Периферийные устройства вычислительной техники


    Т. Л. Партыка, И. И. Попов





                ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
                ТЕХНИКИ




    2-е издание, исправленное и дополненное

    Допущено Министерством образования и науки
     Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования




МОСКВА
2009

УДК 004.3(075.32)
ББК 32.973-02я723

     П18




Рецензенты: кандидат экономических наук, доцент, декан факультета Информатики Московской финансово-промышленной академии Д. В. Денисов; доктор экономических наук, профессор кафедры вычислительной техники Нижегородского коммерческого института С. П. Салмин




     Партыка Т. Л., Попов И. И.
П18 Периферийные устройства вычислительной техники : учеб. пособие / Т. Л. Партыка, И. И. Попов. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : ФОРУМ, 2009. — 432 с. : ил. — (Профессиональное образование).


        ISBN 978-5-91134-362-0


         Приведены принципы построения и действия, классификация, характеристики, функции и структура периферийных устройств ЭВМ. Рассмотрены устройства хранения информации (магнитные ленты, диски, оптические накопители — CD/DVD, магнитооптические, твердотельные и другие альтернативные технологии); устройства ввода-вывода массивов информации (принтеры, сканеры и фотокамеры, графопостроители, графические планшеты); интерактивные устройства (терминалы с мониторами на ЭЛТ и плоскопанельными, манипуляторы, сенсорные экраны); мультимедийные системы (цифровое фото, видео, звук, мультимедийные проекторы), а также интерфейсы (внутренние и внешние).
         Для учащихся и студентов, специализирующихся в области вычислительных устройств, машин и общей информатики.


УДК 004.3(075.32)
ББК 32.973-02я723








ISBN 978-5-91134-362-0

© Т. Л. Партыка, И. И. Попов, 2007
            © Издательство «ФОРУМ», 2007

                Введение









   Электронные вычислительные машины (ЭВМ) и системы за последние полвека преобразили цивилизацию, вовлекая человечество в процесс информатизации, который охватывает все сферы, все отрасли общественной жизни, прочно входит в жизнь каждого человека, воздействует на его образ жизни, мышление и поведение¹. 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, в котором решающую роль играет приобретение, хранение, распространение и использование знаний с широким использованием достижений научно-технического прогресса, позволяющего постоянно совершенствовать государственные, научные, общественные и персональные структуры, системы и т. п.
   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

   ¹ Уже в 1980-е гг. темпы развития вычислительной техники превышали все привычные масштабы. В газете Washington Post того времени писали: «В 1953 г. ЭВМ с памятью 64 Кбайт стоила 1 млн долл., сейчас она стоит менее 1 тыс. долл. Если бы автомобили развивались в течение последних 20 лет теми же темпами, как компьютеры, то сегодня Роллс-Ройс стоил бы 3,0 долл., проходил миллион миль на галлоне бензина, развивал мощность лайнера фпееп Elisabeth, и два автомобиля помещались бы на кончике пера».

Введение

свои предпосылки перехода и свой специфичный путь, ибо она обладает великим культурным наследием и многонациональной самобытной культурой, располагает одной из лучших систем образования.
   ЭВМ являются важнейшим из факторов информатизации, которые включают в себя:
   • технический фактор (hardware, аппаратура, электроника);
   • программный фактор (software, программные средства и системы);
   • 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 составляющие подобны классическим экономическим факторам производства (труд, капитал, земля), так как 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, увеличивается, 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 (ИТ).
   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 ЭВМ, определилась архитектура и типы устройств — приблизительно с 1946 по 1964 г.;
   • программный период — выработалась современная классификация программных средств, их структур и взаимосвязей, сложились языки программирования, разработаны

Введение

5

     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, непроцедурные подходы к построению систем обработки информации — с 1970 г. по настоящее время;
   • гуманитарный период связан с резким возрастанием круга пользователей АИТ и повышением роли интерфейсных и навигационных возможностей соответствующих систем (с начала 90-х гг. прошлого века). Кроме того, основные черты новых информационных технологий связаны с усилением персонального характера использования компьютеров и расширением возможностей пользователей. 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.
   Конечно, данная периодизация условна, и говорить об окончании технического периода или исчерпании пределов развития не приходится. Именно технические средства ЭВМ развиваются наиболее высокими темпами, увлекая за собой остальные факторы информатизации.
   Традиционные ЭВМ фон неймановской архитектуры, составляющие подавляющее большинство и сегодня, когда ежегодно в мире выпускается более 250 млн микропроцессоров, структурно состоят из двух групп функциональных устройств:
   • центральное устройство (ЦУ), включающее процессор (ЦП, CPU) и оперативную память (ОП или ОЗУ, main storage, random access memory, RAM)
   • внешние устройства (ВУ, или периферийные устройства, периферия, peripheral devices, peripherals) обеспечивают непрерывное и эффективное взаимодействие процессора и ЭВМ в целом с окружающей средой — пользователями, объектами управления, другими системами. В список периферийных устройства входит большое количество аппаратуры, предназначенной для ввода информации в ЭВМ, пересылки данных, их хранения. Характерной особенностью внешних устройств является их независимость от ЦП. Они имеют собственное управление и функционируют по ко

Введение

     мандам последнего. Немало внешних устройств имеют прямой доступ к оперативной памяти компьютера.
   В специализированных управляющих ЭВМ (технологические процессы, связь, ракеты и пр.) внешними устройствами ввода являются датчики, сенсоры (температуры, давления, скорости, расстояния и пр.), устройствами вывода — манипуляторы, эффекторы (гидро-, пневмо-, сервоприводы рулей, вентилей и др.). В универсальных ЭВМ (человеко-машинная обработка информации) в качестве ВУ выступают терминалы, принтеры и др. устройства.
   Если ЦУ, а особенно ЦП, — «мозг» компьютера, то периферийные устройства — его «глаза и уши», а главное — «руки», подобно тому, как для человека «рука — учитель и слуга мозга»¹. Гуманитарно-информационный период развития информатизации, в котором мы сейчас живем, делает роль периферийных устройств неизбежно важнейшей.
   Вероятно, человечеству еще далеко до таких сюжетов, частенько появляющихся в романах-«ужастиках», как то:

   «Он сидел в рабочем вращающемся кресле на колесиках перед компьютером и был соединен с ним посредством двух кабелей в дюйм толщиной. Эти кабели, казалось, состояли из какого-то органического материала и светились как живые в янтарном свете экрана.
   Они тянулись от компьютерного блока, с которого была снята передняя панель, прямо в грудную клетку мужчины, под его ребра, они сливались с кожей. Они пульсировали.
   Руки ниже локтя, казалось, были полностью лишены плоти и кожи, от них остались только сверкающие золотом кости. Эти кости торчали из локтевого сустава подобно рычагам механического робота. Клеммы на концах костей плотно удерживали кабели»¹ ².

   Возблагодарим же Бога за то, что Он надоумил людей создать Периферийные Устройства ЭВМ, которые не только соединяю т человека и компьютер, ноиразделяют их!
   Настоящее учебное пособие посвящается данной проблематике.
   В первой главе представлены общие вопросы представления информации и ее обработки в ЭВМ, в том числе — кодирование

   ¹ Уэллс Г. Дж. Война миров. Избранные научно-фантастические произведения в трех томах. Том II. М.: Изд-во ЦК ВЛКСМ «Молодая гвардия», 1956.

   ² КунцД. Полночь. Роман. М.: Новости, 1993.

Введение

7

символьных, числовых, мультимедийных данных, типы и структуры данных, разновидности файлов и файловые системы, принципы передачи данных, основные классы и принципы построения периферийных устройств, а также программное обеспечение их функционирования.
   Во второй главе речь идет об основных представлениях архитектурных и структурных компонентов вычислительных машин, роли и месте внешних устройств. Рассмотрены базовые представления об архитектуре ЭВМ, организации интерфейсов. Значительное внимание уделяется интерфейсам ПК, в том числе внутренним интерфейсам (ISA, EISA, LPC, PCI, PCI-X, PCI Express, AGP, ГиперТранспорт), интерфейсам периферийных устройств (АТА, SCSI), внешним интерфейсам (последовательный порт, параллельный порт, MIDI, FireWire, USB, последовательный SCSI, eSATA, беспроводные — IrDA, Bluetooth).
   Третья глава посвящается важному тип внешних устройств — накопителям массивов информации (внешние ЗУ). Сюда входят — магнитные ленты, магнитные диски, сменные носители (НГМД, ZIP-накопители, супердискеты, сменные НЖМД, CD и др.). Значительное внимание уделяется такой перспективной технологии накопления информации, как DVD, во всем разнообразии их стандартов (DVD ROM, DVD RAM, DVD-R, DVD-RW, DVD+RW и пр.). Рассматриваются также альтернативные и перспективные носители (флэш, микродиски, накопители на CD и DVD повышенной вместимости и т. д.).
   В главе четыре описываются устройства массового ввода-вывода текстовой и графической информации — принтеры, сканеры, плоттеры и дигитайзеры. Рассматриваются принципы действия, конструкции, конкретные образцы изделий.
   Пятая глава посвящена рассмотрению интерактивных (ввод-вывод данных и управление ПК) и мультимедийных устройств, к которым относятся терминалы, клавиатуры, мониторы на основе ЭЛТ, плоскопанельные мониторы (жидкокристаллические, плазменные, и пр.), сенсорные мониторы и манипуляторы (мышь, трекбол). Описываются характеристики и конструкции интерфейсов мониторов — как аналоговые, так и цифровые. Значительное внимание уделяется вопросам обработки и представления мультимедийной информации, в том числе цифровое фото, цифровое видео, сжатие видеоинформации, видеокарты и их разновидности, обработка и передача аудиоинформации. Кроме

Введение

того, рассмотрены принципы и конструкции проекторов мультимедиа.
    Настоящее учебное пособие базируется на материалах, накопленных авторами в процессе практической, исследовательской, а также преподавательской (МИФИ, МИСИ, РГГУ, РЭА им. Г. В. Плеханова, МФПА) деятельности. Авторы выражают благодарность рецензентам, а также коллегам, принявшим участие в обсуждении материала: А. Г. Романенко (РГГУ), К. И. Курбакову (РЭА им. Г. В. Плеханова), а также студентам РГГУ, МФПА, РЭА им. Г. В. Плеханова за предоставленные иллюстративные материалы.

Глава 1




                ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВНЕШНИХ УСТРОЙСТВ ЭВМ









1.1. Информация, кодирование и обработка в ЭВМ

   Понятие «информация» является таким же фундаментальным, как понятия «материя», «энергия» и другие философские категории. Это атрибут, свойство сложных систем, связанное с их развитием и самоорганизацией [24, 25]. Известно большое количество различных определений информации, отличий информации от данных, знаний и пр. Мы ограничиваемся только рассмотрением некоторых практически важных понятий и определений.


Измерение количества информации

   Термин «информация» имеет корень «form» (форма), что разумно трактовать как «информирование — придание формы, вывод из состояния неопределенности, бесформенности», поэтому логично подходить к определению понятия «количество информации» исходя из того, что информацию, содержащуюся в сообщении, можно трактовать в смысле ее новизны или, иначе, уменьшения неопределенности знаний «приемника информации» об объекте.
   В качестве единицы информации Клод Шеннон предложил принять бит (от англ. bit — binary digit — двоичная цифра).

Глава 1. Основные принципы построения и функционирования...

    В вычислительной технике битом называют наименьшую «порцию» памяти компьютера, необходимую для хранения одного из двух знаков «0» или «1», используемых для машинного представления данных и команд.
    Поскольку бит — слишком малая единица измерения, на практике в основном применяется более крупная единица — байт, равная восьми битам. В частности, восемь бит требуется для того, чтобы закодировать любой из 256 символов распространенного кода ASCII (256 = 2⁸).
    Используются также более крупные производные единицы информации:
    • килобайт (Кбайт, KB) = 1024 байт = 2¹⁰ байт;
    • мегабайт (Мбайт, MB) = 1024 Кбайт = 2²⁰ байт « 10⁶ байт;
    • гигабайт (Гбайт, GB) = 1024 Мбайт = 2³⁰ байт « 10⁹ байт.
    В последнее время в связи с увеличением объемов обрабатываемой информации входят в употребление такие производные единицы, как:
    • терабайт (Тбайт, TB) = 1024 Гбайт = 2⁴⁰ байт « 10¹² байт;
    • петабайт (Пбайт, PB) = 1024 Тбайт = 2⁵⁰ байт « 10¹⁵ байт;
    • экзобайт = 10¹⁸ байт и пр.
    Это так называемые «десятичные» единицы. В качестве альтернативы IEC предложила в 1998 г. «двоичные» единицы: KiB (KibiByte) — 2¹⁰ = 1024 байт; MiB (MibiByte) = 1024 KiB; GiB (GibiByte) = 1024 MiB (MibiByte) и т. д.
    Для описания скорости передачи данных в качестве единицы измерения используется бод. Для двоичных сигналов обычно принимают, что 1 бод равен 1 биту в секунду, например 1200 бод = = 1200 бит/с. Однако единого мнения о правильности использования этого термина нет, особенно при высоких скоростях, где число бит в секунду не совпадает с числом бод.


Аналоговые и дискретные данные

    Исторически первой технологической формой получения, передачи, хранения информации являлось аналоговое (непрерывное) представление звукового, оптического, электрического или другого сигнала (сообщения). Магнитная аудио- и видеозапись, фотографирование, запись на шеллачные или виниловые грам