережі, а на
приватному інтерфейсі налаштована приватна адреса. Так як
приватна мережа теоретично складена з відомих користувачів і
комп'ютерів, то, для приватного інтерфейсу виникає менше
питань, пов'язаних з безпекою.
 Загальний інтерфейс – це мережевий адаптер, який фізично
підключений до загальної мережі, такої як Інтернет. Загальний
інтерфейс має загальну IP-адресу. Так як загальний інтерфейс
теоретично доступний кожному в загальній мережі, для
загального інтерфейсу питання, пов'язані з безпекою, як правило,
вище, ніж для приватного інтерфейсу.
 Інтерфейс виклику на вимогу – з'єднують окремі маршрутизатори
в загальних або приватних мережах.

17.  gateway — апаратний маршрутизатор або
програмне забезпечення для сполучення
комп'ютерних мереж, що використовують різні
протоколи (наприклад, локальної та глобальної).
 Мережевий шлюз конвертує протоколи
одного типу фізичного середовища в протоколи
іншого фізичного середовища (мережі).
Наприклад, при з'єднанні локального комп'ютер
а з мережею Інтернет ви використовуєте
мережевий шлюз.
 Роутери (маршрутизатори) є одним із прикладів
апаратних мережевих шлюзів.

20.  Комп'ютерна шина (Computer bus) – підсистема,
що призначена для передачі даних між
функціональними блоками комп'ютера.
У складі шини:
 Механічний рівень;
 електричний (фізичний) рівень;
 логічний (керуючий) рівень.
Управління передачею по шині реалізується:
 на рівні проходження сигналу (мультиплексори,
демультиплексори, буфери, регістри);
 на рівні ядра операційної системи - в такому
випадку до його складу входить відповідний
драйвер.

21. паралельні – дані переносяться за
словами, розподілені між декількома
провідниками;
послідовні – дані переносяться побітово.
Внутрішня шина – підключає всі
внутрішні компоненти комп'ютера до
материнської плати. Такий тип шин
також називають локальною шиною.
Зовнішня шина – підключає зовнішню
периферію до материнської плати.

22. Паралельні
• ASUS Media Bus;
• CAMAC для вимірювальних
систем (instrumentation systems) ;
• Extended ISA (EISA);
• Industry Standard Architecture
(ISA);
• Low Pin Count (LPC) ;
• MicroChannel (MCA) ;
• MBus;
• Multibus;
• NuBus (IEEE 1196);
• Peripheral Component Interconnect
(PCI), також PCI-X;
• S-100 bus (IEEE 696) ;
• SBus (IEEE 1496);
• VERSAmodule Eurocard bus
(VMEbus);
• STD Bus;
• Unibus;
• Q-Bus;
Послідовні
• 1-Wire;
• HyperTransport;
• I²C;
• PCI Express (PCIe) ;
• Serial Peripheral Interface Bus
(шина SPI) ;
• Universal Serial Bus (USB);
• FireWire (i.Link, IEEE 1394);
• Direct Media Interface (DMI) ;
• Intel QuickPath Interconnect (QPI) ;
• SATA / SAS;

23. Архітектура системної шини системної
плати визначається:
типом платформи ПК (ЦП);
застосовуваним набором мікросхем
chipset;
кількістю і розрядністю периферійних
пристроїв.
максимальна пропускна здатність
шини = частота шини * розрядність шини

24. Архітектура з трьома шинами є найбільш
загальною для мікропроцесорних систем.
Всі три шини є спеціалізованими з точки
зору їх функцій:
адресна шина (address bus);
шина даних (data bus);
шина керування (control bus).

26.  По адресній шині передаються лише вихідні
сигнали мікропроцесора – від
мікропроцесора до зовнішнього пристрою.
 Найважливіша характеристика –
розрядність. Визначається числом окремих
електричних ліній, що входять до неї .
 Приміром, 16-розрядна адресна шина являє
собою 16 незалежних фізичних ліній для
передачі електричних сигналів.

27. Шина даних є двобічної шиною. Це означає,
що передача даних може проводитися в обох
напрямках:
 дані передаються від мікропроцесора до
зовнішнього пристрою (що вибраний
адресною шиною). Цей режим називається
виведенням даних.
 дані передаються від зовнішнього
пристрою (вибраного шиною адреси) в
мікропроцесор. Цей режим називається
введенням даних.

28.  передача даних по шині даних може
проводитися в обох напрямках;
 в кожний заданий момент часу передача
даних здійснюється лише в одному з двох
напрямків;
 має певну ємність (розрядність).
За розрядністю шини даних судять про класі
мікропроцесора. При 8-розрядній шині даних
мікропроцесор буде віднесений до класу 8-
розрядних мікропроцесорів.

29. На шині управління діє кілька типів сигналів. Основні з них:
 читання даних з пам'яті;
 запис даних в пам'ять;
 читання даних з пристрою введення-виведення;
 запис даних в пристрій вводу-виводу.
Шина управління використовується лише для виводу сигналів – є
односпрямованою.
Найважливіша характеристика – кількість ліній апаратних
переривань IRQ і ліній вимоги зовнішніми пристроями прямого
доступу до пам'яті DMA https://habrahabr.ru/post/37455/
Передачею інформації з системної шині управляє один з
підключених пристроїв або спеціально виділений для цього
вузол, званий арбітром шини.

31. з'єднання (фізичне або логічне), через яке приймаються і
відправляються дані в комп'ютерах. Найбільш часто портом
називають:
 Апаратний порт - спеціалізований роз'єм в комп'ютері,
призначений для підключення обладнання певного типу,
наприклад LPT-порт, послідовний порт, USB-порт.
 Порт вводу-виводу - використовується в мікропроцесорах і
мікроконтролерах при обміні даними з апаратним
забезпеченням.
 Мережевий порт - цифровий номер, який є параметром
транспортних протоколів (таких як TCP, UDP і SCTP).
Дозволяє різним програмам на одному хості отримувати
дані в IP-пакетах незалежно один від одного.

32.  паралельний інтерфейс - для кожного біта
групи, що передається використовується
своя сигнальна лінія, та все біти групи
передаються одночасно за один квант часу.
 послідовний інтерфейс - використовується
лише одна сигнальна лінія, і біти групи
передаються один за одним по черзі; на
кожен з них відводиться свій квант часу.

33. Переваги:
швидкість передачі даних;
Недоліки:
вартість;
кількість дротів та роз’ємів;
необхідність синхронізації.

34.  Комп'ютерні периферійні шини: ISA, ATA, SCSI,
PCI і Front Side Bus, IEEE 1284/Centronics, інша
назва LPT (Line Print Terminal)
 Шина лабораторної інструментації IEEE-488.
 PCI (Peripheral component interconnect, дослівно -
взаємозв'язок периферійних компонентів) -
шина вводу-виводу для підключення
периферійних пристроїв до материнської плати
комп'ютера.

36.  Азбука Морзе, використовувана на телеграфі
 RS-232 (низкоскоростной, реалізується послідовними портами)
 RS-422
 RS-423
 RS-485
 I²C
 SPI
 USB
 FireWire
 Ethernet
 Fibre Channel (висока швидкість, використовується для підключення
комп'ютерів до пристроїв зберігання даних)
 InfiniBand
 MIDI
 SDI-12 - промисловий протокол для сенсорів
 Serial Attached SCSI
 Serial ATA
 SpaceWire - комунікаційна мережа в космічних апаратах
 HyperTransport
 PCI Express
 SONET і SDH (високошвидкісна телекомунікація по оптичних фільтрів)
 T-1, E-1 та їх варіанти (високошвидкісна телекомунікація по мідній парі)
 MIL-STD-1553A / B

37. Переваги:
вартість;
відстань передачі даних;
простота кабелів та роз’ємів.
Недоліки:
швидкість;
складність вузлів приймання-передачі.

38.  PCI Express, або PCIe, або PCI-E- комп'ютерна шина (хоча на
фізичному рівні шиною не є, будучи з'єднанням типу "точка-
точка"), що використовує програмну модель шини PCI і
високопродуктивний фізичний протокол, заснований на
послідовній передачі даних.
 USB (Universal Serial Bus - «універсальна послідовна шина") -
послідовний інтерфейс передачі даних для середньошвидкісних і
низькошвидкісних периферійних пристроїв в обчислювальній
техніці. Розробка специфікацій на шину USB проводиться в рамках
міжнародної некомерційної організації USB Implementers Forum
(USB-IF), що об'єднує розробників і виробників обладнання з
шиною USB. Стандарт USB розробили сім компаній: «Compaq»,
«Digital Equipment», IBM, Intel, «Microsoft», NEC и «Northern
Telecom».
 IEEE 1394 (FireWire, i-Link) - послідовна високошвидкісна шина,
призначена для обміну цифровою інформацією між комп'ютером і
іншими електронними пристроями. Різні компанії просувають
стандарт під своїми торговими марками: Apple – FireWire, Sony -
i.LINK, Yamaha – mLAN, TI – Lynx, Creative - SB1394.

39.  послідовна шина даних для зв'язку інтегральних
схем, використовуються дві двонаправлені лінії
зв'язку (SDA і SCL). Використовується для з'єднання
низькошвидкісних периферійних компонентів з
материнською платою, вбудовуваними системами і
мобільними телефонами. Назва являє собою
абревіатуру слів Inter-Integrated Circuit.
 Розроблено фірмою Philips на початку 1980-х як
проста шина внутрішнього зв'язку для створення
керуючої електроніки.
 I²C знаходить застосування в пристроях, що
передбачають простоту розробки і низьку
собівартість виготовлення при відносно непоганий
швидкості роботи.

40.  доступ до модулів пам'яті NVRAM;
 доступ до низькошвидкісних ЦАП / АЦП;
 регулювання контрастності, насиченості і колірного
балансу моніторів;
 регулювання звуку в динаміках;
 управління світлодіодами, у тому числі в мобільних
телефонах;
 читання інформації з датчиків моніторингу та діагностики
обладнання, наприклад, термостат центрального процесора
або швидкість обертання вентилятора охолодження;
 читання інформації з годинника реального часу (кварцових
генераторів);
 управління включенням / виключенням живлення
системних компонент;
 інформаційний обмін між мікроконтролерами;

41.  Один провід - двонаправлена шина зв'язку для
пристроїв з низькошвидкісною передачею даних
(зазвичай 15,4 Кбіт / с, максимум 125 Кбіт/с в режимі
overdrive), в якій дані передаються по ланцюгу
живлення (тобто всього використовуються два
дроти - один для заземлення, а другий для живлення
і даних; в деяких випадках використовують і
окремий дріт живлення). Розроблено корпорацією
Dallas Semiconductor (з 2001 року - Maxim Integrated) і
є її зареєстрованою торговою маркою.
 Топологія такої мережі - загальна шина. Мережа
пристроїв 1-Wire зі зв'язаним основним пристроєм
названа «MicroLan», це також торгова марка Dallas
Semiconductor.

42.  для зв'язку з обладнанням потрібно лише два дроти: на дані
і заземлення. Інтегральна схема включає конденсатор
ємністю 800 пФ для живлення від лінії даних (так зване
паразитне живлення);
 велика відстань передачі. Відстань досягає 300 м при
дотриманні ряду умов:
 застосування спеціального кабелю IEEE1394 (Firewire);
 використання спеціального драйвера мережі (активна
підтяжка з урахуванням струму в лінії);
 використання топології "спільна шина" з єдиним стовбуром;
 змінність конфігурації будь-якої мережі 1-Wire в процесі її
роботи.
 Реалізація
 Пристрій 1-Wire може знаходитися як на друкованій платі
разом з пристроєм управління, так і окремо.

43.  невеликі корпуси MicroCAN
 iButton (також відома під назвами
"dallas key", "touch memory")
 стандарт механічної упаковки, в
якому компонент 1-Wire
розміщується усередині невеликої
"таблетки" з нержавіючої сталі і
підключається до шини 1-Wire
 Пристрій активізується в момент
контакту зі зчитувачем. Операції
читання і записи здійснюються
практично миттєво під час
контакту.

44.  Ідентифікація особи.
 Кожна мікросхема 1-Wire має унікальний номер. Це дозволяє
використовувати пристрої iButton в якості простих ідентифікаторів
особистості, наприклад в системах контролю та управління доступом. У
цій якості вони успішно конкурують з безконтактними картками, що
використовують технологію RFID.
 Є пристрої iButton з підтримкою криптографії, що дозволяє створювати
на їх основі захищені сховища невеликих обсягів даних або засоби сильної
аутентифікації. Такі пристрої можуть конкурувати зі смарт-картами в
деяких застосуваннях.
 Віддалені датчики фізичних величин
 Пристрої 1-Wire дуже зручні для вимірювань. Не потрібно окремого
живлення, можливо підключити по одному дроту цілу гірлянду
різноманітних датчиків. Система таких датчиків легко контролюється на
предмет аварій. Записи про калібрування можуть зберігатися прямо в
датчиках.
 Маркування обладнання
 Мікросхеми 1-Wire популярні для маркування та зберігання параметрів
додаткового обладнання до установок. Аналогічно може контролюватися
напрацювання вузлів з обмеженим ресурсом.

45.  Існують рішення iButton
для охорони нерухомості,
для систем виявлення
проникнення.
 Системи для доступу в
менш очевидних областях
безпеки. Наприклад,
iButton може бути
використаний для
аутентифікації
користувачів комп'ютерних
систем (апаратний ключ в
системах захисту
інформації), або в системі
табелювання годин.

46. Дякую за увагу!
46