Заоч2012 ТСИ и Информат / ТСИ / лекции ТСИ / ЛЕКЦИЯ№3 Внешние устройства ЭВМ

Внешние устройства ЭВМ

Назначение и особенности устройств ввода-вывода ЭВМ

Устройства ввода – вывода (УВВ) обеспечивают взаимодействие ЭВМ с внешней средой (рис)

Подсистема УВВ имеет модульную структуру и включает в себя два обязательных компонента: группу модулей ввода – вывода(МВВ) и группу внешних(периферийных) устройства(ВнУ), объединенных интерфейсом ввода – вывода.

Модули ввода – вывода (МВВ) представляют собой сложную схему управления функциями обмена информацией между внешним устройством и системной магистралью(или шиной расширения) ЭВМ. (рис)

Модули ввода – вывода классифицируются по тому, как много они берут на себя функций по управлению ВнУ, снимая нагрузку с процессора:

• Процессоры ввода – вывода (каналы ввода – вывода) – это МВВ, которые берут на себя множество функций управления ВнУ, предоставляя процессору интерфейс высокого уровня. Чаще всего входят в состав больших и суперЭВМ.

• Контроллеры ввода – вывода (контроллеры внешних устройств) – более примитивные МВВ, которые перекладывают управление последовательностью этапов выполнения операций на процессор. Это типов компонент ПК и малых ЭВМ.

Внешние (периферийные) устройства подразделяются на три большие группы:

• ВнУ для непосредственной работы с пользователем:

- монитор(дисплей)

- принтер и плоттер

- клавиатура

- мышь

- сканер

- цифровой фотоаппарат

- цифровая видеокамера

- аудиосистема и микрофон

-игровой джойстик, игровой руль и т.д.

• ВнУ для работы с подключаемым к ЭВМ оборудованием:

- устройства внешней памяти

- датчики и исполнительные механизмы компьютеризированных систем управления

- электронные ключи для ограничения незаконного распространения программного обеспечения (пример: 1С)

- системы аутентификации для доступа к ЭВМ (пример: рутокен)

• Коммуникационные ВнУ, предназначены для взаимодействия с удаленными абонентами (пользователями или другими ЭВМ):

- адаптер локальной сети

- модем

- удаленный дисплейный терминал

Интерфейсы ввода-вывода, они объединяют МВВ и ВнУ, проектируются с учетом особенностей работы и конструкции ВнУ.

Интерфейс – это комплекс линий и шин, сигналов, электронных схем, алгоритмов и программ, предназначенный для осуществления обмена информацией.

Виды интерфейсов определяются в соответствии со следующими основаниями классификации:

• Способы передачи информации (параллельный, последовательный)

• Способы подключения внешних устройств (двухточечный, многоточечный)

Параллельный интерфейс ( LPT(IEEE1284) )обеспечивает одновременный(параллельный) обмен битами данных по нескольким линиям и используется высокоскоростными ВнУ ЭВМ, в том числе устройствами внешней памяти.

Последовательный интерфейс предполагает передачу данных по одной линии – один бит в единицу времени (USB, Ethernet, FireWire)

Двухточечное подключение предполагает выделение одной линии связи (канала, соединения и т.п.) одному устройству (последовательный синхронный интерфейс клавиатуры, интерфейс мыши, параллельный и последовательный интерфейсы принтера/плоттера и т.д.)

Многоточечный интерфейс внешних устройств позволяет подключать одновременно разнотипные устройства (устройства внешней памяти, сканер, принтер и т.п.). По сути, многоточечный интерфейс – это внешняя шина расширения системной магистрали ЭВМ. К таким интерфейсам можно отнести интерфейсы SCSI, FireWire, USB, IDE(ATA), SATA.

Обобщенная структура организации внешнего устройства.

Взаимодействие ЭВМ и внешней среды производится через внешние (периферийные) устройства. Обобщенная структура организации внешнего устройства на рис

Взаимодействие ВнУ с МВВ через интерфейс ввода-вывода предполагает наличие минимум трех видов сигналов:

• Сигналов данных – в форме, требуемой интерфейсом ввода-вывода( в сторону МВВ), или специфичной формы , требуемой внешней средой. Операцию преобразования формы сигналов выполняет подсистема преобразования данных ВнУ. Буфер (если он предусмотрен) используют для временного хранения данных;

• Управляющих сигналов от МВВ – определяют, какую функцию должно выполнить ВнУ на текущем этапе обмена данными и должны задавать текущее состояние ВнУ;

• Сигналов о состоянии ВнУ – позволяют модулю ввода-вывода и, в конечном счете МП своевременно реагировать на изменение текущего состояния ВнУ.

Краткая характеристика внешних устройств

Клавиатура – внешнее устройство для ввода в ЭВМ символьной информации.

Конструктивно в корпусе клавиатуры содержатся:

• Группы клавиш

• Датчики нажатия клавиш, применяются следующие типы датчиков: механические контакты, емкостные датчики, датчики на основе эффекта Холла

• Внутренний контроллер, осуществляющий сканирование матрицы клавиш, управление индикаторами, внутреннюю диагностику и взаимодействие через последовательный интерфейс с системной платой ЭВМ.

Существуют три основных типа клавиатур:

• Клавиатура XT – 83 клавиши

• Клавиатура AT – 84 клавиши

• Расширенная клавиатура – современный стандарт, имеет от 101-122 клавиш, содержащих кроме основных клавиши управления питанием, быстрого доступа к приложениям и т.д.

Конструктивные варианты клавиатур зависят от условий их применения (например, влаго и пылезащитные), размеров ЭВМ (портативное исполнение), дизайна, требование эргономики и вкусов пользователей.

Мышь, трекбол, тачпад (сенсорная панель), джойстик, геймпад, компьютерные руль и штурвал – оптико-механические манипуляторы-указатели, позволяющие вводить информацию в ЭВМ без использования клавиатуры.

Они передают в ЭВМ данные о нажатии своих клавиш, а также о своем местоположении и перемещении на координатной плоскости экрана.

Конструктивное исполнение обычной мыши предполагает наличие внутри корпуса мыши шарика, вращение которого позволяет определить координаты указателя. Трекбол представляет собой перевернутую мышь, шарик которого вращают рукой.

Оптическая мышь вместо шарика использует световой луч, по отражению которого определяется направление перемещения указателя мыши.

В зависимости от конструкции оптические мыши делятся:

• оптические светодиодные в них установлены специальный светодиод, который подсвечивает поверхность, по которой перемещается мышь и фотодатчик (фотодиод), он сканирует поверхность более тысячи раз в секунду, и передает эти данные процессору, который и делает выводы об изменении координат. Такие мыши не требуют специального коврика и способны работать на разных поверхностях. Недостаток: возможные сбои при одновременной работе с другими устройствами (например, с планшетами)

• оптические лазерные в них вместо светодиода для подсветки используется полупроводниковый лазер, то есть применяется поляризованный лазерный луч.

Лазерная мышь, по сравнению со своим предшественником, оптической мышью, имеет несколько преимуществ:

- Более точная;

- Не светится в темноте;

- Имеет меньшее энергопотребление (особенно важно для беспроводных мышек).

• индукционные мыши принцип их работы схож с дигитайзерами, используют специальную поверхность (коврик) внутри которой расположена сеть проводников (проводов).

Дигитайзер (графический планшет) - это устройство для ввода рисунков от руки непосредственно в компьютер. Состоит из пера и плоского планшета, чувствительного к нажатию или близости пера. Планшеты могут быть двух типов: электростатические и электромагнитные. В электростатических планшетах регистрируется локальное изменение электрического потенциала сетки под пером. В электромагнитных — перо излучает электромагнитные волны, а сетка служит приёмником.

• гироскопические мыши – позволяют работать не только на плоскости, но и в пространстве. Содержат гироскоп – устройство позволяющее измерять углы наклона и определять тем самым ориентацию мыши.

В зависимости от интерфейса мыши делятся:

• проводные, используют последовательный интерфейс RS-232 (с разъёмом DB25F и, позднее, DB9F) и PS/2

• беспроводные (FireWire (IEEE 1394), Bluetooth): сама мышь плюс приемник (порт на системной плате), передатчик подключается к ПК через USB.

Это: инфракрасная мышь и радиомышь, используют вместо проводного интерфейса соответственно инфракрасное излучение и радиосигналы.

Недостаток инфракрасной мыши: на работу могут влиять преграды между мышью и приемником.

Недостаток радио мыши: ограничен радиус действия.

[Инфракрасное излучение— электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1—2 мм).

Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:

коротковолновая область: λ=0,74—2,5 мкм;

средневолновая область: λ=2,5—50 мкм;

длинноволновая область: λ=50—2000 мкм;]

Тачпад (сенсорная панель) - специальное указательное устройство ввода. Применяются в ноутбуках, нетбуках, телефонах, терминалах, мониторах.

В ноутбуках, нетбуках она не прозрачная, во всех других устройствах панель прозрачная расположенная над самим монитором или экраном телефона, которая восприимчива к прикосновению с последующей возможностью точного определения его координат. Существует несколько основных технологий построения сенсорных панелей: резистивная, емкостная, инфракрасная.

Резистивная технология

Панель состоит из двух пластин, расположенных друг над другом. На одну из пластин нанесен слой проводящего резистивного материала в вертикальной, а на другой пластине - в горизонтальной ориентации, и от каждой пластины выведены по 2 электрода.

Обнаружение нажатия в резистивных панелях заключается в определении наличия контакта между двумя проводящими пластинами.

После того как нажатие зафиксировано, производится измерение координаты точки воздействия: сначала по горизонтали, затем - по вертикали. Само определение координат сводится к определению сопротивления в каждом из плеч получившегося «резисторного» делителя.

Даная технология использует простейшую математику для определения координат.

Резистивные панели легче, чем емкостные, хотя могут ослаблять яркость экрана, находящегося под ними, на 15%, а в отдельных случаях - и еще больше.

Недостатки:

• недолговечны

• требуют обязательной калибровки перед началом эксплуатации

Емкостная технология

Принцип работы панели на данном принципе действия основан на определении события нажатия посредством фиксирования изменения силы поля на углах емкостной пластины.

Слабый сигнал переменного тока подается на каждый угол пластины. Прикосновение любого проводящего материала к пластине будет вызывать утечку тока, что и фиксируется датчиками на тех же углах.

Слабым местом данной технологии является потребность в сложной математической обработке при определении координат прикосновения. Кроме того, экраны уже не воспринимают нажатие через перчатку.

Инфракрасная технология

Основа этой технологии сетка, сетка, сформированная горизонтальными и вертикальными инфракрасными лучами, она прерывается при касании к монитору любым предметом. Контроллер определяет место, в котором луч был прерван.

Джойстик – манипулятор для игровых программ, реагирующий на изменение наклона ручки и преобразующий это в программные команды. Существуют аналоговые и цифровые джойстики.

Геймпад, (игровой пульт) — тип игрового манипулятора. Представляет собой пульт, который удерживается двумя руками, для контроля его органов управления используются большие пальцы рук.

Монитор (дисплей) – внешнее устройство визуального вывода информации, составная часть видеосистемы ЭВМ наряду с видеоконтроллером и интерфейсом дисплея.

Мониторы можно классифицировать по ряду признаков:

По принципу формирования изображения на экране:

• электронно-лучевые - физический принцип формирования изображения заключается в бомбардировке потоком электронов поверхности электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), покрытой люминофором. Люминофор - это вещество, способное преобразовывать поглощаемую им энергию в световое излучение (люминесцировать). Люминофор под воздействием потока электронов светиться очень короткое время, после чего свечение необходимо регенерировать. Минимальная единица отображения информации – пиксел – состоит из трех крупиц люминофорного вещества базовых цветов (красного, синего и зеленого), композиция которых воспринимается человеческим глазом дает одну точку требуемого программе ЭВМ цвета. Один кадр изображения формируется последовательным построчным прохождением лучом электронов всей поверхности ЭЛТ с заданной частотой. Чтобы глаз человека в силу своей инерционности восприятия не ощущал мерцания изображения, необходимо регенерировать кадры с частотой не ниже 40-60Гц.

• жидкокристаллические (ЖК) - физический принцип формирования изображения основан на изменении оптической поляризации отраженного или проходящего света под воздействием электрического поля. Для формирования изображения собирается матрица ячеек, каждая из которых находиться на пересечении вертикальных и горизонтальных координатных проводников, управление которыми осуществляется либо напрямую полем самих проводников (пассивные матрицы), либо транзистором (активные матрицы). Для повышения качества отображаемого изображения в ЖК-панелях применяют заднюю или боковую подсветку от дополнительного источника освещения. Ячейка цветной ЖК-панели, как и в ЭЛТ, состоит из трех ЖК-элементов, каждый из которых снабжен светофильтром одного из базисных цветов.

• газоплазменные - физический принцип формирования изображения основан на свечении газа под действием электрического поля. Каждая ячейка представляет собой подобие неоновой лампочки, при подаче напряжения в ней возникают ионизация и свечение газа. Цветной пиксел образуется наличием трех элементов свечения, покрытых на торце элемента люминофором одного из базисных цветов. Такие мониторы выдерживают особые условия эксплуатации – высокую вибрацию и низкую температуру.

• на светодиодных матрицах (LED - Light-emitting diode и OLED - Organic Light-Emitting Diode). OLED используется для создания мониторов и экранов мобильных телефонов.

Светодиод - полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников.

Достоинства OLED:

• малые вес и габариты

• низкое энергопотребление

• высокая яркость, и контрастность

• быстрый отклик

• большой диапазон рабочих температур

• большие углы обзора без потери качества изображения

Недостатки:

- дороговизна производства больших матриц

- малый срок службы полупроводников синего цвета

• другие типы мониторов: электролюминисцентные (LE), дисплеи с эмиссией полем (FED), на светящихся полимерных полупроводниках (LEP), трехмерные дисплеи и др.

По длительности хранения информации на экране:

• генерируемые – время свечения точки невелико, поэтому для поддержания постоянной яркости необходимо перерисовывать (регенерировать) изображение. Регенерация точки не зависит от статичности или динамичности картинки, для нормального восприятия глазом человека частота перерисовки составляет не меньше 75 раз в сек.

• запоминающие – на таких мониторах статическое изображение формируется один раз, держится долгое время и стирается подачей специального стирающего напряжения

По цветности:

• монохромные – такие мониторы выводят изображение в оттенках одного цвета и могут быть черно-белыми, черно-зелеными или черно-желтыми

• цветные – позволяют вывести на экран 2N цветов, где N – количество бит на один пиксел. Цветовые режимы имеют свои названия, например режим High Color определяет 15 или 16 бит на пиксел (32768 и 65536 цветов соответственно), режим True Color – 24 или 32 бита на пиксел (более 16 миллионов цветов). Так как один пиксел изображения формируется композицией трех базовых R:G:B, то N для режима High Color делится как 5:5:5 (по 5 бит на цвет), для режима True Color -8:8:8.

По эргономическим характеристикам, влияющим на работоспособность пользователя (комфорт, удобство работы, наличие вредных для здоровья излучений (для ЭЛТ) и т.п.). Такие характеристики указываются в паспорте монитора. Наиболее часто используемые характеристики:

• диагональ

• четкость и контрастность

• наличие антибликового покрытия

• наличие антистатического покрытия

• наличие защиты от радиации (если это ЭЛТ монитор)

• наличие возможности работать в энергосберегающем режиме

Существуют стандарты, обеспечивающие выполнение экологических и эргономических требований, например группа стандартов ТСО, последние из них ТСО 06, ТСО 07, ТСО 5.0, ТСО 5.1

Основные параметры мониторов:

• цветность – монохромные или цветные;

• размер диагонали экрана – это видимая пользователю область экрана, принято измерять в дюймах

• размер зерна экрана – эта величина указывает размер минимальной единицы свечения – пиксела – в миллиметрах и составляет у современных мониторов 0,2 и 0,18 мм

• допустимая частота развертки – минимальная частота регенерации, рекомендуемая – 100МГц

• полоса пропускания видео – обеспечивает требуемую разрешающую способность монитора. Например, при разрешении 1280 х 1024 пикселов и частоте кадров 75МГц полоса пропускания видеотракта должна составлять не меньше 125МГц. При недостаточной полосе пропускания на экране могут отсутствовать мелкие детали( точки или вертикальные линии толщиной в 1 пиксел)

Проектор - световой прибор, позволяющий при помощи источника света проецировать изображения объектов на поверхность, расположенную вне прибора (экран), бывают оптико-механическими или оптическо-цифровыми.

Проекторы бывают:

• аналоговые – это ЭЛТ-проектор, и Проектор с модуляцией света

• цифровые – это проекторы выполненные по технологиям LCD, DLP, LCOS

Принтер – внешнее устройство ЭВМ, предназначенное для вывода (печати) текста или изображения на бумагу или пленку.

Плоттер (графопостроитель) – внешнее устройство ЭВМ, предназначенное для вывода (вычерчивания) изображения на бумагу или пленку.

Классификация принтеров:

По способу печати:

• символьные (буквопечатающие) – принтеры такого типа позволяют печатать строки текста из символов (в том числе букв) заданного набора. Недостаток: вывод графического изображения низкого качества. Достоинство: быстрота и относительное качество печати текста

• графические (знакосинтезирующие) – вывод информации осуществляется отдельными точками, из которых образуются символы и изображение. Количество точек на дюйм (dpi – Dots Per Inch) определяет разрешающую способность принтера. Для получения фотографического качества изображения требуется разрешение принтера не менее 720 dpi.

По способу нанесения красителя:

• принтеры ударного действия – игольчатые принтеры, которые формируют изображение путем удара иголок по бумаге через красящую ленту. Каждая иголка является металлическим стержнем маленького электромагнита, при подаче напряжения на который происходит ее выброс. Иголки собраны в матрицу в один или несколько рядов на печатающей головке, из-за чего такие принтеры называют матричными. Максимальное разрешение 360 х 360 dpi. Существуют цветные матричные принтеры, использующие многоцветную красящую ленту.

• Принтеры безударного действия: термические, струйные, лазерные.

- термические – физический принцип основан на изменении цвета нагретой маленькой области (точки, нагрев которой обеспечивает печатающая головка) специальной термочувствительной бумаги.

- струйные - физический принцип основан на выбросе маленькой капли чернил (объемом несколько пиколитров:10^-12) из сопла печатающей головки в заданную точку бумаги.

Существует несколько технологических способов выброса чернил – пьезоэлектрический, метод газовых пузырей, метод drop – on – demand.

Реализация цветной печати достигается применением цветных картриджей.

- лазерные - физический принцип основан на прилипании тонера (мелкодисперсного порошка) к светочувствительной, электростатически заряженной поверхности специального прокатывающего барабана в тех местах, где их разрядил луч лазера. Далее по барабану прокатывается лист бумаги, на который переходят частички тонера, после чего бумага подвергается нагревания, вследствие чего порошок расплавляется, проникает в поры бумаги и застывает. Лазерные принтеры обеспечивают наилучшее качество.

Плоттеры являются координатными печатающими устройствами. Изображение формируется из графических примитивов: отрезков прямых, точек, дуг, эллипса и прямоугольника. Буквы текста интерпретируются управляющим устройством плоттера как набор примитивов. Размер печатающей поверхности плоттера достигает формата А0. Существует два типа печатающих плоттеров: планшетные и рулонные.

Планшетные плоттеры имеют передвигающуюся над листом бумаги печатающую либо чернилами (струйный тип) либо пишущую пером (фломастер, шариковой ручкой и т.д.) головку. Позиционирование головки осуществляется специальным микроконтроллером и достигается точности в сотые доли миллиметра.

В рулонных плоттерах бумага либо намотана и подается со специального барабана или бумага в форматах до А1 или А0 устанавливается в зажимные приспособления плоттера, Пишущая головка передвигается только вдоль оси барабана. Для обеспечения точности позиционирования применяется дорогостоящая механика. Обычно такие плоттеры струйного типа, так же они имеют большую внутреннюю память.

Режущий плоттер отличается тем, что взамен пишущего узла установлен резак, который позволяет вырезать на самоклеющейся пленке векторные изображения, буквы и т.д., из которых изготавливается наружная реклама (штендеры, растяжки и прочее).

Сканер (оптический считыватель) – внешнее устройство ЭВМ для ввода плоского изображения. В основе широко распространенных типов сканеров используются так называемые приборы с зарядовой связью (ПЗС), позволяющие преобразовать падающий на них свет в электрический заряд и в последующем в цифровой код с помощью цифроаналоговых преобразователей. Величина заряда пропорциональна интенсивности света. Приборы ПЗС, размещенные в линию, позволяют считать одну строку изображения, освещенного яркой люминесцентной лампой. Затем считывается следующая строка и т.д.

Цифровой код представляет собой растровое изображение, каждая точка которого – это код определенного цвета. Разрядность кода определяет глубину цветопередачи и, в конечном счете, качество картинки. При необходимости преобразования отсканированного текста в символы применяют различные аппаратно-программные средства, основанные на методе сравнения с эталонами, методе зондов и применении искусственной нейронной сети (перцептрон).

Цифровые фотоаппараты и видеокамеры, а также слайдовые сканеры имеют прямоугольную матрицу ПЗС, позволяющую получить цифровой код изображения целиком, а не построчно.

К другим типам сканеров относятся:

• оптические считыватели со спиральной барабанной разверткой;

• оптические считыватели методом «бегущего луча»;

• оптические считыватели «слежение за контуром».

Основные функции и структура модулей ввода-вывода.

Функции, которые выполняет МВВ, объединены в следующие группы:

• управление и синхронизация – это функции координации потоков данных между ВнУ и внутренними ресурсами ЭВМ;

• взаимодействие с процессором – функции расшифровки команд процессора, передачи данных, передачи процессору информации о текущем состоянии ВнУ, распознавания адресов подключенных к МВВ внешних устройств;

• взаимодействие с ВнУ – функции по передаче команд, обмену данными, приему информации о текущем состоянии ВнУ;

• временная (тактовая) буферизация данных – функции временного хранения данных во внутреннем буфере МВВ при работе с низкоскоростными внешними устройствами;

• обнаружение ошибок и сбоев – функции по обнаружению ошибок и сбоев, возникающих в процессе работы МВВ, и передаче соответствующей информации процессору.

Обобщенная структурная схема МВВ:

МВВ взаимодействует с другими компонентами ЭВМ через системную магистраль ЭВМ. Данные, передаваемые в обе стороны через МВВ, временно сохраняются в одном или нескольких регистрах данных. В регистрах состояния хранится информация о текущем состоянии подключенных ВнУ. Регистры состояния могут работать и в режиме регистров управления при записи в них информации, конкретизирующей передаваемые процессором команды. Логические блоки (подсистемы) в составе МВВ обмениваются с процессором сигналами (каналами) по шине управления системной магистрали. Для взаимодействия со внешними устройствами в состав МВВ включаются логические блоки, специфичные для определенного типа ВнУ. Такие блоки предназначены для распознавания и формирования кодов адресов, ассоциированных с подключенными к нему ВнУ.