Тема 4.1
ЭВМ и периферийные устройства
Организация процессора и памяти, выполнение команд, прерывания, ввод-вывод, параллельные системы.
Функциональная и структурная организация процессора
Классическая архитектура фон Неймана: единая память команд и данных, программа хранится в памяти, команды выполняются последовательно. Состав процессора:
- Устройство управления (УУ) — выбирает команды, дешифрует их и вырабатывает управляющие сигналы для всех блоков;
- Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — выполняет арифметические и логические операции;
- Регистры — сверхбыстрая память внутри процессора: аккумулятор/регистры общего назначения, счётчик команд PC, регистр команды IR, указатель стека SP, регистр флагов;
- Кэш-память, блок вычислений с плавающей точкой, устройство сопряжения с шиной.
Представление информации в ЭВМ
Всё в памяти — двоичные коды; интерпретация (число, команда, символ, пиксел) задаётся программой.
Перевод между системами счисления. 25₁₀ в двоичную — деление на 2 с остатками:
Шестнадцатеричная — стенография двоичной: каждые 4 бита — одна цифра: 1101 1010₂ = DA₁₆ = 218₁₀. Адреса и дампы памяти пишут в hex именно поэтому.
Отрицательные числа — дополнительный код: −x = инверсия битов x + 1. Для 8 бит:
Вычитание сводится к сложению — АЛУ не нужна отдельная схема вычитателя; ноль представлен единственным образом; старший бит — знак. Диапазон 8 бит: −128…+127 — выход за него даёт переполнение (флаг OV).
Двигайте слайдер — или кликайте прямо по битам, чтобы переключать их. Байт показывает двоичный вид, шестнадцатеричный и вес каждого бита. Перейдите через ноль в минус: включается старший (знаковый) бит и все веса «переворачиваются» — это и есть дополнительный код. Обратите внимание на скачок −128 → +127: переполнение по кругу.
Вещественные числа — формат IEEE 754: число = знак · мантисса · 2порядок. Одинарная точность (32 бита): 1 бит знака, 8 бит смещённого порядка, 23 бита мантиссы (~7 значащих цифр); двойная (64 бита) — 11 и 52 (~16 цифр).
Важное следствие: 0,1 в двоичной — бесконечная дробь, хранится приближённо, поэтому в любом языке 0,1 + 0,2 ≠ 0,3 в точности. Отсюда правило вычислительной практики: вещественные числа не сравнивают на строгое равенство, а деньги считают в целых копейках.
Организация внутренней памяти
Память строится иерархией «быстрее — меньше — дороже»:
| Уровень | Технология | Объём | Время доступа |
|---|---|---|---|
| Регистры | триггеры в ЦП | сотни байт | такт |
| Кэш L1/L2/L3 | SRAM | КБ – десятки МБ | единицы–десятки тактов |
| Оперативная память | DRAM (нуждается в регенерации) | ГБ | ~100 тактов |
| ПЗУ/флеш (BIOS) | ROM, Flash | МБ | медленно, энергонезависимо |
Кэш хранит копии активно используемых блоков ОЗУ; работает благодаря локальности обращений (временно́й и пространственной). При промахе блок подгружается из следующего уровня.
Иерархия памяти — рабочее место мастера: инструменты в руках (регистры), на верстаке (кэш), в шкафу (ОЗУ), на складе (диск). Класть всё в руки невозможно, ходить за каждым винтиком на склад — разорительно. Секрет в том, что мастер подолгу работает одним и тем же (временна́я локальность) и берёт соседние детали (пространственная) — поэтому маленький верстак «прячет» медленный склад.
Стадии выполнения команды. Конвейер
Основные стадии цикла: выборка команды (по адресу из счётчика команд) → декодирование → выборка операндов → выполнение в АЛУ → запись результата. Конвейеризация совмещает стадии разных команд: пока одна выполняется, следующая декодируется, а третья выбирается — в идеале одна команда завершается каждый такт. Конвейер тормозят конфликты: структурные, по данным, по управлению (переходы — отсюда предсказание ветвлений).
Прерывания
Цикл обработки: устройство выставляет запрос → контроллер прерываний определяет приоритет → процессор завершает текущую команду, сохраняет контекст (счётчик команд, флаги) в стеке → по номеру прерывания из таблицы векторов берётся адрес обработчика → выполняется обработчик → команда возврата восстанавливает контекст. Приоритеты и маскирование позволяют упорядочивать одновременные запросы.
Прерывание — звонок в дверь, когда вы готовите: выключаете конфорку и запоминаете, на чём остановились (сохранение контекста), открываете дверь и разбираетесь (обработчик), возвращаетесь и продолжаете точно с того же места (восстановление контекста). Альтернатива — каждые 10 секунд бегать проверять дверь (программный опрос): дверь-то откроете быстро, но суп не сварится.
Шина адреса и объём памяти — прямая связь:
Отсюда же ответ, почему 32-битная Windows «не видела» больше 4 ГБ ОЗУ: адресов физически не хватало.
Организация ввода-вывода
- Программный опрос — процессор циклически проверяет готовность устройства: просто, но процессорное время тратится на ожидание;
- По прерываниям — устройство само сигнализирует о готовности: процессор свободен между событиями;
- Прямой доступ к памяти (ПДП/DMA) — контроллер ПДП пересылает блоки данных между устройством и памятью без участия процессора; процессор лишь запускает обмен и получает прерывание по завершении. Применяется для дисков, сети, видео.
Видеосистема ЭВМ
Видеоадаптер = видеопамять + графический процессор. В видеопамяти живёт кадровый буфер — по ячейке на каждый пиксел экрана; RAMDAC/цифровой интерфейс (HDMI, DisplayPort) выводит его на монитор с частотой обновления. GPU — массово-параллельная архитектура (тысячи простых ядер): задачи растеризации однотипны и независимы по пикселам, поэтому идеально параллелятся — по классификации Флинна это SIMD. Тот же параллелизм сделал GPU главным вычислителем для нейросетей.
Сколько нужно видеопамяти на кадр? Экран 1920×1080, глубина цвета 32 бита (4 байта):
Почему же на видеокартах гигабайты? Кадровых буферов минимум два (двойная буферизация: пока один показывается, во втором рисуется следующий кадр — без мерцания), плюс буфер глубины (z-буфер из раздела 2!), текстуры и геометрия сцены.
Внешние запоминающие устройства
HDD: пакет магнитных пластин, головки на общем приводе; данные лежат на концентрических дорожках, разбитых на секторы (512 Б / 4 КБ); дорожки одного радиуса на всех пластинах — цилиндр. Время доступа складывается из подвода головки (seek), ожидания поворота диска и передачи.
Время доступа HDD 7200 об/мин: среднее позиционирование 8 мс; среднее ожидание поворота — полоборота:
SSD без механики делает сотни тысяч случайных чтений в секунду — на три-четыре порядка больше. Поэтому случайный доступ (базы данных!) — стихия SSD, а HDD остаётся выгоден для больших последовательных архивов: при линейном чтении механика подводится один раз.
SSD: флеш-память NAND, контроллер с трансляцией адресов; особенности — ограниченный ресурс перезаписи ячеек (контроллер выравнивает износ), запись только в стёртые блоки (команда TRIM сообщает, что блоки свободны). Ленты — архивное хранение с минимальной ценой за терабайт, последовательный доступ. Надёжность массивов повышают RAID:
| Уровень | Идея | Ёмкость из n дисков | Переживает отказ | Зачем |
|---|---|---|---|---|
| RAID 0 | чередование блоков (striping) | n | нет — любой отказ губит всё | скорость |
| RAID 1 | зеркало | n/2 | 1 диска (из пары) | надёжность, быстрое чтение |
| RAID 5 | чередование + распределённая чётность | n−1 | 1 любого диска | баланс ёмкости и надёжности |
| RAID 10 | зеркалированные пары в страйпе | n/2 | по 1 в каждой паре | скорость + надёжность (СУБД) |
Чётность в RAID 5 — это XOR: блок чётности = A ⊕ B ⊕ C. Потеряли диск с B? Восстанавливаем: B = чётность ⊕ A ⊕ C — тот же приём, что бит чётности в передаче данных, только на уровне дисков. И важное правило из практики: RAID защищает от отказа диска, но не от «rm -rf» и не от пожара — резервная копия всё равно нужна.
Параллельные и многопроцессорные системы
Классификация Флинна по потокам команд/данных: SISD (классическая ЭВМ), SIMD (одна команда над многими данными — векторные машины, GPU), MISD (практически не используется), MIMD (независимые процессоры — многопроцессорные и многомашинные системы).
- Многопроцессорные — несколько процессоров с общей памятью (SMP, многоядерные ЦП); взаимодействие через общую память, проблема когерентности кэшей.
- Многомашинные — узлы со своей памятью, связанные сетью (кластеры, MPP-суперкомпьютеры); взаимодействие передачей сообщений (MPI).
Вопросы к собеседованию
Из каких блоков состоит процессор и что делает каждый?
Устройство управления — выборка и дешифрация команд, выработка управляющих сигналов; АЛУ — арифметические и логические операции; регистры — сверхбыстрая память (счётчик команд PC, регистр команды IR, регистры общего назначения, указатель стека, флаги); кэш; блок плавающей точки; интерфейс шины. Архитектура фон Неймана: программа и данные в общей памяти.
Опишите иерархию памяти ЭВМ. Почему работает кэш?
Регистры → кэш L1/L2/L3 (SRAM) → оперативная память (DRAM с регенерацией) → внешняя память. Вверх по иерархии — быстрее и дороже, вниз — больше и дешевле. Кэш эффективен из-за локальности обращений: временно́й (повторное использование тех же данных) и пространственной (соседние адреса) — поэтому большинство обращений попадает в быстрый уровень.
Назовите стадии выполнения команды. Что даёт конвейер?
Выборка команды по счётчику команд → декодирование → выборка операндов → выполнение в АЛУ → запись результата. Конвейер совмещает стадии соседних команд: в идеале команда завершается каждый такт (ускорение ≈ числу стадий). Мешают конфликты: структурные (общий ресурс), по данным (результат ещё не готов), по управлению (ветвления — предсказание переходов).
Как организована обработка прерываний в ЭВМ?
Запрос от источника (аппаратный, программный или исключение) → контроллер прерываний выбирает по приоритету → процессор завершает текущую команду и сохраняет контекст (PC, флаги) в стеке → из таблицы векторов по номеру берётся адрес обработчика → обработчик выполняется → возврат с восстановлением контекста. Маскирование позволяет запрещать менее важные прерывания.
Сравните программный опрос, ввод-вывод по прерываниям и ПДП.
Опрос: процессор циклически проверяет флаг готовности — просто, но жжёт процессорное время. По прерываниям: устройство само извещает о готовности — процессор занят только обработкой. ПДП (DMA): контроллер сам пересылает блоки «устройство ↔ память» без процессора, который получает одно прерывание в конце, — способ для быстрых блочных устройств (диск, сеть).
Из чего складывается время доступа HDD и почему SSD быстрее на случайном доступе?
HDD: подвод головки к дорожке (seek, единицы-десяток мс) + ожидание поворота диска (в среднем полоборота: при 7200 об/мин ≈ 4,2 мс) + передача. Итого ~10–12 мс — около сотни случайных операций в секунду. SSD не имеет механики: доступ к любой ячейке флеш-памяти за десятки микросекунд, сотни тысяч операций в секунду. На последовательном чтении разрыв меньше — механика HDD подводится один раз.
Что такое RAID? Сравните уровни 0, 1 и 5.
RAID — объединение дисков в массив ради скорости и/или отказоустойчивости. RAID 0 — чередование блоков: ёмкость и скорость n дисков, но отказ любого губит всё. RAID 1 — зеркало: половина ёмкости, переживает отказ диска. RAID 5 — чередование с распределённой чётностью (XOR): ёмкость n−1, переживает отказ одного любого диска — данные восстанавливаются как XOR остальных. RAID не заменяет резервное копирование: от ошибочного удаления он не защищает.
Как устроена видеосистема ЭВМ? Что такое кадровый буфер и двойная буферизация?
Видеоадаптер = видеопамять + GPU. Кадровый буфер — область видеопамяти с ячейкой на каждый пиксел (1920×1080×4 Б ≈ 8,3 МБ); интерфейс HDMI/DisplayPort выводит его на монитор с частотой обновления. Двойная буферизация: пока один буфер отображается, следующий кадр рисуется во втором, затем они меняются — без мерцания и «разрывов». GPU — массово-параллельная SIMD-архитектура: тысячи ядер обрабатывают независимые пикселы одновременно.
Приведите классификацию Флинна. Чем многопроцессорные системы отличаются от многомашинных?
По потокам команд и данных: SISD — обычная ЭВМ; SIMD — одна команда над множеством данных (векторные, GPU); MISD — экзотика; MIMD — независимые потоки (многопроцессорные и многомашинные). Многопроцессорные — общая память (SMP, многоядерность), связь через память, проблема когерентности кэшей. Многомашинные — у каждого узла своя память, связь сообщениями по сети (кластеры, MPP).
Тема 4.2
Сети и телекоммуникации
Каналы, методы доступа, топологии, протоколы, беспроводные сети, сервисы, проектирование.
Каналы передачи данных
- Проводные: витая пара (Ethernet до 10 Гбит/с, ~100 м), коаксиальный кабель (исторически), волоконно-оптические линии — свет в кварцевом волокне: огромная полоса, километры без регенерации, нечувствительность к помехам (магистрали);
- Беспроводные: радиоканалы (Wi-Fi, сотовые сети), спутниковые.
- Характеристики канала: пропускная способность (бит/с), задержка, достоверность (вероятность ошибки), помехозащищённость.
Пропускная способность против задержки. Скачиваем файл 100 МБ по каналу 100 Мбит/с, задержка до сервера 50 мс:
Для большого файла всё решает полоса, задержка незаметна. Теперь наоборот — онлайн-игра шлёт крошечные пакеты: полоса не важна вовсе, а 50 мс задержки игрок чувствует каждым нажатием. Поэтому «скорость интернета» — два независимых числа; спутниковый канал может иметь огромную полосу и безнадёжную для игр задержку (геостационарная орбита — ~600 мс туда-обратно).
Топологии локальных сетей
Методы доступа к среде
- CSMA/CD (классический Ethernet): слушай перед передачей; при столкновении (коллизии) — прекратить, выждать случайную паузу. В современных коммутируемых сетях коллизий нет.
- CSMA/CA (Wi-Fi): предотвращение коллизий — случайная отсрочка до передачи, подтверждения кадров.
- Маркерный доступ (Token Ring): передаёт только владелец циркулирующего маркера — детерминированное время доступа.
Сетевые протоколы: модель OSI и TCP/IP
Стек TCP/IP: канальный уровень (Ethernet, Wi-Fi) → сетевой IP (адресация и маршрутизация, негарантированная доставка) → транспортный: TCP (соединение, гарантия доставки и порядка, управление потоком) и UDP (без гарантий, минимальные накладные расходы — потоковое видео, DNS) → прикладной (HTTP, SMTP, FTP, DNS).
Что происходит, когда вы открываете сайт — весь стек за один клик:
- DNS (прикладной, поверх UDP): «tstu.ru → 82.179.…» — имя превращается в IP-адрес;
- TCP устанавливает соединение тройным рукопожатием: SYN → SYN-ACK → ACK;
- HTTP-запрос «GET /» упаковывается в TCP-сегмент → IP-пакет → Ethernet-кадр (инкапсуляция);
- маршрутизаторы по пути читают только IP-заголовок и передают пакет от сети к сети;
- сервер отвечает страницей, TCP собирает сегменты по порядку и досылает потерянные.
Маска делит 32 бита адреса на сетевую часть (синие ячейки) и хостовую (красные); черта — граница между ними, её двигает ползунок. Маршрутизатор смотрит только на синюю часть: «в мою сеть или наружу?». Кликайте по битам адреса — адрес сети и широковещательный пересчитываются: видно, что они получаются обнулением и заполнением именно хостовых битов.
Разбиение сети на подсети. Дана сеть 192.168.4.0/24 (254 хоста), нужно 4 отдела. Занимаем 2 бита у хостовой части (2² = 4 подсети), маска становится /26 (255.255.255.192), в каждой 2⁶ − 2 = 62 хоста:
| Подсеть | Адрес сети | Диапазон хостов | Широковещательный |
|---|---|---|---|
| 1 | 192.168.4.0/26 | .1 – .62 | .63 |
| 2 | 192.168.4.64/26 | .65 – .126 | .127 |
| 3 | 192.168.4.128/26 | .129 – .190 | .191 |
| 4 | 192.168.4.192/26 | .193 – .254 | .255 |
«−2» в числе хостов — адрес самой сети (все нули в хостовой части) и широковещательный (все единицы). Проверка принадлежности: 192.168.4.130 и маска /26 → AND даёт 192.168.4.128 — третья подсеть.
Обнаружение ошибок передачи. Бит чётности — к байту добавляется бит, делающий число единиц чётным: ловит одиночную ошибку, двойную — нет. Контрольная сумма CRC (в кадре Ethernet — CRC-32): блок данных делится по модулю 2 на порождающий полином, остаток передаётся вместе с данными; приёмник повторяет деление — ненулевой остаток означает повреждение кадра, он отбрасывается (повторную передачу организует TCP выше). CRC ловит все одиночные, двойные и пакетные ошибки короче своей длины — потому и стал стандартом канального уровня. Коды Хэмминга умеют не только обнаруживать, но и исправлять одиночные ошибки — применяются в ECC-памяти серверов.
Межсетевое взаимодействие — объединение сетей разных технологий: повторитель/концентратор (физический уровень), мост/коммутатор (канальный, по MAC-адресам), маршрутизатор (сетевой, по IP-адресам, выбор маршрута), шлюз (согласование разных стеков протоколов, верхние уровни).
Беспроводные сети и телекоммуникации
- Wi-Fi (IEEE 802.11) — локальные сети: точки доступа, диапазоны 2,4/5/6 ГГц, защита WPA2/WPA3;
- Bluetooth — персональные сети малого радиуса (профили: гарнитура, передача файлов, BLE для датчиков); сотовые 4G/5G — глобальная мобильная связь;
- Телекоммуникационные системы — первичные сети (волоконно-оптические магистрали SDH/DWDM), сети доступа, коммутация каналов и пакетов.
Безопасность беспроводных сетей — критична: радиоэфир «слышат» все в радиусе действия, подключиться можно не заходя в здание. Эволюция защиты Wi-Fi: открытые сети (трафик виден любому) → WEP (первый стандарт, взламывается за минуты — не использовать) → WPA/WPA2 (шифрование AES-CCMP, общий пароль PSK для дома) → WPA3 (защита от офлайн-подбора пароля). На предприятиях — режим WPA2/WPA3-Enterprise: каждый пользователь аутентифицируется индивидуально по стандарту 802.1X/EAP через сервер RADIUS — украденный пароль одного сотрудника отзывается, не трогая остальных. Дополнительно: гостевые сети в отдельном VLAN, скрытие и сегментация SSID.
Программные платформы беспроводных решений: стек протоколов 802.11 в ОС и прошивках точек доступа, контроллеры беспроводных сетей (централизованное управление сотнями точек), Bluetooth-стеки с профилями, платформы Интернета вещей — лёгкий протокол обмена MQTT (издатель–подписчик через брокера) поверх Wi-Fi/сотовой связи, энергоэффективные mesh-сети датчиков (ZigBee, Thread).
Сетевые сервисы: DNS (имена → адреса), DHCP (автоконфигурация адресов), электронная почта (SMTP/POP3/IMAP), WWW (HTTP/HTTPS), передача файлов (FTP), удалённый доступ (SSH), каталоги (LDAP).
Проектирование вычислительных сетей
Этапы: анализ требований (число узлов, трафик, сервисы, рост) → выбор топологии и технологий → структурированная кабельная система (СКС) → логическое проектирование: план IP-адресации (подсети, маски), сегментация VLAN → выбор активного оборудования (коммутаторы, маршрутизаторы) → защита (межсетевые экраны, резервирование каналов) → документирование.
Распределённая обработка информации
Архитектуры распределённой среды — от простого к сложному:
- Файл-сервер — сервер хранит только файлы, вся обработка на клиентах; сеть забивается передачей целых файлов.
- Клиент–сервер (двухзвенная) — сервер БД выполняет запросы, клиент шлёт SQL и получает только результат; логика делится между «толстым» клиентом и сервером.
- Трёхзвенная / многозвенная — между клиентом и БД появляется сервер приложений с бизнес-логикой: тонкие клиенты (браузер), централизованное обновление логики, масштабирование среднего звена. Развитие — микросервисы: приложение как набор независимых сетевых служб.
- Кластер — группа машин, работающих как один узел (высокая доступность, балансировка нагрузки); грид — объединение разнородных удалённых ресурсов под общую вычислительную задачу; облачные технологии — ресурсы как услуга по требованию: IaaS (виртуальные машины), PaaS (платформа), SaaS (готовое приложение), с оплатой по потреблению и эластичным масштабированием.
Ключевые механизмы: сетевое взаимодействие через RPC/веб-сервисы (HTTP/REST), репликация данных между узлами, балансировка нагрузки; плата за распределённость — задержки сети, частичные отказы и сложность согласованности данных.
Примеры использования в промышленности — вертикаль автоматизации предприятия:
- нижний уровень: датчики и ПЛК на полевых шинах — первичный сбор данных и локальное управление;
- SCADA — диспетчерские системы: серверы опроса собирают данные с сотен контроллеров по сети, операторские станции отображают мнемосхемы, ведутся архивы и аварийная сигнализация; сама SCADA — распределённая система (резервированные пары серверов, много клиентов);
- РСУ (DCS) — распределённые системы управления непрерывными производствами (химия, энергетика): управление физически распределено по станциям у технологических установок, объединённым резервированной сетью;
- обмен между уровнями — стандарт OPC UA: единый способ для разнородных систем читать теги контроллеров;
- верхний уровень: MES (управление производством) и ERP (управление предприятием) — серверные многозвенные системы над общими БД; промышленный интернет вещей и цифровые двойники — облачная аналитика потоков данных с оборудования (предиктивное обслуживание).
Вопросы к собеседованию
Сравните основные топологии локальных сетей.
Шина — общая среда: дёшево, но обрыв рушит сегмент, нужны методы разрешения коллизий. Звезда — узлы через центральный коммутатор: отказ узла локален, лёгкое расширение — стандарт современных ЛВС; уязвимость — центральный узел. Кольцо — передача по кругу, маркерный доступ, детерминированность; обрыв кольца критичен (двойное кольцо). Ячеистая — избыточные связи, надёжность магистралей.
Назовите уровни модели OSI и их функции.
1 Физический — биты в среде (сигналы, разъёмы); 2 Канальный — кадры, MAC-адреса, доступ к среде; 3 Сетевой — пакеты, логическая адресация и маршрутизация (IP); 4 Транспортный — сегменты, доставка «процесс–процесс» (TCP/UDP); 5 Сеансовый — установление и ведение сеансов; 6 Представления — форматы, кодировки, шифрование; 7 Прикладной — сервисы для приложений (HTTP, SMTP). При передаче данные инкапсулируются: каждый уровень добавляет свой заголовок.
Чем TCP отличается от UDP?
TCP — с установлением соединения: гарантирует доставку, порядок и целостность (подтверждения, повторные передачи), управляет потоком и перегрузкой; накладные расходы выше (веб, почта, файлы). UDP — без соединения и гарантий: минимальная задержка и заголовок; потери допустимы или обрабатываются приложением (потоковое видео, VoIP, DNS-запросы).
Какие устройства обеспечивают межсетевое взаимодействие и на каких уровнях они работают?
Повторитель/концентратор — физический уровень, усиление сигнала. Мост и коммутатор — канальный: пересылка кадров по таблице MAC-адресов, деление на сегменты. Маршрутизатор — сетевой: выбор маршрута пакетов между сетями по IP-адресам и таблицам маршрутизации. Шлюз — согласование различных стеков протоколов вплоть до прикладного уровня.
Опишите методы доступа к среде передачи.
CSMA/CD (Ethernet): станция слушает канал, передаёт при тишине; обнаружив коллизию, прекращает и повторяет через случайную паузу. CSMA/CA (Wi-Fi): коллизии предотвращаются случайной отсрочкой и подтверждениями (обнаружить коллизию в радиоэфире нельзя). Маркерный (Token Ring): право передачи у владельца циркулирующего маркера — гарантированное время доступа, важно для промышленных сетей.
В чём преимущества волоконно-оптических каналов связи?
Огромная пропускная способность (терабиты с DWDM-уплотнением), большие расстояния без регенерации, полная нечувствительность к электромагнитным помехам, отсутствие излучения (сложно перехватить), малые габариты. Недостатки: цена оборудования, сложность монтажа и сварки волокна. Основа магистральных и провайдерских сетей.
Перечислите основные сетевые сервисы.
DNS — преобразование доменных имён в IP-адреса; DHCP — автоматическая выдача адресов и параметров; WWW — HTTP/HTTPS; электронная почта — SMTP (отправка), POP3/IMAP (получение); FTP — передача файлов; SSH — защищённый удалённый доступ; службы каталогов и аутентификации (LDAP, Kerberos).
Что включает проектирование вычислительной сети?
Анализ требований (узлы, трафик, сервисы, масштабирование) → выбор топологии и технологий → структурированная кабельная система → план IP-адресации и сегментация (подсети, VLAN) → подбор активного оборудования → обеспечение надёжности (резервирование) и безопасности (межсетевые экраны, разграничение) → документирование проекта.
Что такое распределённая обработка информации? Какие архитектуры распределённой среды существуют?
Выполнение единой задачи несколькими взаимодействующими по сети ЭВМ с прозрачностью для пользователя. Архитектуры: файл-сервер (обработка на клиентах), клиент–сервер (сервер БД выполняет запросы), трёхзвенная/многозвенная (сервер приложений с бизнес-логикой, тонкие клиенты) и микросервисы; кластеры (машины как один узел), грид, облачные технологии (IaaS/PaaS/SaaS — ресурсы как услуга). Механизмы: RPC/веб-сервисы, репликация, балансировка нагрузки.
Приведите примеры распределённой обработки в промышленности.
Вертикаль автоматизации: датчики и ПЛК на полевых шинах → SCADA (серверы опроса, операторские станции, архивы — сама распределена и резервирована) → РСУ/DCS для непрерывных производств → MES и ERP над общими базами данных. Обмен между уровнями стандартизует OPC UA; облачный уровень — промышленный IoT и цифровые двойники (предиктивная аналитика данных с оборудования).
Как обеспечивается безопасность беспроводных сетей?
Радиоэфир доступен всем в радиусе действия, поэтому обязательны шифрование и аутентификация: WEP устарел и взламывается, стандарт — WPA2/WPA3 (AES); дома — общий пароль (PSK), на предприятии — WPA-Enterprise с индивидуальной аутентификацией каждого пользователя по 802.1X/EAP через сервер RADIUS. Дополнительно: гостевые сети в отдельном VLAN, сегментация, контроллеры точек доступа.
Тема 4.3
Микропроцессорные средства и системы
Классификация, архитектура микропроцессорной системы, интеллектуальные реле, промышленные контроллеры — по методичке Васильева и Милованова «Промышленные контроллеры Twido».
Классификация микропроцессорных средств
- Микропроцессоры общего назначения — максимальная производительность, внешняя память (ЦП компьютеров);
- Микроконтроллеры — процессор + память + периферия (порты, таймеры, АЦП) на одном кристалле — встраиваемые системы управления (классика — семейство MCS-51);
- Сигнальные процессоры (DSP) — обработка сигналов в реальном времени (умножение с накоплением за такт);
- ПЛИС — программируемая логика, аппаратная реализация алгоритмов;
- Секционные (разрядно-модульные) процессоры — исторически, для построения спецЭВМ.
MCS-51 (Intel 8051) — учебная классика (по методичке Бояринова и Дьякова): 8-разрядный микроконтроллер гарвардской архитектуры — раздельные память программ (4 КБ ПЗУ) и память данных (128 байт ОЗУ); четыре 8-битных порта ввода-вывода P0–P3, два 16-битных таймера-счётчика, последовательный порт UART, пять источников прерываний с двумя уровнями приоритета; аккумуляторная система команд с битовыми операциями (удобно «дёргать» отдельные линии портов). Несмотря на возраст, ядро 8051 до сих пор встраивают в чипы — на нём удобно объяснять весь минимум встраиваемой системы.
Архитектура микропроцессорной системы
- Шина адреса задаёт ячейку/устройство (ширина определяет объём адресуемой памяти), шина данных переносит данные, шина управления — сигналы чтения/записи, запросы прерываний, ПДП.
- Архитектура фон Неймана — общая память программ и данных; гарвардская — раздельные памяти и шины (типична для микроконтроллеров: программа во флеш, данные в ОЗУ).
- CISC — сложная система команд; RISC — сокращённый набор простых команд, выполняемых за такт (микроконтроллеры, ARM).
Интеллектуальное реле
Отличие от ПЛК: меньше точек ввода-вывода, нет развитых коммуникаций и модульного расширения, ниже цена.
Промышленные программируемые контроллеры (ПЛК)
Устройство (на примере Schneider Twido из методички): процессорный модуль (компактный или модульный), блок питания, модули дискретного и аналогового ввода-вывода, коммуникационные интерфейсы (Modbus, Ethernet); среда программирования TwidoSuite.
Цикл сканирования ПЛК повторяется непрерывно:
Время реакции ПЛК. Цикл сканирования — например, 5 мс. Худший случай: вход изменился сразу после опроса входов — сигнал будет замечен только в следующем цикле, а выход обновится в конце него: задержка до 2 циклов = 10 мс. Поэтому для станка с ЧПУ или защиты по току (реакция за микросекунды) логику выносят в аппаратные модули, а ПЛК оставляют технологическую логику: пуск/стоп, блокировки, рецепты.
Языки программирования ПЛК по стандарту МЭК 61131-3:
- графические: LD — лестничные (релейные) диаграммы, FBD — функциональные блоки, SFC — последовательные функциональные схемы (этапы и переходы);
- текстовые: IL — список инструкций (ассемблероподобный, используется в Twido), ST — структурированный текст (паскалеподобный).
Одна задача на трёх языках МЭК 61131-3 — «лампа Q0.0 загорается через 2 с после нажатия кнопки I0.0» (та же логика, что в демо выше).
LD (лестничная диаграмма) — читается как релейная схема:
|--[ I0.0 ]----( TON T0, 2s )--|
|--[ T0.Q ]----( Q0.0 )-----|IL (список инструкций — так пишут в Twido):
LD I0.0 (загрузить состояние кнопки)
IN TM0 (запустить таймер задержки)
LD TM0.Q (выход таймера)
ST Q0.0 (записать в выход-лампу)ST (структурированный текст):
timer(IN := I0_0, PT := T#2s);
Q0_0 := timer.Q;Электрику ближе LD, программисту — ST; исполняются они одинаково, внутри цикла сканирования. На собеседовании достаточно назвать пять языков стандарта и показать, что понимаете хотя бы LD.
Промышленные сети
Назначение: связать контроллеры, датчики, исполнительные механизмы и операторские станции в единую систему управления. Требования, отличающие их от офисного Ethernet: детерминизм — гарантированное время доставки (команда клапану не может «подождать, пока сеть освободится»), помехозащищённость в цеху (двигатели, сварка, частотные приводы), работа на длинных линиях, промышленное исполнение разъёмов.
Физическая организация. Классическая полевая шина строится на RS-485: экранированная витая пара, дифференциальный сигнал (передаётся разность напряжений двух проводов — синфазная помеха наводится на оба и вычитается), шинная топология с терминаторами на концах, до 32 устройств на сегменте, сотни метров без повторителей; часто добавляется гальваническая развязка узлов. Уровнем ниже датчики подключают токовой петлёй 4–20 мА (ток не искажается длиной линии, обрыв виден как 0 мА).
Основные протоколы:
- Modbus RTU — ведущий/ведомый (master–slave) поверх RS-485: мастер по очереди опрашивает ведомых по адресам, данные — «регистры» и «катушки»; предельно прост, поддерживается всем (в том числе Twido и M221). Modbus TCP — те же регистры поверх Ethernet.
- Profibus DP — быстрая полевая шина (до 12 Мбит/с) для децентрализованной периферии; циклический детерминированный обмен.
- CAN — шина с арбитражем по приоритету: все слышат всех, при одновременной передаче побеждает кадр с меньшим идентификатором без потери времени; помехоустойчива, родом из автомобилей, в промышленности — CANopen.
- Промышленный Ethernet — PROFINET, EtherCAT, Ethernet/IP: привычная среда, но с механизмами реального времени (выделенные такты, обработка кадра «на лету» в EtherCAT); вытесняет классические шины, стирая границу с офисной сетью.
Офисная сеть отвечает «когда-нибудь, но быстро в среднем»; промышленная — «ровно раз в 10 мс, и никак иначе». Поэтому в цеху главным становится не пропускная способность, а гарантия времени цикла: лучше медленно и предсказуемо, чем быстро и «как получится».
Вопросы к собеседованию
Классифицируйте микропроцессорные средства.
Микропроцессоры общего назначения (ЦП ЭВМ, максимум производительности); микроконтроллеры — процессор, память и периферия на кристалле для встраиваемых систем (MCS-51 и наследники); сигнальные процессоры DSP — обработка сигналов в реальном времени; ПЛИС — программируемая аппаратная логика; секционные процессоры — исторические разрядно-модульные комплекты.
Из чего состоит микропроцессорная система? Назначение трёх шин?
Микропроцессор, ПЗУ (программа), ОЗУ (данные), порты ввода-вывода, связанные системной магистралью. Шина адреса выбирает ячейку или устройство (её разрядность определяет адресное пространство), шина данных переносит информацию, шина управления передаёт сигналы чтения/записи, запросы прерываний и ПДП.
Чем гарвардская архитектура отличается от фон-неймановской? CISC от RISC?
Фон Нейман — общая память и шина для команд и данных; Гарвард — раздельные памяти программ и данных с независимыми шинами (одновременная выборка команды и данных — типично для микроконтроллеров). CISC — большой набор сложных многотактных команд; RISC — компактный набор простых команд по такту, ставка на регистры и конвейер.
Что такое интеллектуальное реле и чем оно отличается от ПЛК?
Программируемый логический модуль на единицы–десятки входов/выходов для замены простых релейных схем (освещение, насосы); программируется с панели или ПК на LD/FBD (Zelio Logic, LOGO!). От ПЛК отличается малым числом точек ввода-вывода, отсутствием модульного расширения и развитых коммуникаций, простотой и ценой.
Опишите цикл сканирования ПЛК. Зачем нужен «образ процесса»?
Циклически: опрос всех входов и запись в область памяти (образ входов) → выполнение прикладной программы над образом → одновременное обновление физических выходов из образа выходов; плюс системное обслуживание и обмен по сети. Образ обеспечивает согласованность: в течение цикла программа видит неизменное состояние входов. Сторожевой таймер перезапускает ПЛК при зависании цикла.
Назовите языки программирования ПЛК по МЭК 61131-3.
Графические: LD — лестничные (релейные) диаграммы, FBD — диаграммы функциональных блоков, SFC — последовательные функциональные схемы (этапы–переходы). Текстовые: IL — список инструкций (ассемблероподобный; применяется в Twido), ST — структурированный текст (паскалеподобный). Выбор зависит от задачи и традиций предприятия.
Каково назначение промышленных сетей и их основные характеристики?
Связь контроллеров, датчиков, исполнительных механизмов и операторских станций в систему управления. Ключевые требования: детерминизм (гарантированное время доставки, а не «быстро в среднем»), помехозащищённость в условиях цеха, длинные линии, надёжные разъёмы. Протоколы: Modbus RTU/TCP (master–slave, регистры), Profibus DP, CAN (арбитраж по приоритету), промышленный Ethernet — PROFINET, EtherCAT.
Как физически организована полевая шина?
Классика — RS-485: экранированная витая пара с дифференциальным сигналом (помеха наводится на оба провода и вычитается), шинная топология с терминаторами, до 32 устройств на сегменте, сотни метров; узлы часто гальванически развязаны. Аналоговые датчики — токовая петля 4–20 мА (нечувствительна к длине линии, обрыв диагностируется как 0 мА). Modbus RTU поверх RS-485: мастер циклически опрашивает ведомых по адресам.