5. Периферийные устройства эвм
5.1. Устройства ввода информации
5.1.1. Низкоскоростные устройства ввода информации
Сюда можно отнести клавиатуру, обеспечивающую ввод символьной информации и манипуляторы, предназначенные для интерактивного взаимодействия с ЭВМ. Кроме ввода символьной информации, клавиатура обеспечивает возможность управления компьютером.
Клавиатура выполнена, как правило, в виде отдельного устройства, подключаемого к компьютеру через стандартный последовательный интерфейс (на сегодня это PS/2 или USB – проводные интерфейсы и IrDA, Bluetooth и Wi-Fi – беспроводные интерфейсы). Малогабаритные компьютеры используют встроенную в их корпус клавиатуру. Современная типовая клавиатура состоит из 104-х расположенных в едином корпусе клавиш. Традиционно все имеющиеся на компьютере клавиши делят на две группы: - Буквенно-цифровые, предназначенные для ввода информации.
Нажатие каждой из этих клавиш генерирует команду вывода на экран образбуквы или цифры. Назначение этих клавиш является постоянным и не меняется - в независимости от активизируемых на компьютере программ. Буквенные клавиши могут использоваться как в режиме латинских, так и русских букв. Схема их расположения (раскладка) соответствует той, которая используется в традиционных пишущих машинках. Особой является группа цифровых клавиш в правой части клавиатуры: она может работать в буквенно-цифровом режиме. - Функциональные клавиши предназначены для управления компьютером. Для разных программ клавиши могут соответствовать различным операциям. Однако, среди функциональных клавиш есть такие, которые выполняют одинаковые функции в любой программе. - F1 - клавиша ”помощь”. При её нажатии на экран во время работы практически любой программы будет выведен краткий справочник по ее основным функциям; - Enter - ввод - нажатие этой клавиши дает указание ”выполнить” какую-либо из выбранных вами команд. В режиме набора текста - переход на следующий абзац, аналогичный ”переводу каретки” на пишущей машинке. - Esc - (от Escape - отменить) - прекратить выполнение операции; - Caps Lock - включить режим большой буквы. При нажатой клавише, весь печатаемый текст будет набираться прописными буквами; - Shift - при работе в текстовом режиме нажатие этой клавиши одновременно с буквенной выдаст большую, прописную букву; - Page Up - ”перелистывание” изображения вверх; - Page Down - ”перелистывание” изображения вниз; - Delete - клавиша удаления выделенного текста; - Insert - команда обратная Delete (клавиша вставки и создания); - Home - переход в начало экрана; - End - переход в конец экрана. Большинство современных клавиатур снабжены тремя специальными кнопками, предназначенными для работы в операционной системе (например, Windows), расположенными в нижней части клавиатуры, рядом с кнопками Ctrl и Alt. - Дополнительные клавиши. Эти клавиши можно условно разделить на три группы: 1. Клавиши управления питанием (включение /выключение ПК (Power) и перевод компьютера в ”спящий” режим (Sleep)). 2. Клавиши для управления программами Internet (открыть браузер, запустить программу электронной почты и т. д.). 3. Мультимедиа - клавиши (запуск воспроизведения компакт - диска, клавиши перехода между файлами, управление громкостью и т.д.).
Клавиатура выполнена в виде двумерной матрицы ключей, замыкаемых при нажатии соответствующих клавиш, а также схемы управления для формирования кода при замыкании ключа, исключения неоднозначности кодирования и выполнения других управляющих функций. Эти функции выполняет периферийный процессор или контроллер клавиатуры (далее просто контроллер). Все горизонтальные линии матрицы подключены через резисторы к источнику питания +5 В. Контроллер имеет два порта - выходной и входной. Входной порт подключен к горизонтальным линиям матрицы (X), а выходной - к вертикальным (Y).
Устанавливая по очереди на каждой из вертикальных линий уровень напряжения, соответствующий логическому ”0”, контроллер опрашивает состояние горизонтальных линий. Если ни одна клавиша не нажата, уровень напряжения на всех горизонтальных линиях соответствует логической ”1”
Если пользователь нажимает на клавишу, то соответствующая вертикальная и горизонтальная линии окажутся замкнутыми. Когда на этой вертикальной линии контроллер установит значение логического ”0”, то уровень напряжения на горизонтальной линии также будет соответствовать логическому ”0”. Как только на одной из горизонтальных линий появится уровень логического ”0”, контроллер фиксирует нажатие на клавишу. Он посылает в центральный компьютер запрос на прерывание и номер клавиши в матрице. Аналогичные действия выполняются и тогда, когда пользователь отпускает нажатую ранее клавишу. Номер клавиши, посылаемый контроллером, однозначно связан с топологией клавиатурной матрицы и не зависит напрямую от обозначений, нанесенных на поверхность клавиш. Этот номер называется скэн-кодом (Scan Code). Заметим, что даже если названия клавиш на клавиатуре и совпадают, например клавиши Shift слева и справа, то их скэн-код различен, и это разные клавиши.
Программа оперирует с ASCII-кодом. Этот код не зависит однозначно от скан-кода, т.к. одной и той же клавише могут соответствовать несколько значений ASCII-кода. Это зависит от состояния других клавиш. Например, клавиша с обозначением ”1” используется еще и для ввода символа ”!” (если она нажата вместе с клавишей SHIFT). Поэтому все преобразования скэн-кода в ASCII-код выполняются программно. Как правило, эти преобразования выполняют модули BIOS. Для использования символов кириллицы эти модули расширяются клавиатурными драйверами.
Если нажать на клавишу и не отпускать ее, клавиатура перейдет в режим автоповтора. В этом режиме в центральный компьютер автоматически через некоторый период времени, называемый периодом автоповтора, посылается код нажатой клавиши. Режим автоповтора облегчает ввод с клавиатуры большого количества одинаковых символов.
Следует отметить, что клавиатура содержит внутренний 16-байтовый буфер, через который она осуществляет обмен данными с компьютером.
Клавиатура компьютера работает под управлением программ, которые определяют, какую информацию получает компьютер в результате нажатия клавиш. Процесс обработки нажатой клавиши и отображения образа символа на экран на рис 5.1[12].
Рис. 5.1 Взаимодействие периферийных компонентов для отображения символа
После нажатия клавиши, контроллер клавиатуры посылает процессору сигнал прерывания и заставляет процессор приостановить свою работу и переключиться на программу обработки прерывания клавиатуры. При этом клавиатура в своей собственной специальной памяти запоминает, какая клавиша была нажата (обычно в памяти клавиатуры может храниться до 20 кодов нажатых клавиш, если процессор не успевает ответить на прерывание). После передачи кода нажатой клавиши процессору эта информация из памяти клавиатуры исчезает. Кроме нажатия клавиатура отмечает также и отпускание каждой клавиши, посылая процессору свой сигнал прерывания с соответствующим кодом. Таким образом, компьютер ”знает”, держат клавишу или она уже отпущена. Это свойство используется при переходах на другой регистр, например при написании заглавных букв. Кроме того, если клавиша нажата дольше определенного времени, т.н. ”порог повтора” - обычно около половины секунды, то клавиатура генерирует повторные коды нажатия этой клавиши.
Сегодня функции клавиатуры сводятся, в основном, к вводу текста и цифр. А все функции по управлению выполняет манипулятор ”мышь”.
Класс манипуляторов очень широк и его изучение выходит за рамки нашего курса. Как пример манипулятора можно привести устройство ввода, называемое ”мышь”. Это оптомеханическое устройство (”мышь” с шариком или трекбол – перевернутая ”мышь” с увеличенным шариком). Достоинства: отточенность технологии, дешевизна конечного продукта. Функционируют эти устройства таким способом: при перемещении резиновый шарик начинает вращаться. Внутри устройства он соприкасается с двумя валиками, на концах которых находятся диски с множеством отверстий. Они установлены между светодиодом и светоприемником. Таким образом, при вращении диска на приемник попадает мигающий луч, преобразующийся в последовательность электрических импульсов, сообщая контроллеру устройства о перемещении по горизонтали и/или вертикали. Эту информацию контроллер передает в компьютер, и мы видим на экране монитора перемещение курсора. К недостаткам относится то, что механические детали изнашиваются, и ”мышь” надо периодически чистить. На сегодняшний день широко распространен манипулятор ”оптическая мышь” (рис. 5.2).
Рис.5.2. Схема манипулятора оптическая "мышь"
специальная камера сканирует поверхность, по которой двигается ”мышь” (поверхность подсвечивается специальным красным светодиодом), сенсор считывает полученную информацию и передает контроллеру в составе которого имеется цифровой сигнальный процессор (DSP), который по исходным данным определяет изменение рисунка и высчитывает скорость и направление движения ”мыши”. При этом за счет большой частоты сканирования (более тысячи раз в секунду) достигается высокая точность. Обычно параметры точности приводятся в DPI (Dot Per Inch) - количестве различаемых точек на дюйм изображения. Для обычных серийных изделий этот параметр составляет 400 DPI. Модель Mouse Man Dual Optical считается одной из лучших представительниц оптического семейства на данное время. В этой модели заложены два оптических датчика, расположенных под углом в 45 градусов, что позволяет увеличить скорость и точность отслеживания перемещения в 2 раза: скорость считывания информации с каждого сенсора составляет 1500 раз в секунду, а DSP контроллера ”мыши” обрабатывает эти данные в реальном времени [28 ].
Разновидностью устройства ввода, использующего оптический принцип формирования изображения двумерного источника перемещения является манипулятор для портативных GPU ”блокнотных” компьютеров. Это ”перевернутая” оптическая ”мышь”, где ”ковриком ” является палец, который определяет направление перемещения курсора.