Технические средства информатизации


    Н. В. Максимов, Т. Л. Партыка, И. И. Попов





                ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИНФОРМАТИЗАЦИИ




    3-е издание, переработанное и дополненное



       Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по группе специальностей «Информатика и вычислительная техника»

       Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области прикладной информатики в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 080801 «Прикладная информатика (по областям)»





МОСКВА 2010

УДК 004.2(075.32)
ББК 32.973-02я723
      М17




Рецензенты:
канд. технических наук, доцент кафедры «Проектирование АИС» РЭА им. Г. В. Плеханова А. И. Надточий;
доктор экономических наук, профессор, декан факультета «Информатика» в НОУ «Московский международный институт эконометрики, информатики, финансов и права» (ММИЭИФП) А. А. Емельянов




      Максимов Н. В., Партыка Т. Л., Попов И. И.
М17 Технические средства информатизации : учебник / Н. В. Максимов, Т. Л. Партыка, И. И. Попов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М. : ФОРУМ, 2010. — 608 с. : ил. — (Профессиональное образование).

        ISBN 978-5-91134-409-2

         Рассматриваются состав, характеристики, функции и структура технических средств обработки, хранения и передачи информации, в том числе персональные компьютеры (процессоры, системы памяти, интерфейсы); накопители информации (магнитные ленты, диски, оптические накопители — CD/DVD, магнитооптические, твердотельные и другие альтернативные технологии); интерактивные устройства (терминалы с мониторами на ЭЛТ и плоскопанельными, манипуляторы, сенсорные экраны); мультимедийные системы (цифровое фото, видео, звук, мультимедийные проекторы); средства организации сетей и мобильных вычислений (сети, связь компьютеров, мобильные компьютеры — процессоры и интерфейсы расширения).
         Для студентов специальностей «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» и «Автоматизированные системы обработки информации и управления (по отраслям)».

                                                      УДК 004.2(075.32)
                                                      ББК 32.973-02я723






ISBN 978-5-91134-409-2

©Максимов Н. В., ПартыкаТ. Л., Попов И. И., 2005, 2008, 2010
        ©Издательство «ФОРУМ», 2005, 2008, 2010

                Введение






    Информатизация охватывает все сферы, все отрасли общественной жизни, прочно входит в жизнь каждого человека, воздействует на его образ мышления и поведение. Высокий уровень знаний и практических применений информации и автоматизированных информационных технологий (АИТ) в различных предметных областях и сферах деятельности стимулировал формирование концепции перехода промышленно развитых государств в новую форму существования — «информационное общество».
    Процесс информатизации общества является закономерным глобальным процессом развития цивилизации, который обусловлен целым рядом объективных факторов, важнейшими из которых являются:
    • быстро возрастающая сложность искусственно созданной человеком среды обитания — техносферы, которая все больше снижает ее надежность и устойчивость;
    • истощение природных ресурсов планеты и обусловленная этим необходимость отказа от господствующей в настоящее время парадигмы экстенсивного развития цивилизации;
    • возрастание экологических опасностей и необходимость поиска решения самой актуальной и сложной проблемы современности — проблемы выживания человечества как биологического вида.
    Все большее число стран объявляют генеральной линией своего развития построение информационного общества. XXI в. объявлен веком информатизации. В России, как и в ряде других стран, имеется «Концепция формирования информационного общества». В ней определено, что в нашей стране в первой четверти XXI в. должны быть созданы основные черты и признаки информационного общества. При этом отмечается, что у России свои предпосылки перехода и свой специфичный путь, ибо она обладает великим культурным наследием и многонациональной самобытной культурой, располагает одной из лучших систем образования.
    В Концепции формирования информационного общества в России указывается на необходимость разработки массовых средств компьютеризации учреждений культуры (библиотек, архивов и др.),

Введение

создания общедоступных баз и банков данных в области гуманитарных и социальных наук, сети культурно-информационных и информационно-развлекательных центров, поддержки сайтов культурно-информационных центров и др.
    В качестве факторов информатизации могут быть определены:
    • технические средства информатизации (аппаратурный фактор);
    • программные средства и системы (программный фактор);
    • информационный фактор — собственно информация, т. е. сигналы, сообщения, массивы данных, файлы и базы данных (БД);
    • интеллектуальные усилия и человеческий труд (человеческий, гуманитарный фактор). Всегда присутствует человек-пользователь, решающий задачи какой-либо предметной области с использованием инструментария информатики.
    Перечисленные компоненты информатизации не случайно названы факторами, поскольку подобно классическим экономическим факторам производства (труд, капитал, земля) они:
    • взаимозаменяемы (одна и та же производительность может быть достигнута при различных сочетаниях факторов — математически это описывается кривой безразличия);
    • эффективность производства при увеличении одного из факторов, но при фиксированном вкладе остальных возрастает, но все медленнее и медленнее (математически — закон убывающей производительности), что требует гармоничного развития всех составляющих, и не последняя роль здесь отводится человеческому фактору. В частности, пользователь должен соответствовать уровню информационных технологий.
    Перечисленные факторы соответствуют также историческим этапам развития информатизации. Можно выделить следующие фазы, на каждой из которых доминирует какой-либо из упомянутых факторов:
    • технический период, в течение которого сложились основные представления о структуре универсальных электронных вычислительных машин (ЭВМ), определилась архитектура и типы устройств — с 1946 по 1964 г. (приблизительно);
    • программный период — выработалась современная классификация программных средств, их структур и взаимосвязей, сложились языки программирования, разработаны компиляторы и принципы процедурной обработки — с 1954 по 1970 г.;
    • информационный период — в центре внимания исследователей и разработчиков оказываются структуры данных, языки описания (ЯОД) и манипулирования (ЯМД) данными, непроцедур

Введение

5

     ные подходы к построению систем обработки информации — с 1970 г. по настоящее время;
    • гуманитарный период, связанный с резким возрастанием круга пользователей АИТ и повышением роли интерфейсных и навигационных возможностей соответствующих систем (с начала 90-х гг. прошлого века). Кроме этого, основные черты новых информационных технологий связаны с усилением персонального характера компьютера и расширением возможностей пользователя. Традиционные АИТ были подчинены производителю информации и доводили одинаковое содержание до всех адресатов. Новые АИТ направлены на индивидуального пользователя, предоставляя возможность получения информации, нужной именно ему.
    К средствам информатизации относят: СМИ, средства оргтехники, базы и банки данных, вычислительные информационные сети, информационно-поисковые системы (ИПС), средства хранения, обработки и передачи данных. Мы предполагаем остановиться на технических средствах, связанных с компьютеризацией и применением персональных компьютеров, соответствующих современному (гуманитарному) периоду развития информатизации. Данный выбор определяет структуру настоящего учебного пособия.
    В первой главе рассмотрены технологии электронных схем, структура и общее устройство ПК, типология и этапы развития системных плат, основные принципы построения и классы процессоров ПК, эволюция процессоров Intel, AMD, Cyrix, а также прочих приборов, образующих ПК (набор микросхем системной платы — чипсет).
    Во второй главе продолжается разбор структур и функций компонентов ПК. Рассматривается иерархия оперативной памяти, конкретные системы и реализация систем основной памяти. Значительное внимание уделяется интерфейсам ПК, в том числе внутренним интерфейсам, интерфейсам периферийных устройств, внешним интерфейсам и интерфейсам центральных процессоров. В заключение главы приводятся спецификации ПК, разработанные ведущими производителями в 1999—2000 гг. Они наглядно показывают, какое это неблагодарное дело — прогнозировать показатели информатизации. Все сформулированные в спецификациях требования для профессиональных машин XXI в. давным-давно превзойдены самыми слабыми из массовых бытовых ПК.
    В главе 3 рассматривается важный тип внешних устройств — накопители массивов информации (внешние ЗУ), в том числе на магнитных лентах, магнитных дисках, сменных носителях (НЖМД,

Введение

ZIP-накопители, супердискеты, сменные НЖМД, CD и др.). Значительное внимание уделяется такой перспективной среде накопления информации, как DVD, во всем разнообразии их стандартов (DVD ROM, DVD RAM, DVD-R, DVD-RW, DVD+RW и пр.). Определенное внимание уделяется также альтернативным и перспективным носителям (флэш, микроустройства, сверхплотные CD и DVD и т. д.).
    В четвертой главе рассмотрены средства интерактивного взаимодействия (ввод-вывод данных и управление ПК), в том числе терминалы, клавиатуры, мониторы на основе ЭЛТ, плоскопанельные мониторы (жидкокристаллические, плазменные и пр.), сенсорные мониторы и манипуляторы (мышь, трекбол). Рассмотрены также интерфейсы мониторов ПК — как аналоговые, так и цифровые.
    В главе 5 продолжается рассмотрение периферийных устройств. Это устройства массового ввода-вывода текстовой и графической информации: принтеры, сканеры, плоттеры, дигитайзеры. Рассматриваются принципы действия, конструкции, конкретные образцы изделий.
    Шестая глава посвящена вопросам обработки и представления мультимедийной информации, включая цифровое фото, цифровое видео, сжатие видеоинформации, видеокарты и их разновидности, обработку и передачу аудиоинформации. Кроме того, рассмотрены принципы и конструкции проекторов мультимедиа.
    В седьмой главе рассмотрены системы связи и мобильных вычислений, в том числе каналы передачи и телекоммуникация, цифровые и мобильные системы связи (GSM, ISDN, xSDL), компьютерные сети (локальные, глобальные, домашние), мобильные компьютеры (процессоры, интерфейсы).
    Настоящий учебник базируется на материалах, которые авторы накопили в процессе практической, исследовательской, а также преподавательской (МИФИ, МИСИ, МГУ, РГГУ) деятельности. Авторы выражают благодарность коллегам, принявшим участие в обсуждении материала: А. Г. Романенко (РГГУ), К. И. Курбакову (РЭА им. Г. В. Плеханова), П. Б. Храмцову (РНИЦ «Курчатовский институт»), рецензентам, а также студентам РГГУ, РЭА им. Г. В. Плеханова за предоставленные иллюстративные материалы.

                Глава 1 ПЕРСОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ ПРОЦЕССОРЫ






    Персональный компьютер (ПК) — Personal Computer (PC) — недорогой компьютер, созданный на базе микропроцессора. ПК или персональные электронные вычислительные машины (ПЭВМ) в ряду компьютеров характеризуются небольшими размерами и массовым производством. Это позволяет делать их широкодоступным товаром, обеспечивающим обработку различной информации. ПК предназначены для обработки текстов, звука и изображений.
    Персональный компьютер для удовлетворения требованиям общедоступности и универсальности применения должен обладать такими качествами, как:
    • малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
    • автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
    • гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптируемость к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования и в быту;
    • дружественность операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;
    • высокая надежность работы (более 5000 ч на отказ).
    ПК делятся на несколько классов (рис. 1.1). Если за признак классификации взять «тип решаемых на ПК задач», то IBM-совместимые ПК могут быть разделены на: серверы; графические станции; портативные, ПК для корпоративных пользователей; ПК для дома и малого офиса (SOHO — Small Office, Home Office) и т. д.
    В последние годы использование высокоскоростных 32- и 64-разрядных микропроцессоров и версий операционной системы UNIX привело к слиянию ПК с рабочими станциями. С другой стороны, создаются устройства, в которых объединяются функции персонального компьютера с телевизором и телефонным аппаратом.

Глава 1. Персональные компьютеры. Процессоры

Рис. 1.1. Классы персональных компьютеров

    В связи с широким распространением ПК (по различным оценкам, их число превысило миллиард в 1998 или 2002 г.) на данном этапе важное значение приобретают:
    • повышение безопасности компьютеров для пользователей (безопасный компьютер);
    • уменьшение воздействия компьютеров на окружающую среду («зеленый компьютер»);
    • минимизация энергопотребления (технология OnNow PC).
    Безопасный компьютер — компьютер, при работе с которым здоровье людей не подвергается опасности. Считается, что основное вредное воздействие оказывают монитор, построенный на базе электронно-лучевой трубки, и электромагнитные поля, генерируемые компьютером. Для ограничения вредных воздействий компьютера департамент труда Швеции в 1987 г. принял стандарт MPR I. В 1990 г. принят еще более жесткий стандарт MPR II. На смену MPR II пришли еще более жесткие требования шведского объединения профсоюзов TCO'92 (1992 г.) и TCO'95 (1995 г.). Эти стандарты приняты многими странами. Мониторы, удовлетворяющие этим стандартам, имеют марку LR (Low Radiation — низкое излучение). Госсанэпиднадзор России в 1996 г. выпустил СанПин 2.2.2.542—96 «Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации работ», которые по многим параметрам соответствуют вышеуказанным. По этим правилам продолжительность непрерывной работы взрослого пользователя компьютера не должна превышать 2 ч, ребенка — от 10 до 20 мин в зависимости от возраста. Минимальный перерыв определен в 15 мин. Расстояние от глаз пользователя до экрана монитора должно быть не менее 50 см, оптимально 60—70 см. Расстояние от экрана монитора до задней стенки монитора соседнего ряда должно быть не менее 2 м, а расстояние между боковыми

Глава 1. Персональные компьютеры. Процессоры

9

стенками — не менее 1,2 м. Площадь на одного взрослого пользователя должна составлять не менее 6 м².
    Зеленый компьютер — green computer — компьютер, характеризуемый уменьшенным воздействием на окружающую среду. При созда

нии модели «зеленого компьютера» поставлены задачи:
    • охрана здоровья пользователей;
    • понижение уровня радиационных и электромагнитных излучений;
    • отказ от использования в производстве веществ, вредных для здоровья людей;
    • утилизация отработанных компонентов компьютеров;
    • уменьшение выделения тепла;
    • обеспечение энергосбережения, т. е. понижение потребления

      электроэнергии.

    Что касается последнего, то существует целая гамма оттенков

«зеленого». Наиболее простой («светло-зеленый») лишь программное обеспечение, следящее за работой пользователя. Если заданное время последний не обращался к компьютеру, выдается команда отключения монитора и внешних устройств. Если компьютер не работает более длительное время, то он может полностью отклю

компьютер имеет

читься от электрического питания. При этом, однако, нужно помнить, что часто компьютер включен в информационную сеть и всегда должен быть готов к приему из нее сообщений. В компьютере средней «зелености» в его структуру добавляется небольшой (с малым потреблением электроэнергии) микропроцессор, который является «дежурным» и наблюдает за появлением требований на восстановление работоспособности и включает или выключает компьютер. В «темно-зеленом» компьютере к перечисленному добавляется использование интегральных схем с малым потреблением электроэнергии.

    Для «зеленых компьютеров» Международная ассоциация карт памяти персональных компьютеров (PCIMCA) предложила съемные карты PC, которые автоматически отключаются тогда, когда не участвуют в работе системы. Экономия электроэнергии получается так

же за счет создания и использования специальных источников питания. Последние снижают собственные потери при переходе компьютера в режим малого потребления. Перспективным является замена одного источника питания группой малых, распределенных по компьютеру источников. В США зеленым называют компьютер, который соответствует требованиям Energy Star, разработанным Федеральным агентством по защите окружающей среды США (ЕРА).

Глава 1. Персональные компьютеры. Процессоры

Компьютеры, которым присваивается признак Energy Star (звезда энергетики), должны потреблять менее 60 Вт в режиме ожидания, причем монитор и системный блок — меньше 30 Вт.
    Технология OnNow PC — способ управления энергопотреблением системы.
    Сущность OnNow PC заключается в резком уменьшении потребления электрической энергии, но так, чтобы система в любой момент времени была готова к работе без перезагрузки ОС (например, как готов телевизор, включаемый с помощью удаленного пульта). Система при включении остается способной реагировать на внешние события: нажатие кнопки пользователем, сигнал из сети. Происходит это за счет того, что небольшая, особая часть системы остается постоянно включенной.
    Технология OnNow PC требует выполнения следующих условий:
    • операционная система берет на себя управление энергопотреблением;
    • все устройства, входящие в систему, должны допускать возможность эффективного регулирования потребления ими электрической энергии;
    • должен быть предусмотрен ряд определяемых операционной системой последовательных энергетических состояний, переходящих из одного в другое.
    Интеллектуальное управление электропитанием (Intel Intelligent Power Capability) — уменьшение потребления энергии путем включения именно тех логических блоков, которые требуются в данный момент.
    Enhanced Intel Speed STep (EIST) идентичен механизму, осуществленному в процессорах Intel мобильных ПК, который позволяет процессору уменьшать его тактовую частоту, когда не требуется высокая загрузка, таким образом значительно сокращая нагрев центрального процессора и потребление мощности.
    Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).


1.1. Технологии электронных схем

    Основой электронных технологий в настоящее время являются полупроводники (semiconductor) — вещества, электропроводность которых увеличивается с ростом температуры и является промежуточной между проводимостью металлов и изоляторов.