Основы цифровых технологий

1. Основы цифровых технологий

Санкт-Петербургский государственный университет
телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Основы цифровых технологий
Лекция 1.
Принципы работы компьютера

2. ОСНОВЫ ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА:
Советов, Борис Яковлевич. Информационные технологии :
теоретические основы : [Электронный ресурс] / Б.Я. Советов,
В. В. Цехановский. - Москва : Лань, 2017.
Баранова Е.К. Основы информационной безопасности / Е.К.
Баранова, А.В. Бабаш. - Москва : ИЦ РИОР, 2021.

3. Цифровой сигнал

Сигнал – это изменяющийся во времени уровень некого
физического параметра (как правило, напряжения электрической
сети)
Цифровой сигнал – это сигнал, уровень которого может
принимать одно из двух значений (высокий / низкий), которые могут
сменяться через определённые промежутки времени
Тактовая частота – это частота, с которой может меняться уровень
цифрового сигнала
Бит – количество информации, которое за один такт работы
цифрового устройства можно передать по одному кабелю. Чаще
используется единица измерения байт – 8 бит.

4. Аппаратное обеспечение

Побайтовая (8 бит / такт)
передача данных
Цифровое устройство – это устройство для обработки
цифрового сигнала

5. Компьютерная память

Память – это способность цифрового устройства воспроизводить
ранее переданный ему цифровой сигнал
Запоминающие устройства
– Регистры процессора – там хранятся данные,
участвующие в текущей вычислительной операции
– Оперативная память – там хранятся данные, с
которыми работает программа, во время её
выполнения
– Постоянные запоминающие устройства (флешпамять, жёсткий диск, DVD) – там хранится
информация, сохраняемая между запусками
программ (файлы)

6. Сегментация памяти

Процессор
Оперативная память
На логическом уровне оперативная память делится на
сегменты. Адрес начала каждого сегмента хранится в
своём специализированном регистре процессора

7. Основные сегменты памяти

Регистр SP
(вершина стека)
Динамическая
память
Регистр IP
Процессор
push
Стек
Данные
Память запрашивается
программой у системы
pop
По умолчанию объём памяти,
выделяемой под стек, 1 M, но это может
быть изменено в настройках
компилятора
Код
При объявлении переменных они
добавляются в стек, занимая
соответствующее своему типа данных
количество байт
Машинные команды
программы
Глобальные,
статические
переменные
Локальные переменные,
параметры вызываемых
функций

8. Сегмент кода

CPU
Машинный код
Регистр IP
Текущая команда
Регистр флагов
Следующая команда
Безусловный
переход
По умолчанию машинные команды
выполняются последовательно. За
это отвечает регистр IP, в котором
хранится адрес следующей команды
к выполнению. Команды перехода
подменяют его содержимое. Для
возможности условного перехода
используется регистр флагов, который
обновляется при каждой
вычислительной операции
Условный переход
Дальнейшая команда

9. Сегмент стека

Локальные
переменные
вызывающей
программы
Параметры
функции
Параметры функции помещаются в стек
Выполняется машинная команда вызова
Вызывающая
программа
Адрес
возврата
Стек
Локальные
переменные
функции
Код
Вызываемая
функция
Регистр
процессора
функции call
– В стек помещается адрес возврата
– Безусловный переход к телу функции
Функция помещает в стек свои локальные
переменные
Выполнение тела функции
Возвращаемое значение помещается в
регистр процессора
Функция удаляет из стека локальные
переменные
Выполняется машинная команда возврата
управления ret
– Из стека удаляется адрес возврата
– Безусловный переход по адресу
возврата (регистр IP)
Очистка стека от параметров функции
Чтение возвращаемого значения из регистра
процессора

10. Сегмент динамической памяти

Context
Context
Context
Context
Context

11. Файлы

Виды файлов
– Текстовые файлы: каждый байт соответствует
одному символу, таким образом, в файле хранится
только текстовая информация
– Директории (папки): списки файлов и других
директорий
– Бинарные файлы: файл содержит произвольную
информацию
Расширение файла – заключительная часть имени файла,
отделённое от остального имени точкой. Используется для
определения типа файла
– jpg, png, gif, bmp – изображения
– doc, pdf – документы
– mp3, wma, flac – музыка
– exe – запускаемые программы (Windows)

12. СИСТЕМЫ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ КОРПУСА И БЛОКИ ПИТАНИЯ

Корпуса
– Влияют на выбор форм-фактора
материнской платы
– Должны обеспечивать
достаточный поток воздуха
– Доступны в различных размерах
Источники питания
– Обеспечивают питание всех
компонентов компьютера.
– Их следует выбирать с запасом
мощности.
– Обеспечивают питание
различного напряжения для
разных внутренних компонентов.
Мощность блока питания
– P=UxI

13. СИСТЕМЫ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ ВНУТРЕННИЕ КОМПОНЕНТЫ ПК

Материнские платы
– Основа компьютера
– Обеспечивает
взаимодействие
компонентов компьютера
ЦП
– «Мозг» компьютера
– Выполняет большую часть
операций по
обработке данных
Системы охлаждения
– Служат для отвода тепла,
выделяемого компонентами
компьютера.

14. Программное обеспечение

15. Операционные системы

Термины
– Распространенные термины, описывающие
операционные системы, включая
многопользовательский режим,
многозадачность, многопроцессорность и
многопоточность
Базовые функции операционной системы
– Доступ к оборудованию
– Управление файлами и папками
– Пользовательский интерфейс (интерфейс
командной строки и графический интерфейс
пользователя)
– Управление приложениями (API)

16. ТИПЫ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Операционные системы для настольных ПК
– Предназначены для использования в среде небольшого или
домашнего офиса
– Поддержка одного пользователя
– Обмен файлами и папками в небольшой сети с ограниченными
параметрами безопасности
– Примерами являются Microsoft Windows, Apple Mac OS и Linux.
Сетевые операционные системы
– Дополнительные функции, которые расширяют
функциональные возможности в сетевой среде
– Поддержка нескольких пользователей
– Повышенная безопасность по сравнению с операционными
системами для настольных ПК
– Примеры: Novell NetWare, GNU/Linux системы, Microsoft
Windows Server

17. Windows vs. Linux

Критерий
Windows
Linux (Unix)
Файловая структура
Файловый менеджер
используется только для
работы с ПЗУ. Файлы
находятся на дисках
«Всё есть файл». На компьютере
в корневом каталоге находятся
папки с реальными файлами и
тем, что отображается как файлы
Установка программ
Программы ставятся
запуском специальной
программы установки
(setup.exe)
Программы ставятся через сеть из
репозиториев, которые
поддерживают мейнтейнеры
Версии
Небольшое количество
версий от одного
производителя
Большое количество
дистрибутивов от различных
команд
Лицензия
Проприетарная
Свободная
Гибридное
Монолитное
Реестр. Недоступен без
запущенной Windows
Текстовые конфигурационные
файлы в папке /etc
По расширению
Либо по расширению, либо по
заголовку
Ядро
Централизованное
хранилище настроек
Определение
типа файла

18. Папки (директории) Linux

/ - корневой каталог, «весь компьютер»
/bin – файлы программ, которые можно выполнять как
команды
/boot – загрузчик операционной системы, ядро
/etc – текстовые конфигурационные файлы
/dev – устройства
/proc – запущенные программы
/usr – файлы программ, которые установлены в системе
/home – профили пользователей
/media – содержимое внешних ПЗУ
/lib – библиотеки

19. EXE и DLL

С точки зрения Windows, ехе и dll - это файлы, в которых
хранится машинный код, который можно выполнить
EXE – файл машинного кода, запускаемый непосредственно
операционной системой (программа)
– Для запуска программы ОС вызывает заранее
определённую функцию (main / WinMain)
DLL – файл машинного кода, запускаемый операционной
системой, программой или другой DLL
– При запуске dll явно указывается функция, которую
требуется вызвать

20. Предназначение DLL

Разделение функциональности между несколькими
программами (оконный менеджер)
Уменьшение времени запуска программы (не сразу грузим
весь машинный код, а по необходимости)
Обеспечение гибкости ПО (плагинная архитектура)
Дополнительный инструмент структурирования кода
OS
EXE
DLL

21. Линковка DLL

Статическая линковка:
– dll связывается с вызывающей её функцию
программой в момент компиляции
– При запуске программы dll загружается
сразу и остаётся загруженной до
завершения программы
Динамическая линковка:
– dll подключается к вызывающей её функцию
программе непосредственно перед вызовом
функции и может быть в любой момент
отключена

22. Отличие *.so (Linux) от *.dll (Windows)

Критерий
*.so
*.dll
Место хранения
может храниться
только в
определённых папках
(/lib, /slib, /usr/lib,
/usr/slib).
может быть загружена
из любого места в
файловой системе, но
по умолчанию ищется
в определённых
папках, в первую
очередь, в текущей
Загрузка дочерних
зависимостей
Через вызывающую
программу
Через саму .dll
Автоматическая
инициализация и
завершение
Нет
Есть

23. Компьютерные сети

24. Определения

Устройства и компоненты компьютерных
сетей
– Узел — это любое устройство,
отправляющее и получающее
информацию по сети (компьютер,
принтер и т. д.).
– Промежуточные устройства находятся
между узлами.
– Среда передачи данных — компонент,
по которому сообщение передается от
источника к адресату.

25. ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ

Симплексный режим
Полудуплексный режим
Полнодуплексный режим

26. Типы сетей

Одноранговые сети
– Отсутствие выделенных серверов
– Каждый компьютер определяет, к каким ресурсам
предоставляется совместный доступ
– Отсутствие централизованного администрирования и системы
обеспечения безопасности
Сети «клиент-сервер»
– Сервер с программным обеспечением для предоставления
служб клиентам.
– Ресурсы контролируются путем централизованного
администрирования.
LAN – локальные сети
WAN – глобальная сеть

27. Эталонные модели сетей

28. Физический уровень

Электрические кабели
– Коаксиальный
– Витая пара
• UTP - неэкранированная
• STP - экранированная
Оптоволоконный кабель
– Одномодовый оптоволоконный кабель (SMF) —
для передачи луча света, способного проходить
сотни километров, используется лазерная
технология.
– Многомодовый оптоволоконный кабель (MMF) —
для передачи световых импульсов на расстояние
до 550 метров используются светодиодные
излучатели.

29. Концентратор (хаб)

Устройство, которое принятый на один из портов сигнал
повторяет по всем остальным портам.

30. Канальный уровень

31. Коммутатор (свитч)

Устройство, которое принятый на одном порту сигнал
передаёт на нужный порт по MAC-адресу

32. Сетевой уровень

33. Маршрутизатор

Устройство, которое принятый на одном порту сигнал
передаёт в другую сеть

34. Транспортный уровень

На транспортном уровне действуют два основных протокола:
TCP (протокол управления передачей данных) и UDP (протокол
передачи пользовательских датаграмм).
– TCP считается надежным протоколом, потому что гарантирует
передачу всех данных на узел назначения.
– Протокол UDP не гарантирует надежности.

35. Сеансовый уровень

36. Уровень представления

37. Прикладной уровень

38. Пример сетевого взаимодействия: Web-сервис

Уровень
Задача
Протокол
Прикладной
операции над данными, которое
делает приложение
HTTP
Представления
формат, в котором данные
передаются по сети
JSON, UTF-8
Сеансовый
обеспечение сеанса связи, в рамках
которого передаётся несколько
потоков данных
SSL / TLS
Транспортный
доставка потока данных
определённому приложению на
удалённой машине
TCP
Сетевой
доставка пакетов машине в другой
сети через глобальную сеть с
помощью логической адресации
IP
Канальный
доставка кадров машине с заданным
физическим адресом
Ethernet
Физический
передача цифрового сигнала
витая пара

39. Выводы

В основе работы компьютера лежит обработка цифровых
сигналов
Цифровые сигналы хранятся в запоминающих устройствах –
ОЗУ и ПЗУ, а также в регистрах процессора, который их
перерабатывает
Оперативная память подразделяется на сегменты, каждый из
которых выполняет свою функцию
Поверх аппаратного обеспечения работает операционная
система
Одна из функций компьютера – работа сетей. Сети работают
на 7 уровнях

40. Вопросы и ответы