Интерфейсы, протоколы обмена

 

Промышленные МПС, как правило, состоят из различного оборудования разных производителей. Для обеспечения нормального взаимодействия этого оборудования в сетях необходим единый унифицированный стандарт, который определял бы алгоритм передачи информации. В современных МПС за это отвечают сетевые протоколы.

Протоколы состоят из множества модулей, решающих частные задачи, упорядочивают по уровням образующим иерархию, процесс сетевого взаимодействия.

Необходимо организовать согласованную работу двух иерархий, работающих на разных МПС.

 

Взаимодействие одноименных функциональных уровней по горизонтали осуществляется посредством протоколов. Протоколом называется набор правил и методов взаимодействия между различными МПС.

Стандартизированный протокол позволяет разрабатывать физические интерфейсы, не привязанные к конкретной аппаратной платформе и производителю, например, USB, Ethernet.

Взаимодействия функциональных уровней по вертикали осуществляется через интерфейсы. Интерфейс определяет набор функций, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему уровню.

В сети Интернет базовым набором протоколов является стек протоколов TCP/IP.

Разработана семиуровневая модель взаимодействия открытых систем - OSI. Эта модель разделяет средства взаимодействия на семь функциональных уровней: прикладной, представительный (уровень представления данных), сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический.

 

 

Вычислительная сеть

 

Вычислительная сеть – это совокупность МПС, объединенных каналами передачи данных. В зависимости от расстояния между МПС различают следующие вычислительные сети:

 локальные вычислительные сети - LAN;

 территориальные вычислительные сети, к которым относятся региональные MAN и глобальные WAN сети;

Локальная сеть - это ЛВС, в которой МПС и коммуникационное оборудование находится на небольшом расстоянии друг от друга. ЛВС обычно предназначена для сбора, хранения, передачи, обработки и предоставления пользователям распределенной информации в пределах предприятия.

 

По топологии (основным топологиям) ЛВС делятся на:

 топологию "шина";

 топологию "звезда";

 топологию "кольцо".

 

По архитектуре (основным типам архитектур) ЛВС делятся на:

 Ethernet;

 Arcnet;

 Token ring;

 FDDI.

 

Серверы - это высокопроизводительные компьютеры с винчестерами большой емкости и с высокоскоростной сетевой картой, которые отвечают за хранение данных, организацию доступа к этим данным и передачу данных рабочим станциям или клиентам.

Рабочие станции. Компьютеры, с которых осуществляется доступ к информации на сервере, называются рабочими станциями или клиентами.

 

 

Сетевые топологии

 

Геометрическое расположение линий связи относительно узлов сети и физическое подключение узлов к сети называется физической топологией. В зависимости от топологии различают сети: шинной, кольцевой, звездной, иерархической и произвольной структуры.

 

Различают физическую и логическую топологию. Логическая и физическая топологии сети независимы друг от друга. Физическая топология - это геометрия построения сети, а логическая топология определяет направления потоков данных между узлами сети и способы передачи данных.

 

В МПС используются следующие физические топологии:

 "шина" (bus);

 “звезда” (star);

 “кольцо” (ring);

 

Сети с шинной топологией используют линейный моноканал передачи данных. Каждый узел подключается к каналу с помощью разъема. Информация поступает на все узлы, но принимается только тем узлом, которому она предназначается.

 

Преимущества сетей шинной топологии:

 отказ одного из узлов не влияет на работу сети в целом;

 сеть легко настраивать и конфигурировать;

 сеть устойчива к неисправностям отдельных узлов.

 

В сети построенной по топологии типа “звезда” каждый узел назначения подключается к центральному устройству (концентратору). Концентратор обеспечивает параллельное соединение ПК и, таким образом, все узлы, подключенные к сети, могут общаться друг с другом.

Информация поступает на все узлы, но принимается только теми, которым она предназначается.

 

Преимущества сетей топологии звезда:

 легко подключить новый узел;

 имеется возможность централизованного управления;

 сеть устойчива к неисправностям отдельных ПК и к разрывам соединения отдельных ПК.

 

В сети с топологией кольцо все узлы соединены каналами связи в неразрывное кольцо (необязательно окружность), по которому передаются данные.

 

Принимающий узел распознает и получает только адресованное ей сообщение.

Данную сеть очень легко создавать и настраивать. К основному недостатку сетей топологии кольцо является то, что повреждение линии связи в одном месте или отказ ПК приводит к неработоспособности всей сети.

 

 

Информация

 

В общем смысле слова информация – это любые сведения, знания.

«Хорошая информация» должна обладать следующими качествами:

- польза;

- осмысленность

Свойства информации

1. Качество информации — степень её соответствия потребностям потребителей. Свойства информации являются относительными, так как зависят от потребностей потребителя информации.

2. Объективность информации характеризует её независимость от чьего-либо мнения или сознания, а также от методов получения. Более объективна та информация, в которую методы получения и обработки вносят меньший элемент субъективности.

3. Полнота.

Информацию можно считать полной, когда она содержит минимальный, но достаточный для принятия правильного решения набор показателей. Как неполная, так и избыточная информация снижает эффективность принимаемых на основании информации решений.

4. Достоверность - верность информации, не вызывающая сомнений. Объективная информация всегда достоверна, но достоверная информация может быть как объективной, так и субъективной. Причинами недостоверности могут быть: преднамеренное искажение (дезинформация); непреднамеренное искажение субъективного свойства; искажение в результате воздействия помех; ошибки фиксации информации.

В общем случае достоверность информации достигается: указанием времени свершения событий, сведения о которых передаются; сопоставлением данных, полученных из различных источников; своевременным вскрытием дезинформации; исключением искажённой информации и др.

5. Адекватность — степень соответствия смысла реально полученной информации и её ожидаемого содержимого. Например задан вопрос - "Сколько у человека пальцев на руке?" "На руке у человека пять пальцев" - ответ достоверный и адекватный, "У человека две руки" - ответ достоверный но неадекватный.

6. Доступность информации — мера возможности получить ту или иную информацию.

7. Актуальность информации — это степень соответствия информации текущему моменту времени.

Типы информации в МПС:

- аналоговая, непрерывная;

- цифровая, дискретная

 

 

Системы счисления

 

Система счисления – это символический метод записи чисел.

Каждая СС определяется некоторым числом b > 1 (т. н. основание СС) таким, что b единиц в каждом разряде объединяется в одну единицу следующего по старшинству разряда. Система счисления с основанием b также называется b -ричной.

Число x в b -ричной системе счисления представляется в виде линейной комбинации степеней числа b:

, где a_k — это целые числа, называемые цифрами, удовлетворяющие неравенству , k - порядковый номер разряда начиная с нулевого, n - число разрядов.

Каждая степень b^k в такой записи называется разрядом, старшинство разрядов и соответствующих им цифр определяется значением показателя k. Обычно для ненулевого числа x требуют, чтобы старшая цифра a_{n − 1} в b -ричном представлении x была также ненулевой.

Число x записывают в виде последовательности его b -ричных цифр, перечисляемых по убыванию старшинства разрядов слева направо:

Например, в десятичной системе:

 

Наиболее употребимыми в настоящее время позиционными системами являются:

· 2 — двоичная (в дискретной математике, информатике, программировании)

· 10 — десятичная система счисления

· 16 — шестнадцатеричная (наиболее часто используется в программировании)

 

Десятичная система счисления — позиционная система счисления по целочисленному основанию 10. Наиболее распространённая система счисления в мире. Для записи чисел используются арабские цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

Двоичная СС (Бинарная) -- для представления чисел используются символы 0 и 1 и используется в МПС.

 

Преимущества двоичной при использовании в МПС:

1) Цифры и 1 удобно кодировать уровнями напряжения, соответствующим напряжению на шинах питания, „0“ и „+Vсс“; использование большего количества уровней привело бы к усложнению схем;

2) Малое количество состояний у логических элементов повышает помехоустойчивость и быстродействие;

3) Простота двоичной арифметики;

 

Пример:

10010011₂=1 × 2⁷ + 0 × 2⁶ + 0 × 2⁵ + 1 × 2⁴ + 0 × 2³ + 0 × 2² + 1 × 2¹ + 1 × 2⁰ = 147₁₀

Соответствие первых двух десятков двоичной и десятичной систем счисления]].
Десятичная
Двоичная
Десятичная
Двоичная

 

Чтобы написать какое-нибудь десятичное число в двоичной СС, должно делить его последовательно на 2 и писать подряд, справа налево, остатки от деления.

Допустим, нам нужно перевести число 19 в двоичное:

19 /2 = 9 с остатком 1

9 /2 = 4 c остатком 1

4 /2 = 2 с остатком 0

2 /2 = 1 с остатком 0

1 /2 = 0 с остатком 1

Результат - 10011

Ставим числа из остатка друг за другом, начиная с конца. В результате получаем число 19 в двоичной записи: 10011.

 

Шестнадцатеричная система счисления (шестнадцатеричные числа) — позиционная система счисления по целочисленному основанию 16. В качестве шестнадцатеричных цифр используются десятичные цифры от 0 до 9 и латинские буквы от A до F для обозначения цифр от 10 до 15.

Для перевода шестнадцатеричного числа в десятичное необходимо это число представить в виде суммы произведений степеней основания шестнадцатеричной системы счисления на соответствующие цифры в разрядах шестнадцатеричного числа.

Например, требуется перевести шестнадцатеричное число 5A3 в десятичное. В этом числе 3 цифры. В соответствии с вышеуказанным правилом представим его в виде суммы степеней с основанием 16:

5A3₁₆=5·16²+10·16¹+3·16⁰
=5·256+10·16+3·1=1280+160+3=1443₁₀

 

Для перевода многозначного двоичного числа в шестнадцатеричную систему нужно разбить его на тетрады справа налево и заменить каждую тетраду соответствующей шестнадцатеричной цифрой.

Например:

10110100011₂=0101 1010 0011=5A3₁₆

 

 

Команды микропроцессора

 

Команды МП обычно имеют разрядность, совпадающую с разрядностью МП. Команда МП состоит из инструкции и обозначается код операции КОП (или INS в англоязычной литературе). Команда МП может состоять только из кода операции, когда не требуется указывать адрес операнда, или может состоять из кода операции и адресов операндов или данных.

Операнды – это данные, над которыми команда производит какое либо действие

Форматы команд очень зависит от структуры МП. Примеры построения команд:

 

Рисунок 20 – Форматы различных команд МП

 

Для выполнения одной и той же операции над разными регистрами МП назначаются разные коды. Запоминать эти коды в цифровом представлении практически невозможно:

 

Рисунок 2. Фрагмент исполняемого кода МП

 

Поэтому для увеличения наглядности исходного текста программы, каждой операции МП присвоено мнемоническое обозначение – сокращения английских слов, обозначающих эту операцию. Например, для операции копирования используется мнемоническое обозначение MOV; для операции суммирования используется мнемоническое обозначение ADD; для операции вычитания используется мнемоническое обозначение SUB; для операции умножения используется мнемоническое обозначение MUL и т.д. Скорость написания и отладки программ в мнемонических кодах возрастает. Например:

MOV R0, A;Скопировать содержимое регистра A в регистр R0

ADD A, R5;Просуммировать содержимое регистров R5 и A, результат поместить в регистр A

 

 

Языки программирования

 

Главным квалификационным признаком языков программирования является принадлежность к одному из оформившихся к настоящему времени стилей программирования, каждому из которых соответствует своя собственная модель вычислений.

Программа на процедурном языке программирования состоит из последовательности операторов (инструкций), задающих те или иные действия. Предназначены для однозначного описания алгоритмов. Данные как правило хранятся в виде переменных. Весь процесс вычисления сводится к изменению их содержимого.

 

Одна инструкция (оператор) языка высокого уровня соответствовала последовательности из нескольких низкоуровневых инструкций, или команд. Еще одной особенностью стала возможность повторного использования ранее написанных программных блоков, посредством их идентификации и последующего обращения к ним, например по имени.

 

Объектно-ориентированное программирование. Корни уходят в одну из ветвей логики, в которой первичной является не отношение, а объект. Модульность упрощает разработку сложных программных продуктов. В основе объектно-ориентированных языков (Object Pascal, C++, Java и др.) лежит понятие объекта, сочетающего в себе данные и действия над нами. Программа на объектно-ориентированном языке, решая некоторую задачу, по сути описывает часть мира, относящуюся к этой задаче. Переменные и функции группируются в классы. Благодаря этому достигается более высокий уровень структуризации программы. Объекты, порождённые от классов вызывают методы (функции или процедуры) друг друга и меняют состояние свойств (переменных).

 

Язык гипертекстовой разметки-HTML (Hyper Text Markup Language) позволяет создавать программы, с помощью которых можно блуждать по Сети.

 

Рисунок 22 – Диаграмма уровня языков математической записи

 

Наиболее прогрессивными для прикладного высокоуровневого программирования являются языки, основывающиеся на функциональном и логическом подходах.

Язык человека рассматривается как язык наивысшего уровня. В настоящее время в мире существует несколько сотен реально используемых языков программирования. Для каждого есть своя область применения.

 

Рассмотрим некоторые языки программирования в порядке увеличения их уровня.

Машинные коды – числовые коды команд МП.

Язык Ассемблера- предназначен для представления в удобочитаемой символической форме программ, написанных на машинном языке.

 

Язык Fortran (Formula Translator) разработан в 1956 г. Считается основой научных работников за счет своей “приспособленности” к ведению сложных вычислений и широко используется до настоящего времени, несмотря на свою ограниченность.

 

Ниже приведены на языках Бейсик, Паскаль и Си программы решения одной и той же простой задачи — вычисления суммы S элементов одномерного массива A=(a₁, a₂,..., a_n).

Программа на Бейсике

INPUT "N = "; N: DIM A(N)

FOR I = 1 TO N

PRINT "A("; I; ") =";

INPUT A(I)

NEXT I

S = 0

FOR I = 1 TO N

S = S + A(I)

NEXT I

PRINT "Сумма ="; S

END

 

Программа на Паскале

Program Summa;

Type Mas = Array [1.. 100] of Real;

Var A: Mas;

i, n: Integer;

S: Real;

BEGIN

Write('n = '); ReadLn(n);

For i: = 1 to n do

begin

Write('A[', i, '] = ');

ReadLn(A[i]);

end;

S: = 0;

For i: = 1 to n do

S: = S + A[i];

WriteLn('S = ', S:8:2);

END.

 

Программа на СИ

# include <stdio.h>

# include <conio.h>

main()

{

float a[100], s; int i, n;

clrscr(); printf("n=");

scanf("%i", &n);

for (i = 1; i <= n; i++) {

printf("a[%i]=", i);

scanf("%f", &a[i]);}

s=0;

for (i = 1; i <= n; i++)

s = s + a[i];

printf("s = % f \ n", s);

return 0;

}

 

В последнее время получили распространение системы программирования, ориентированные на создание Windows-приложений:

- пакет Delphi,—наследник семейства Borland Pascal, предоставляющий средства визуальной разработки.

- пакет Microsoft Visual Studio — удобный и популярный инструмент для создания Windows-программ с использованием визуальных средств. Содержит инструментарий для создания диаграмм и презентаций.

- свободный пакет Eclipse — для разработки модульных кросс-платформенных приложений.

 

 

 

Измерительные системы

 

***