Глава 4

СРЕДСТВА ИНТЕРАКТИВНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

(ВВОД-ВЫВОД ДАННЫХ И УПРАВЛЕНИЕ

КОМПЬЮТЕРОМ)

Понятие интерфейс (interface) в общем виде может быть опреде­лено как граница, находящаяся между взаимодействующими объек­тами и отвечающая требованиям соответствующих стандартов. Он устанавливает параметры, процедуры и характеристики взаимодей­ствия между конкретными партнерами. Последними могут быть пользователи, сети, системы, устройства, программы и т. д.

Интерфейс «человек-компьютер» («человек-ЭВМ», «чело­век-машина») является интерфейсом пользователя. Основная задача интерфейса - обеспечение максимального удобства при работе с прикладными процессами, выполняющими обработку данных для пользователя. Основными его свойствами являются наглядность и конкретность.

В настоящей главе мы предполагаем рассмотреть основные технические средства интерактивного интерфейса «человек-маши­на» - терминалы (монитор-клавиатура) и указывающие устройства (мышь, трекбол и пр.).

1. Терминалы. Клавиатуры

Понятие терминала (DTE - оконечное оборудование данных) в соответствии с телекоммуникационными стандартами относится к сочетанию устройств ввода и вывода информации (например, ска­нер и принтер и т. п.), однако чаще всего под терминалом понима­ется оконечное устройство ЭВМ, предназначенное для диалога «че­ловек-машина». Известны также более специализированные уст­ройства - банкоматы, кассовые аппараты со сканерами штрих-кода и т. д.

Механические терминалы

Первоначально в ЭВМ в качестве терминалов использовались механические устройства, заимствованные из смежных технологий (связь и оргтехника) - телетайпы (типа ТА-67), телеграфные аппа­раты (СТА-2М), электрические пишущие машинки (ПМ типа CONSUL). Это был довольно длительный период, в течение кото­рого сложились определенные стандарты, приемы работы оператора и протоколы ввода/вывода и интерпретации данных. Строка инфор­мации, вводимая оператором, являлась, как правило, командой, тре­бующей выполнения определенных действий от ЭВМ (ОС). Конеч­ная ширина листа (или бумажной ленты) ПМ (80 знаков) ограничи­вала длину возможных команд. Признаком окончания ввода команды являлось нажатие клавиши <BK> (возврат каретки, она же <CR> - <Carriage Return>, <Return>, <Enter> и пр.). Реакция системы (ответ на запрос, сообщение об ошибке, небольшая порция выходных данных) также выводилась строками по 80 символов, об­разуя вместе с копиями команд протокол диалогового сеанса (или журнал - log) в бумажной форме.

В ранних версиях операционной системы OS/360 и других сис­тем того времени единственный механический терминал устанавли­вался в машинном зале и предназначался для оператора ЭВМ. Это устройство получило название консоль (console).

Появление в начале 70-х гг. электронных терминалов, специ­ально разработанных для использования с ЭВМ, привело к настоя­щему перевороту в применении машин, существенно приблизив все типы пользователей к вычислительному процессу, облегчив раз­работку и отладку программ, а также эксплуатацию автоматизиро­ванных систем.

Электронные терминалы

Физически электронный или видеотерминал - CRT-device (Catode Ray Tube - устройство с электронно-лучевой трубкой), VDU (Video Display Unit - устройство отображения информации), первоначально получивший в отечественной практике наименова­ние дисплей (рис. 4.1), представляет собой клавиатуру (keyboard), со­пряженную с экранным устройством (screen). Ранние модели видеотерминалов (ВТ) не были избавлены от наследия ПМ - состав кла­виатуры, построчный ввод и исправление ошибок, прокручивание экрана наподобие бумажной ленты (scrolling) и, самое главное, сим­вольный (алфавитно-цифровой) характер выводимой информации, хотя, как это хорошо известно из опыта телевидения, никаких тех­нических ограничений экран (в отличие от каретки ПМ) не вносит. Более совершенные ВТ, разработанные в 80-е гг. (IBM 3270, VT-100), во многом определили современное состояние устройств:

• появились возможности прямого доступа к информации на экране (для ввода и корректировки);

• на клавиатуре добавились функциональные клавиши, реакция на которые определялась программой, работающей с ВТ;

• клавиши редактирования - <Del>, <Ins>;

• клавиши управления курсором (для выбора места на экране);

• управляющая клавиша <Control> (<Ctrl>), модифицирующая вводимый код, при одновременном нажатии с символьной клавишей и т. п.

Однако это все еще были алфавитно-цифровые устройства, отображающие на экране массив символьной информации размером в 80 столбцов на 17 строк (т. е. до 1600 символов).

Типовая конфигурация машины (до появления ПЭВМ) включа­ла в себя 8 (или 16, или 32) терминалов пользователя, размещенных в специальных помещениях (дисплейные классы) и одну или более дисплей-консоль (терминал оператора), размещенную поближе к мес­ту основных событий (в машинном зале).

Клавиатура терминала. Устройство для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов (клавиатура терминала) содержит стандартный набор клавиш пишущей машинки и некоторые дополнительные клавиши - управляющие и функциональные клавиши, клавиши управления курсором и малую цифровую кла­виатуру (рис. 4.2).

Известны следующие основные типы клавиатур:

• 101-клавишная расширенная клавиатура (рис. 4.3);

• 104-клавишная расширенная клавиатура Windows (рис. 4.4).

Все символы, набираемые на клавиатуре, немедленно отобража­ются на мониторе в позиции курсора (курсор - светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет ото­бражаться следующий вводимый с клавиатуры знак).

Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер (местное устройство управления), который выполняет следующие функции:

• последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши;

• управляет световыми индикаторами клавиатуры;

• проводит внутреннюю диагностику неисправностей;

• осуществляет взаимодействие с центральным процессором че­рез порт ввода-вывода клавиатуры.

Рассмотрим подробнее клавиатуру и экран консоли. Клавиатура (см. рис. 4.3) включает следующие области (заметим, что ряд облас­тей или отдельных клавиш продублирован).

1. Символьная область. Здесь находятся клавиши, являющиеся основными для ПМ и механических терминалов, - строка цифро­вых клавиш, три строки буквенных клавиш, пробел (<Space bar>). Необходимость совместного использования символов латиницы (A-Z) и кириллицы (А-Я) создает проблему размещения символов по клавишам. Как известно, месторасположение символов отражает их частоту и совместную встречаемость в словах соответствующего языка, в связи с этим отечественные клавиатуры в первой символь­ной строке содержат буквы ЙЦУКЕН, англо-американскому стандарту соответствует строка QWERTY, континентально-европейский стан­дарт - AZERTY.

Первые отечественные терминалы использовали в качестве ос­новы размещение ЙЦУКЕН, привязывая к символам кириллицы соответствующую им по правилам транслитерации латиницу: Й/J, Ц/C, У/U, К/K, Е/E, Н/N и т. п. На консоли ПЭВМ поддерживаются два стандарта и размещение символов имеет вид Q/Й, W/Ц, E/У, R/К, T/Е, Y/Н, что обычно вводит в транс начинающего пользователя.

2. Функциональная клавиатура (ФК), сохранившаяся как знак преемственности со старыми терминалами, хотя принципы обмена информацией консоль-ЭВМ здесь таковы, что необходимость в ней отсутствует (вся клавиатура является программно-управляемой). Сложились определенные стандарты де-факто применения ФК, например <F1> - HELP (Помощь, подсказка), <F10-F12> - QUIT (Завершение работы программы) и т. п.

3. Клавиши редактирования - <Ins> - включение/выключение режима вставки символов, <Del> - удаление символа.

4. Управляющие клавиши (изменяют значение нажимаемого одновременно с ними символа):

<Shift> - переключение регистров, имеется также на любой ПМ.

В буквенной области <Shift> переключает строчные символы на заглавные, в цифровой области - цифры на служебные символы (@ # $ % ^{^} и т. п.);

<CapsLock> - фиксация верхнего регистра, в отличие от ПМ, действует только на буквенные клавиши;

<Ctrl> - появился впервые на VT100. Позволяет ввести коды, которым не соответствуют какие-либо обычные символы. Напри­мер, <Ctrl + Z> вводит символ EOF - конец файла;

<Alt> - появляется на ANSI-терминале. Расширяет возможно­сти <Ctrl>. Например, <Alt+2+1+9> вводит  - символ псевдогра­фики.

5. <Enter> - ввод. Является символом окончания строки, соот­ветствует клавише <BK> механического терминала, клавиша продуб­лирована.

6. Малая цифровая клавиатура используется в двух режимах - ввода чисел и управления курсором. Клавиши управления курсором: <> - Стрелка влево; <> - Стрелка вправо; <> - Стрелка вверх; <> - Стрелка вниз; <Home> - Начало; <End> - Конец; <PgUp> - Страница назад; <PgDn> - Страница вперед. Клавиши продублированы. Основная зона расположена на правом краю кла­виатуры и совмещена со второй цифровой клавиатурой (основная размешена в символьной области).

Переключение регистров на этой клавиатуре (цифры или управ­ление курсором) осуществляется клавишей <NumLock> - Зафиксировать цифровой режим. Дубль клавишей управления курсором на­ходится левее, перед символьной областью.

7. Клавиша <Escape> (Выйти) впервые появляется на VT100 и реализует выход из текущей программы. Обычно также программи­руется и на ПЭВМ.

С появлением Windows 95 была создана модифицированная вер­сия 101-клавишной клавиатуры, получившая название 104-клавишной расширенной клавиатуры Windows.

Существует несколько вариантов расширенной клавиатуры, но все они взаимозаменяемы и имеют аналогичные электрические пара­метры. IBM и ее дочерняя фирма Lexmark, специализирующаяся на производстве клавиатур и принтеров, выпускают множество разно­видностей этой клавиатуры, в том числе со встроенными устройства­ми позиционирования и новыми раскладками. Большинство расши­ренных клавиатур этого типа подключается к компьютеру с помощью 5-контактного разъема DIN, но в новых вариантах чаще использует­ся 6-контактный разъем mini-DIN, который устанавливается во мно­гих системах, например PS/2. Несмотря на различие разъемов, сами клавиатуры идентичны; при желании можно заменить их соедини­тельные кабели или использовать переходной разъем.

104-клавишная расширенная клавиатура Win-dows. Microsoft выпустила спецификацию Windows-клавиатуры, содержащую новые клавиши и их комбинации (рис. 4.4). Клавиату­ра, подобная 101-клавишной, выросла до 104-клавишной с допол­нительными левой и правой клавишами <Windows> и клавишей <Application> (приложение).

Клавиатуры с дополнительными функциональ­ными возможностями. Существуют клавиатуры, отличаю­щиеся от стандартных дополнительными возможностями. Они мо­гут быть как простыми (со встроенными калькулятором и часами), так и сложными (со встроенными устройствами позиционирования (манипуляторами), особой раскладкой или формой и возможностью перепрограммирования клавиш).

Примером может являться Elegance 5000 - мультимедийная мо­дель, содержащая дополнительно четырнадцать кнопок в ряду над стандартными функциональными клавишами (рис. 4.5). Самая круп­ная отвечает за включение и выключение АТХ-компьютера. Мульти­медийные кнопки выполняют типичные операции: уменьшение и увеличение громкости звука (в микшере Windows), пуск/пауза вос­произведения звука, стоп, трек вперед и трек назад для программных плееров CD/DVD/MP3.

Беспроводные клавиатуры. В последнее время большинством производителей выпускается новый тип клавиатур - беспроводные. Такая клавиатура содержит инфракрасный или радиопередатчик, а приемник с помощью кабеля подключается к стандартному разъему клавиатуры системной платы (см., например, табл. 4.1).

Таблица 4.1. Некоторые примеры беспроводных клавиатур

Марка	Характеристики
A4-Tech KBS-1527 R	Беспроводный набор, интерфейс PS/2, беспроводная клавиатура RSI, беспро­водная механическая мышь
A4-Tech KBS-2350 RP	Беспроводный набор, интерфейс USB, беспроводная клавиатура RSI, беспро­водная оптическая мышь, зарядное устройство в приемнике

В заключение разговора о клавиатуре поясним, что понималось выше под программируемостью. Это означает, что интерпретация всех перечисленных клавиш не обязательно соответствует тем или иным символам/действиям, которые на них обозначены. Нажатие на клавишу вырабатывает не код символа, а номер клавиши (поэтому основные и дублирующие символы/области в принципе различае­мы). Эта информация затем обрабатывается драйвером клавиату­ры - программой, постоянно находящейся в ОП и преобразовы­вающей номер клавиши в код символа, который выводится на эк­ран и поступает в распоряжение работающей прикладной програм­мы. Этот же драйвер ответственен за переход с латиницы на кирил­лицу. В отличие от механических терминалов и старинных ВТ, на консоли нет клавиши переключения <Лат/Рус>. Поскольку драйве­ров весьма много (всякий себя уважающий программист в середине своей карьеры, как правило, пишет свой драйвер), надо иметь в виду, что переключение может осуществляться по-разному. Обычно используются сочетания управляющих клавиш (например, <Shift+Alt>, <Shift+Shift> - левая и правая клавиши и пр.). Отсутствие лампочки, которая на старых ВТ указывала, что включен регистр «Лат» (или «Рус»), компенсируется обычно появлением на экране цветной рамки или надписей LAT, RUS в углу экрана, или еще как-то, что определяется фантазией (или ее отсутствием) программиста.

Внешние клавиатуры для карманных ПК (КПК). К 2002 г. эти устройства были разработаны в различных дизайнах, которые обеспечивают решение проблемы ввода данных с полной клавиатуры со стандартным расположением букв (рис. 4.6):

• гибкие тканевые клавиатуры, которые могут быть скатаны или свернуты вокруг КПК (карманного ПК);

• компактные, легкие клавиатуры со специальным доком для КПК, причем некоторые предназначены для использования на плоской поверхности и позволяют печатать слепым мето­дом, а другие - достаточно маленькие, чтобы помещаться в одной руке при печатании другой;

• обычные клавиатуры порта PS/2, использующие специальное устройство состыковки для обеспечения связи с КПК;

• клавиатуры, состоящие из разборных частей, так чтобы они могли быть свернуты для транспортировки и затем состыкова­ны вместе, образуя клавиатуру обычного размера;

• устройства, предназначенные для печатания большим пальцем.

Тканевая клавиатура может быть свернута, скручена и вымыта без потери функциональных возможностей, комбинирует структуры проводящей ткани с технологией микрочипа. Проводящие волокна способны к легкому переключению под воздействием давления и распознаванию позиции. Разрешающая способность измерения по­зиции X и Y составляет около 0,0001% размера ткани, а диапазон давлений - от 0,2 до 30 фунт/дюйм².

Устройства отображения информации

Во всех типах устройств отображения информации (УОИ, сюда относятся мониторы/дисплеи, проекторы, и другие индикаторы) присутствуют три типа функциональных элементов (табл. 4.2):

• активатор (А), являющийся источником энергии, в конечном итоге преобразующейся в световое излучение изображения;

• модулятор (М) - устройство управления выводом изобра­жения;

• визуализатор (В) - среда, в которой формируется видимое изображение.

Таблица 4.2. Разновидности распределения функций в различных УОИ

Функция	Тип устройства отображения информации (УОИ)
	Монитор на ЭЛТ (CRT), см. рис. 4.7	Микрозеркальный проектор (DMD)	Жидкокристаллический дисплей (LCD)
Активатор	Катод (электронная пушка)	Осветитель (лампа, панель светодиодов)	Осветитель (лампа)
Модулятор	Сетка, отклоняющие катушки, система развертки, маска	Панель (панели) микрозеркал, цветовое колесо, призмы	Жидкокристаллические ячейки
Визуализатор	Люминофор экрана	Рассеивающий экран	Тоже

Эти элементы могут быть частично или полностью совмещены (интегрированы), и таким образом, можно выделить по меньшей мере четыре класса УОИ (табл. 4.3).

Таблица 4.3. Основные классы УОИ

Сочетание функций	Особенности конструкции	Примеры
АМВ	Активатор отделен от модулятора и от визуализатора	Монитор на ЭЛТ, большинство мульти­медийных проекторов
АМВ	Активатор отделен от модулято­ра, интегрированного с визуализатором	Жидкокристаллические дисплеи
АМВ	Активатор интегрирован с моду­лятором и отделен от визуализатора	Проекторы на базе электронно-луче­вых трубок (ЭЛТ)
АМВ	Активатор, модулятор и визуализатор совмещены	Светодиодные экраны

Подавляющее большинство мониторов сконструированы на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), и принцип их работы анало­гичен принципу работы телевизора (см. рис. 4.7). Используемая в этом типе мониторов технология была разработана много лет назад и первоначально создавалась в качестве специального инструмента­рия для измерения переменного тока, т. е. для осциллографа.