Факультет Фізики/Найкращі курси

From Wikiversity
Jump to navigation Jump to search

Системне проектування комп'ютерних технологій

Шувар Роман Ярославович Огірко Ігор Васильович

Розглянуто перспективи розвитку комп’ютерних мереж, переваги різноманітних топологій мереж та описано основну рекомендовану методику проектування комп’ютерних мереж. Розглядається становлення, розвиток інженерної діяльності та технічної освіти в процесі розвитку науки і техніки. Наведені основні етапи становлення інженерної діяльності. Проаналізовані основні напрямки підготовки а саме: схемо-і системотехнічне проектування комп'ютерних систем, розробка системного і прикладного програмного забезпечення, проектування локальних і глобальних комп'ютерних мереж. Ключові слова: комп’ютерна мережа, топологія, структура мережі підприємства, технологія, мережевий концентратор, комутатор, маршрутизатор, інженерна діяльність, комп'ютерна інженерія, інформаційні технології. Вступ Будь-яке проектування, представляє собою спрощену модель майбутньої мережі. Саме тому передбачити усі можливі фактори всі деталі які можуть виникнути в майбутньому практично неможливо. Під час створення нової мережі для будь-якого підприємства потрібно враховувати фактор розміру. Цей фактор по суті розуміється як кількість комп’ютерів які об’єднанні в даній мережі. Потрібне чітке представлення про мінімальну та максимальну кількість комп’ютерів які потребують у підключенні до локальної мережі.

Розвиток інформаційних технологій, глобальної мережі Інтернет, а також стрімке зростання обчислювальних можливостей комп’ютерних систем висувають нові вимоги до надійності зберігання даних. Сучасне суспільство вже не може уявити свого життя без мережі Інтернет. До появи персональних комп’ютерів і комп’ютерних мереж основними засобами для роботи з повідомленнями були книги, телефон, телеграф та інші. Але тепер інформаційні технології займають важливу роль в житті кожного із нас. На даний момент тяжко уявити людей, які не користуються сучасною технікою. Необхідність її використання вже не викликає сумнівів, оскільки інформаційні технології – це одна з розвинутих галузей сучасного життя. Актуальність: З появою мережі Інтернет, комп’ютерні мережі перетворилася у явище світового масштабу, вони стали доступі для індивідуальних користувачів і для великих та малих корпорацій. Зародження, становлення і розвиток інженерної діяльності та технічної освіти є важливими віхами в процесі формування людської цивілізації, значними етапами в розвитку техніки, науки та культури. Тому найважливішим завданням кожного фахівця і насамперед інженера є оволодіння величезним запасом досвіду і знань, накопичених попередніми поколіннями, а також їх використання стосовно потреб і запитам сучасного виробництва, науково-технічного прогресу. На даному етапі розвитку комп’ютерні технології проникають практично в усі сфери людської діяльності. Їх застосовують у виробництві, промисловості,видавництвах і великих бібліотеках, у банках і на складах, у системах зв’язку і системах управління транспорту, у податкових інспекціях і у сфері розваг тощо.

Комп’ютерна мережа (КМ) – це сукупність комп’ютерів в межах певної території (що знаходяться в одному приміщенні, в одному або декількох близько розташованих будівлях), що з’єднані між собою комунікаційною системою, що мають відповідне програмне забезпечення, за допомогою якого користувачі мережі можуть отримувати доступ до ресурсів інших комп’ютерів і сервісів мережі. Основна функція мережі – це транспортна функція, тобто передача будьяких даних. Інша функція мережі – інформаційна, тобто забезпечення доступу до інформаційних ресурсів мережі. З’єднання персональних комп’ютерів (ПК) може відбуватися, як традиційним способом, за допомогою кабельних систем, так і безпровідним зв’язком. Кабельна система традиційно включає в себе кабель та мережеві адаптери. Безпровідний зв’язок реалізований за допомогою радіохвиль, радіомодемів та інфрачервоних променів. При проектуванні систем особливої уваги заслуговують чотири важливі проблеми: - визначення границь системи та границь навколишнього середовища, з якими взаємодіє система; - встановлення чітких цілей системи; - визначення структури програми та алгоритмів функціонування системи; - опис управління системами. Границі навколишнього середовища системи поширюються і охоплюють тільки ті компоненти, які контролюються і керуються системою. Проблема встановлення границь системи нерозривно пов’язана з визначенням цілей системи та вибором критеріїв ефективності. При цьому можлива множина суперечливих цілей і різних критеріїв оцінки ефективності системи.

Структура програми – це подання відношень всіх елементів у відповідності до функцій системи. Можливо визначити структуру програми як блок-схему залежностей між різними елементами або як можливі шляхи досягнення цілей системи. Термін управління є загальним поняттям, яке включає всі дії компонентів системи, приймаючих рішення. Рівні системи. Розрізняють наступні рівні систем: - система високого рівня; - система; - підсистема. Система високого рівня є керуючою по відношенню до системи, а підсистема може бути залежною, але автономною системою, яка має свою ціль. Зворотні зв’язки. У системах обов’язково повинні існувати додатні або від’ємні зворотні зв’язки, які забезпечують необхідну стійкість системи.

Організація системи.

Організація є функціональною характеристикою системи, яка не тотожна складності її структури. Математичні аспекти теорії систем. Дві системи можуть бути названі подібними на основі оцінки ступеня близькості їх математичних моделей. Системи вважаються тотожними, якщо їх математичні структури моделей ізоморфні.

Рівні вивчення систем є- 1. Емпіричний, коли знання про систему отримують тільки у результаті безпосереднього спостереження. 2. Формальний, на якому реалізуються проекти систем та інструкції їх функціонування. 3. Аванпроектний, коли знань достатньо для попередньої розробки проекту системи.

Мета: провести аналіз створення напрямку комп’ютерна інженерія та особливості підготовки за даним напрямом.

Виклад матеріалу: Важливим кроком у побудові теорії систем є розробка аксіоматики, яка характеризує область і умови застосування теорії, а також вибір математичного апарату досліджень в галузі проектування та аналізу систем. По-перше, слід визначити термін – абстрактна теорія систем, яка відокремлює теорію від прикладних задач і формалізує математичний апарат, який відповідає методології побудови систем.


Абстрактна теорія систем нараховує 8 рівнів: - символічний або лінгвістичний; - теоретико-множинний; - абстрактно-логічний; - топологічний; - логіко-математичний; - теоретико-інформаційний; - динамічний; - евристичний.

Принциповими особливостями системи є: динамізм – змінність її станів у часі; інформаційність взаємодії її компонентів. Вказані рівні та особливості систем складають фундаментальні основи теорії штучного інтелекту. Можливість реалізації певних властивостей в системі базується на функціонуванні спеціалізованих елементів її архітектури. При цьому необхідна інформаційна взаємодія між елементами, які реалізуються за допомогою каналів зв’язків та сигналів, що визначає інформаційну властивість системи. Аналіз інформаційних властивостей системи тісно пов’язаний з її складністю.

Комп’ютерні системи можуть належати до двох класів: у залежності від способу опрацювання даних та інформаційних потоків: - вбудовані КС; - концентровані КС; - розподілені КС пакетного опрацювання даних; - розподілені КС реального часу. Вбудовані КС, як правило, реалізуються на базі однієї обчислювальної платформи, мікропроцесора або мікроконтролера. При цьому всі обчислювальні процеси відбуваються в межах кристалу процесора та кристалів периферійного обладнання, яке за допомогою фізичних електронних чи оптоелектронних звуків взаємодіє з базовим процесором.

Глобальна мережа – це мережа що об’єднує комп’ютери, які можуть перебувати в різних містах і країнах. Найвідомішим прикладом такої мережі є Інтернет. Персональні мережі, це мережі призначені для об’єднання персональних пристроїв користувача, таких як телефони, КПК, смартфони, ноутбуки та інші.

Локальні мережі покривають відносно невеликі території. У загальному випадку локальна мережа являє собою комунікаційну систему, що належить одній організації. Міські мережі з’явилися порівняно недавно, вони призначені для обслуговування території великого міста – мегаполісу.

Комп’ютерні мережі також можна класифікувати за швидкістю передачі даних. Мережі які мають швидкість до 10 Мбіт/с, називаються низькошвидкісними. Середньошвидкісні мережі мають швидкість до 100 Мбіт/с, а всі інші мережі, які мають швидкість понад 100 Мбіт/с називаються високошвидкісними [2].

Також комп’ютерні мережі класифікують за їх топологією. Топологія мережі являє собою геометричну форму і фізичне розташування комп’ютерів по відношенню один до одного. Найпоширеніші топології «зірка», «дерево» та «кільце». Зіркоподібна топологія утворюється у випадку, коли кожний комп’ютер підключається безпосередньо до загального центрального пристрою, в ролі якого може бути концентратор або комутатор. Таке підключення має високу надійність, адже при обриві мережевого кабелю, від мережі буде від’єднаний лише один комп’ютер. Топологія «дерево», або її ще називають «ієрархічна зірка», утворюється при об’єднанні декількох сегментів мережі, кожен з яких організовано за топологією «зірка», але в ній не всі сегменти під’єднані до центрального концентратора чи комутатора, утворюючи окремі гілки дерева. Усвідомивши минуле інженерії, співвідношення його з сучасним станом інженерної професії, ми зможемо краще зрозуміти закономірності розвитку, розібратись у суті змін, які відбулися в її структурі i зміcтi в наші дні, передбачити її майбутнє. Сьогодні інженером вважають фахівця з вищою технічною освітою, який застосовує наукові знання для розв’язання технічних задач, керування процесом створення технічних систем, проектування, організації виробництва, впровадження в нього науково-технічних нововведень. Історія інженерної діяльності тісно пов’язана з історією цивілізації і закономірностями розвитку техніки та пройшла такі етапи розвитку. Структура мережі – це спосіб розбиття мережі на сегменти та з’єднання цих сегментів. В ідеальному варіанті структура комп’ютерної мережі повинна відповідати структурі будівлі. Наприклад робочі місця працівників бухгалтерії, повинні буди в одній кімнаті або сусідніх кімнатах, це спростить їх об'єднання в сегмент і подальше адміністрування. Мережа підприємства може включати в себе окремі комп’ютери або робочі групи комп’ютерів, мережі підрозділів і так далі. Для зв’язку між частинами мережі підприємства можуть використовуватися репітери, комутатори і маршрутизатори. Під час вибору структури підприємства доцільно буде залишати можливість для подальшого розвитку мережі. Наприклад, щоб забезпечити можливість легкого включення в мережу одного або декількох сегментів, потрібно придбати комутатори чи маршрутизатори, які мають більше портів, ніж потребує мережа на даний момент. Основна перевага процесорів універсальної архітектури – гнучкість. Запис програм виконання заданого набору алгоритмів у пам’ять програм дає можливість створити спеціалізований процесор із заданими функціями. Такі процесори підлягають перепрограмуванню заміною вмісту пам’яті програм. При створенні відповідних трансляторів програмне забезпечення КСУ може бути написане мовами програмування високого рівня, що робить їх доступними для широкого кола користувачів. Крім того, дуже суттєвою перевагою цього підходу є можливість використання створених раніше програмних засобів.

Разом з тим, існує ряд причин, через які використання стандартних процесорів універсальної архітектури для побудови КСУ може бути недоцільним. По-перше, це висока трудомісткість розробки, оскільки до складу КСУ, крім самого універсального процесора, необхідно включити також засоби для реалізації інтерфейсних функцій, синхронізації, розширення пам’яті програм і пам’яті даних тощо. Сам процес розробки вимагає створення необхідного програмного забезпечення, наявності або створення технологічних програмних засобів для відпрацювання програм, а також програмно-апаратних засобів для відлагодження апаратної та програмної частин спеціалізованих процесорів. По-друге, універсальна архітектура може бути дуже надлишковою у функціональному і структурному відношеннях для розв’язання однієї конкретної задачі.

Формування сучасного інженера в епоху науково – технічної революції. У ХX ст. інженерія поділилась на багато галузей та підгалузей: фізична (електротехнічна, механічна, радіо та ін.), хімічна, біохімічна інженерія, інформаційна та обчислювальна техніка являє собою лише деякі її розділи. Але для них усіх характерно одне – це не той, хто робить штучний об'єкт, а той, хто керує процесами його створення, планує та проектує складну технічну систему. Слід розрізняти інженерну та технічну діяльність як у плані сучасної кооперації, поділу праці, так і в історичному плані. Сучасна технічна діяльність за відношенням до інженерної несе виняткову функцію, спрямовану на безпосередню реалізацію у виробничій практиці інженерних ідей, проектів та планів. В історичному ж плані інженерна діяльність відокремилася на першому етапі розвитку суспільства з технічної діяльності, яка притаманна людству на самих ранніх його стадіях і пов'язана з виготовленням знарядь. Інженерна діяльність виникає тоді, коли виготовлення знарядь праці не може базуватися лише на традиції, спритності рук, кмітливості, а вимагає орієнтації на науку, цілеспрямоване використання для цього наукових знань та методів. Інженерна діяльність займає проміжне місце між вико-навчою технічною діяльністю та наукою. Як всяке суспільне явище, інженерна діяльність має цілком визначені історичні рамки, пов’язані з основними етапами розвитку людського суспільства. Її передісторія розгортається в надрах технічної діяльності тривалого періоду ремісницького виробництва (первісне суспільство, античне рабовласницьке суспільство, середньовічне феодальне суспільство). Саме в умовах раннього капіталістичного суспільства створюються умови для того, щоб інженерна діяльність поступово стала особливою професією, що характеризується орієнтацією на наукову картину світу та цілеспрямоване й регулярне використання в технічній практиці наукових знань. З розвитком масового машинного виробництва в науці формується особлива сфера технічних наук, спеціально орієнтованих на розв'язання інженерних задач у різних галузях інженерної практики.

Відбувається прогресивна диференціація інженерної діяльності за окремими галузями та технічними науками, яка на сучасному етапі приводить до їх інтеграції [2]. Сучасний інженер повинен володіти всім але головна обставина комп’ютерна грамотність та комп’ютерна культура. Стрімкий розвиток комп’ютерної техніки та її програмного забезпечення – це одна з рис сучасного періоду розвитку суспільства. Комп’ютерні технології попадають фактично в усі сфери діяльності. Зараз нереально уявити сучасний кабінет без щоденного і широкого впровадження комп’ютерних технологій.

Комп’ютер став обов’язковим атрибутом робочого місця багатьох професій. На наш погляд найбільш перспективним на сьогодні є спеціалізація «Комп’ютерна інженерія», оскільки інформатизація суспільства стрімко росте і потреба в спеціалістах росте з кожним днем. Зараз цінуються ті спеціалісти, які добре працюють на комп’ютері і володіють навичками його обслуговування і ремонту. Інструментальним арсеналом інформаційних технологій є комп’ютерні системи, що в сучасному розумінні являють собою єдність технічних та програмних засобів, які взаємно доповнюють одне одного. Термін «Комп’ютерна інженерія» вживається для позначення комплексного науково-технічного напряму, що охоплює теоретичні основи й технологію розробки, конструювання, реалізацію, модернізацію, підтримку й утилізацію системного програмного забезпечення й технічних засобів сучасних комп'ютерів і комп'ютерних систем, а також устаткування, керованого комп'ютером. Комп'ютерна інженерія як базовий освітній напрямок, представлений у вищій школі практично всіх розвинених країн (включаючи США, Канаду, Японію, західну Європу та ін.). Комп'ютерна інженерія ґрунтується на відповідних математичних та фізичних принципах побудови комп'ютерних засобів, організації обчислювальних процесів, теорії комп'ютерних систем і мереж, теорії проектування й конструювання апаратних, програмних й інформаційних систем і технології розробки апаратного й програмного забезпечення, комп'ютерних систем і мереж.

Виключне значення мають наступні розділи математики й техніки: - дискретна математика, прикладна теорія цифрових автоматів, системне програмування (асемблерний рівень), теорія імовірностей і математична статистика, алгоритми і методи обчислень, теорія діагностики технічних та програмних засобів, паралельні та розподілені обчислення, теорія надійності та відмовостійкості технічних та програмних засобів, організація та архітектура процесорів і систем, багатопроцесорні системи, теорія операційних систем, інформаційні системи, комп'ютерні мережі, системи автоматизованого проектування апаратних і програмних засобів.

Основна відмінність «Комп’ютерної інженерії» від «Комп'ютерних наук» полягає в тому, що «… інженерія» займається переважно внутрішніми, у відношенні до комп'ютера чи комп'ютерної системи, проблемами. В той же час, наука займаються переважно проблемами застосування комп'ютерів чи комп'ютерних систем для створення інформаційних технологій чи вирішення якихось задач в інших предметних областях. Комп'ютерна інженерія це - технічні (апаратні) засоби та системне програмне забезпечення комп'ютерних систем і мереж універсального та спеціального призначення, а також їх компоненти.

Фахівці напряму «Комп’ютерна інженерія» працюють на виробництві, в науково-дослідних, проектно-конструкторських, фінансових і банківських установах на посадах інженера-програміста, адміністратора комп'ютерних мереж, менеджера проекту, аналітика-експерта, викладача у вищих навчальних закладах, наукового співробітника. Основні напрямки підготовки фахівців з комп'ютерної інженерії: схемо-і системотехнічне проектування комп'ютерних систем, розробка системного і прикладного програмного забезпечення, проектування локальних і глобальних комп'ютерних мереж, розробка фізичних принципів та апаратно-програмних засобів кодування, передачі та захисту інформації в обчислювальних системах

Фахівці з комп'ютерної інженерії мають виконувати функції, що не покриваються програмами підготовки за іншими базовими освітніми напрямками, а саме: - виконувати розробку сучасних структур та системного програмного забезпечення комп'ютерів, комп'ютерних систем та мереж, розподілених систем як в аспекті їх створення, так і в аспекті пошуку оптимальних рішень при проектуванні та конструюванні; - вирішувати завдання побудови й адаптації цифрових пристроїв і програмного забезпечення для створення спеціалізованих і вбудованих систем; - вміти застосовувати теоретичні знання з розробки апаратних і програмних засобів, комп'ютерних мереж і інформаційних процесів в широкому колі технічних додатків; - вміти знаходить оптимальне співвідношення між програмною й апаратною реалізацією, визначати оптимальну топологію, структуру й ор-ганізацію комп'ютерних систем, розробляти інтерфейси обчислювальних систем тощо; - вміти створювати операційні системи, вміти виконувати підготовку завдань для паралельного їх виконання в сучасному паралельному обчислювальному середовищі [1];

Таким чином узагальнюючи визначення терміну Комп’ютерна інженерія в наукових роботах ми визначаємо, що Комп’ютерна інженерія – це область комп’ютерної науки і технології, яка займається побудовою комп’ютерних пристроїв, систем та мереж.

Висновок. Таким чином, можна зробити висновок, що інформаційно-комунікаційні технології розвиваються в досить стрімкому темпі. Виникають нові ринки і моделі для зберігання даних, їх аналізу і обробки. Зараз комп’ютерні технології розглядаються здебільшого, як інструмент для досягнення тих чи інших потрібних ефектів в соціально-економічній сфері. Традиційна економіка стає залежною від інформаційних технологій. Також завжди потрібно пам’ятати що характерною особливістю електронних даних є можливість легко і непомітно спотворювати, копіювати або знищувати їх. Тому необхідно організувати безпечне функціонування даних в будь-яких інформаційних системах. Провівши аналіз становлення системи підготовки фахівців напряму «Комп’ютерна інженерія», ми можемо стверджувати, що нині постає необхідність підготовки учнів загальноосвітніх навчальних закладів до даного напрямку майбутньої професійної діяльності. Перспективи подальших досліджень Більш глибоко розглянути впровадження профільного навчання учнів загальноосвітніх навчальних закладів за профілем підготовки «Комп’ютерна інженерія».

Література

1. Андрощук О. В. Інформаційні технології та їх вплив на розвиток суспільства / О. В. Андрощук, 2014.

2. Історія інженерної діяльності: Навчальний посібник / – С.В.Подлєсний, Ю.О.Єрфорт, В.М.Іскрицький. - Краматорськ: ДДМА, 2004. – 128 с.

3. Конспект лекцій з дисципліни «Історія інженерної діяльності» / Укладач І.І. Брагінцев. – Северодонецьк: Вид-во Сєвєродонецького техн. ін. ВНУ імені Володимира Даля, 2007. – 116 c.

4. Конспект лекцій з курсу «Історія інженерної діяльності» / Укладачі: Ю.Я. Ткачук, С.В.Сапожніков. – Суми: Вид-во СумДУ, 2004. – 57 с.

https://uk.wikipedia.org/wiki/Огірко_Ігор_Васильович

https://artificial-intelligence-blog.web.app