367

Николаев А.Б. Васьковский А.М.

Остроух А.В. Рогова О.Б.

Суркова Н.Е

Технические средства автоматизированных систем обработки информации и управления

Московский автомобильно-дорожный государственный

технический университет

(МАДИ)

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ обработки информации и УПРАВЛЕНИЯ

Рекомендовано

Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки

230100 Информатика и вычислительная техника

230200 Информационные системы

Москва 2010

УДК 004.382.7

ББК 32.973.26

Т382

Рецензенты:

Профессор кафедры автономные информационные и управляющие системы МГТУ им. Баумана, д-р техн. наук, проф. Л.В. Лабунец.

Заведующий кафедрой «Информатика», директор Института открытого образования Московского государственного университета печати, д-р техн. наук, доц. Д.И. Попов.

Технические средства автоматизированных систем обработки информации и управления: учебное пособие / А.Б. Николаев [и др.] - М.:ТЕХПОЛИГРАФЦЕНТР, 2010. - 345 с.

Учебное пособие может использоваться при подготовке студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 230100 «Информатика и вычислительная техника», 230200 «Информационные системы», а также в системе профессионального образования, в системе повышения квалификации, подготовке и переподготовке незанятого населения и на различных курсах краткосрочной подготовки. В пособии рассказывается об устройстве современного персонального компьютера и основных тенденциях его совершенствования и развития. Приведены конструктивные особенности, принцип действия, характеристики и эксплуатационные параметры основных элементов и узлов персонального компьютера (ПК) и его периферийного оборудования.

УДК 004.382.7

ББК 32.973.26

ISBN 5-7962-0076-3 (978-5-7962-0076-6)

© Коллектив авторов, 2010

Оглавление

Николаев А.Б. Васьковский А.М. 0

Остроух А.В. Рогова О.Б. 0

Суркова Н.Е 0

Московский автомобильно-дорожный государственный 1

Рекомендовано 1

Москва 2010 1

УДК 004.382.7 2

ББК 32.973.26 2

УДК 004.382.7 2

ББК 32.973.26 2

Оглавление 4

Введение 15

Благодаря учебному пособию Вы будете знать: 15

Благодаря учебному пособию Вы будете уметь: 16

1. Классификация и архитектура современных компьютеров 17

1.1. Краткая история развития вычислительной техники 17

1.1.1. Первые счетно-аналитические устройства 17

Рис. 1.1. Логарифмические линейки: круглая и прямоугольная 17

Рис. 1.2. Суммирующая машина Паскаля 18

Рис. 1.3. Механический калькулятор Лейбница 19

Рис.1.4. Одна из модификаций арифмометра Однера 20

Рис. 1.5. Один из узлов аналитической машины Бэббиджа 21

Рис. 1.6. Z3 — первая программно-управляемая вычислительная машина 22

Рис. 1.7. Вычислительная машина MARK-1 23

1.1.2. Поколения ЭВМ 24

Рис. 1.8. Первая ЭВМ ENIAC 25

Рис. 1.9. UNIVAC-1 – первая серийно-выпускаемая ЭВМ 27

Рис. 1.10. Малая электронная счётная машина (МЭСМ) 28

Рис. 1.11. АЦВМ М-1 и первая задача, решенная на ней 31

Рис. 1.14. System/360 фирмы IBM 38

Рис. 1.15. Первый персональный компьютер IBM 5100 40

Рис. 1.17. Рабочая станция Кронос 2.6 WS 46

1.2. Классификация компьютеров 54

Классификация по назначению: 54

Персональные компьютеры 57

Классификация по уровню специализации: 58

Рис. 1.19. Персональный компьютер 59

Классификация ПК по их размерам: 59

Рис. 1.20. Портативный компьютер (notebook) 60

Рис. 1.21. Карманный персональный компьютер 60

Классификация ПК по совместимости 60

1.3. Архитектура вычислительных систем 61

1.3.1. Архитектура фон Неймана 62

Рис. 1.22. Схематичное изображение машины фон Неймана 63

1.3.2. Архитектура системы команд и классификация процессоров (CISC и RISC) 67

1.4. Общие требования, предъявляемые к современным компьютерам 70

Отношение стоимость/производительность 70

Надежность и отказоустойчивость 71

Масштабируемость 72

Совместимость и мобильность программного обеспечения 73

1.5. Базовая конфигурация персонального компьютера 75

Рис. 1.23. Настольный компьютер Pelham Sloane PS1500 76

Рис. 1.24. Компьютер iMac 77

Контрольные вопросы и задания 77

2. Основные функциональные узлы и элементы системного блока персонального компьютера 79

2.1. Корпус персонального компьютера 79

Рис. 2.1. Корпус персонального компьютера со снятой крышкой 79

Рис. 2.2. Устройства для считывания с дискет и карт памяти 82

Рис. 2.3. Блок питания 83

2.2. Материнская плата 84

Рис. 2.4. Системная плата 85

Рис. 2.5. Разъем центрального процессора 88

Таблица 2.1 88

Соответствие сокетов и процессоров 88

Рис. 2.6. Северный и южный мосты чипсета 89

Рис. 2.7. Разъемы и мосты на системной плате 95

2.3. Центральный процессор 97

2.3.1. Параметры центрального процессора 97

Таблица 2.2. 102

2.3.2. Средства термозащиты процессоров 103

Рис. 2.9. Кулер 104

2.4. Память ПК 105

2.4.1. Принципы организации основной памяти в современных компьютерах 105

Память с расслоением 107

2.4.2. Оперативное запоминающее устройство 109

Рис. 2.10. Модули памяти 111

2.4.3. Постоянное запоминающее устройство 114

2.5. Видеокарта ПК 116

Рис. 2.11. Видеокарта 117

Таблица 2.3 118

Наиболее популярные типы графических процессоров 118

2.6. Устройства для записи и хранения информации 121

2.6.1. Накопители на жестких магнитных дисках 122

Рис. 2.12. Устройство жесткого диска 125

2.6.2. RAID-массивы 129

Рис. 2.13 Дисковый массив RAID 129

Рис. 2.14. Зеркалирование 131

Рис. 2.15. Дуплекс 132

Рис. 2.16. Чередование 133

Рис. 2.17. RAID-контроллер 134

Рис. 2.18. Matrix RAID 135

2.6.3. Оптические диски и накопители 135

Рис. 2.19. Устройство компакт-диска 137

Рис. 2.21. Оптический накопитель 142

2.6.4. Устройства для считывания карт флэш-памяти 145

Рис. 2.22. Носители на флэш-памяти 146

2.7. TV/FM-тюнеры 149

Рис. 2.16. TV/FM-тюнер 149

Контрольные вопросы и задания 150

3. Периферийные устройства 152

3.1 Компьютерные мониторы 152

3.1.1. Мониторы с электронно-лучевой трубкой 153

Рис. 3.1. ЭЛТ-монитор 153

Рис. 3.2. Электронно-лучевая трубка 154

Рис. 3.3. Типы решёток, способы замера шага на них 155

3.1.2. Жидкокристаллические (ЖК) мониторы 156

Рис. 3.4. Жидкокристаллический (ЖК) монитор 157

Рис. 3.5. Субпиксел цветного ЖК-дисплея 158

3.1.3. Основные характеристики мониторов 162

3.2. Клавиатура, мышь, планшет, игровые устройства 167

3.2.1. Современная многофункциональная клавиатура 167

Рис. 3.6. Многофункциональная клавиатура 168

Рис. 3.7. Дополнительный блок кнопок и джойстик 168

Рис. 3.8. Кнопки быстрого запуска приложений 169

Рис. 3.9. Кнопки навигации 169

3.2.2. Манипулятор «Мышь» 170

Рис. 3.9. Мышь с роликом и дополнительными кнопками 171

3.2.3. Беспроводные клавиатура и мышь 172

Рис. 3.12. Беспроводные клавиатура и мышь 174

3.2.4. Графический планшет 174

Рис. 3.13. Графический планшет 175

3.2.5. Игровые устройства 178

Рис. 3.14. Джойстик 178

Рис. 3.15. Компьютерный руль 179

3.3. Принтеры и плоттеры 179

3.3.1. Лазерные принтеры 179

Рис. 3.16. Цветной лазерный принтер и картриджи к нему 181

Рис. 3.17. Схема системы формирования изображения 181

3.3.2. Светодиодные прнтеры 184

Рис. 3.19. Схема печати на светодиодном принтере 186

3.3.3. Струйные принтеры 188

Рис. 3.20. Струйный принтер 188

Рис. 3.21. Картриджи с чернилами для струйных принтеров HP и Epson 189

Рис. 3.22. Форсунка 190

3.3.4. Плоттеры 192

Рис. 3.23. Струйный плоттер 192

Основные характеристики плоттеров 193

3.4. Сканеры 199

Цветной слайд-сканер с одним CCD 200

Цветной слайд-сканер с 3-мя CCD 201

Рис. 3.24. Цветной слайд-сканер с одним CCD 201

Рис. 3.25. Цветной слайд-сканер с тремя CCD 202

Сканер с CDD-массивом 203

Рис. 3.26. Сканер с CCD-массивом 203

Сканирующая головка на плоттере 203

Рис. 3.27. Сканирующая головка на плоттере 204

Планшетный сканер 204

Рис. 3.28. Планшетный сканер 205

Рулонный сканер 205

Рис. 3.30. Рулонный сканер 206

Проекционный сканер 207

Рис. 3.31. Проекционный сканер 207

3.5. Многофункциональные устройства 207

Рис. 3.32. Настольное многофункциональное устройство 208

3.6. Мультимедийное оборудование 209

3.6.1. Веб-камеры 209

3.6.2. Акустические системы 210

Рис. 3.34. Акустическая система 2.1 211

Контрольные вопросы и задания 212

4. Устройства, имеющие интерфейс для связи с персональным компьютером 213

4.1. Внешние накопители 213

4.1.1. Накопители на жестких магнитных дисках 213

Рис.4.1. Внешний накопитель на жестких дисках 213

4.1.2. Накопители для оптических дисков 214

Рис. 4.2. Внешний оптический привод 215

4.1.3. Накопители на флэш-памяти 215

Рис. 4.3. Флэш-накопитель 216

4.2. Цифровые фотоаппараты 216

Рис. 4.4. Цифровой фотоаппарат 216

4.3. Цифровые видеокамеры 217

4.3.1. Форматы записи видео в цифровых видеокамерах 218

Рис. 4.5. Цифровая видеокамера MiniDV 218

Рис. 4.6. Камера формата HDTV 219

Рис. 4.7. Цифровая видеокамера MicroMV 220

Рис. 4.8. Цифровая видеокамера DVD формата 221

Рис. 4.9. Камера формата HDD 222

4.3.2. Основные характеристики цифровых видеокамер 223

Тип стабилизатора 224

Рис. 4.10. Принцип действия электронного стабилизатора 225

Рис. 4.11. Принцип действия оптического стабилизатора 225

Количество пикселей у ПЗС (CCD) 226

Количество ПЗС 227

Тип развертки 227

Чувствительность 228

Размер матрицы 229

Карты памяти 229

Встроенные эффекты 230

Сопряжение с компьютером 230

4.4. MP3-плееры 230

Рис. 4.12. MP3-плеер 231

4.4.1. Формат MP3 231

4.4.2. Флэш – плееры 232

4.4.3. Плееры на базе жесктх дисков 234

4.5. Бытовые медицинские приборы 235

Рис 4.13. Глюкометр 235

Контрольные вопросы и задания 235

5. Источники бесперебойного питания 237

Рис. 5.1. Промышленные ИБП (UPS) 239

Рис. 5.3. ИБП с переключением 240

Контрольные вопросы и задания 242

6. Особенности портативных и карманных персональных компьютеров 243

6.1. Современные портативные компьютеры 243

6.1.1. Классификация современных ноутбуков 243

Бюджетные ноутбуки 243

Бизнес-ноутбуки 243

DTR-ноутбуки 244

Мультимедийные и игровые ноутбуки 245

Тонкие и легкие ноутбуки 246

Субноутбуки и нетбуки 247

Рис. 6.2. Нетбук ASUS EEE PC 1000HV 248

Планшетные ноутбуки 249

Рис. 6.3. Планшетный ноутбук 249

UMPC 250

Рис. 6.4. UMPC 251

6.1.2. Параметры ноутбуков 252

Экран ноутбука, матрица 252

Аккумуляторы (батареи) ноутбука 254

Процессор ноутбука 254

Материнская плата 255

Жесткий диск ноутбука 255

Оперативная память 256

Видеокарта ноутбука 256

Звуковая карта ноутбука 257

Клавиатура и устройство позиционирования ноутбука 257

Сетевая карта, модем, модуль Wi-Fi ноутбука 258

Порты ввода/вывода ноутбука 258

Вес, размер, корпус ноутбука 259

6.2. Карманные персональные компьютеры 259

6.3. Технология беспроводного доступа Bluetooth 264

6.3.1. Чип Bluetooth 265

Рис. 6.4. Чип Bluetooth 265

6.3.2. "Частотный конфликт" 266

6.3.3. Bluetooth-устройства 267

Рис. 6.5. Беспроводная гарнитура handsfree с коммуникатором Nokia 268

Рис. 6.6. Bluetooth USB Adapter и гарнитура для сотового телефона 269

6.3.4. Перспективы развития устройств Bluetooth 269

6.4. Коммуникаторы 270

Рис. 6.7. Современные коммуникаторы Apple iPhone 3G 271

Контрольные вопросы и задания 275

7. Особенности архитектуры компьютеров с RISC-процессорами 276

7.1. MIPS-архитектура 276

Рис. 7.1. MIPS-процессор и компьютер Silicon Graphics Fuel 277

7.2. Регистровые окна SPARC 279

Рис. 7.2. Процессор Ultra SPARC II и компьютер SUN 280

7.3. Условные инструкции ARM 281

Рис. 7.3. Процессор ARM 283

7.4. Архитектура PowerPC 284

Контрольные вопросы и задания 286

8. Вычислительные сети, их компоненты и оборудование 287

8.1. Компоненты и обеспечение вычислительных сетей 287

8.1.1. Основные компоненты 287

8.1.2. Рабочие станции 288

Рис. 8.1. Рабочие станции IBM IntelliStation PRO 289

8.1.3. Сетевые адаптеры 290

Рис. 8.2. Сетевой адаптер 290

8.1.4. Файловые серверы 291

Рис. 8.3. Серверы IBM Power Systems 291

8.1.5. Сетевые операционные системы 294

8.1.6. Сетевое программное обеспечение 294

8.1.7. Защита данных 295

8.1.8. Использование паролей и ограничение доступа 296

8.1.9. Типовой состав оборудования локальной сети 296

Рис. 8.4. Фрагмент вычислительной сети 297

8.2. Физическая среда передачи данных 297

8.2.1. Кабели связи, линии связи, каналы связи 298

8.2.2. Типы кабелей и структурированные кабельные системы 299

Рис. 8.6. Оптоволоконный кабель 301

8.2.3. Кабельные системы 303

8.2.4. Типы кабелей 303

Кабель типа «витая пара» (twisted pair) 303

Коаксиальные кабели 305

Оптоволоконный кабель 306

8.2.5. Кабельные системы Ethernet 307

10Base-T, 100Base-TX 307

Рис. 8.7. Разъемы RJ-45 307

Таблица 8.3 308

Характеристики кабеля 10Base2: 308

Характеристики кабеля 10Base5: 308

8.2.6. Беспроводные технологии 308

Радиосвязь 309

Связь в микроволновом диапазоне 309

Инфракрасная связь 309

8.3. Сетевое оборудование 310

8.3.1. Сетевые адаптеры или NIC (Network Interface Card) 310

Настройка сетевого адаптера и трансивера 310

Функции сетевых адаптеров 312

Базовый или физический адрес 314

Типы сетевых адаптеров 314

Наиболее известны следующие типы адаптеров: 315

8.3.2. Повторители и концентраторы 317

Рис. 8.8. Сетевой концентратор 318

Планирование сети с хабом 319

Преимущества концентратора 320

8.3.3. Мосты и коммутаторы 321

Рис. 8.10. Структура моста 322

Различие между мостом и коммутатором 322

Рис. 8.11. Соединение двух сетей при помощи двух каналов 323

Рис. 8.12. Структура коммутатора 325

Коммутатор локальной сети 326

Рис. 8.13. Схема подключения локальных сетей к коммутаторам 326

8.3.4. Маршрутизатор 326

Рис. 8.14. Структура маршрутизатора 327

Различие между маршрутизаторами и мостами 327

8.3.5. Шлюзы 328

Рис. 8.15. Структура шлюза 329

Контрольные вопросы и задания 330

9. Компьютеры будущего 331

9.1. Квантовые компьютеры 331

Рис. 9.1. Схематическая структура квантового компьютера 332

Рис. 9.2. 7-кубитовая молекула, созданная в фирме IBM 333

9.2. Оптические компьютеры 341

9.3. Биокомпьютеры 346

ДНК-компьютеры 346

Клеточные компьютеры 350

9.4. Молекулярные компьютеры 353

Контрольные вопросы и задания 363

Заключение 364

Список использованных источников 366