ОП.02 АРХИТЕКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ

Интерфейсы характеризуются следующими параметрами: 

1.  Пропускная способность – количество информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени.

2.  Максимальная частота передачи информационных сигналов через интерфейс.

3.  Максимально допустимое расстояние между соединяемыми устройствами.

4.  Общее число проводов (линий) в интерфейсе.

5.  Информационная ширина интерфейса – число бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс.

При подключении внешних периферийных устройств к ЭВМ обычно используются следующие интерфейсы:

– последовательные: PS/2, RS-232C (СОМ-порт), USB, IEEE-1394 (FireWire), беспроводный инфракрасный – IRDA;

– параллельные: IEEE-1284 (LPT-порт), SCSI.

В мобильных компьютерах (ноутбуках) могут использоваться специализированные интерфейсы: параллельный интерфейс PC Card (PCMCIA – спецификация на модули расширения) и последовательный интерфейс ExpressCard.

1.2. Способы организации совместной работы периферийных и центральных устройств

Связь ЭВМ и внешнего устройства или двух ЭВМ друг с другом может быть организована в трех режимах: симплексном, полудуплексном и дуплексном.

Симплексный режим предусматривает передачу данных только в одном направлении: один передает, другой принимает.

Как правило, такой режим используется для связи устройств ввода или вывода с ЭВМ, например: ЭВМ-принтер, ЭВМ-дисплей, клавиатура-ЭВМ.

В редких случаях возможна связь двух ЭВМ, однако скорость обмена будет невысокой.

Для организации симплексного режима необходимо, чтобы передатчик одной ЭВМ был связан с приемником другой ЭВМ двухпроводной линией связи.

Полудуплексный режим позволяет выполнять поочередный обмен данными в обоих направлениях. В каждый момент времени передача может вестись только в одном направлении: один передает, другой принимает. И пока передача не закончилась, принимающий ничего не может сообщить передающему. Заканчивая передачу, передающая ЭВМ пересылает приемной специальный сигнал "перехожу на прием" (формат этого сигнала определяется протоколом передачи и его должны распознавать все участники обмена), после чего ЭВМ меняются ролями.

В случае возникновения ошибки при передаче принимающая ЭВМ вынуждена ожидать окончания приема, после чего сообщить об ошибке передающей ЭВМ для повторной передачи, при этом все принятые данные после ошибки теряются. Поэтому при обмене большими объемами информации приходится все передаваемые данные делить на блоки и контролировать прохождение каждого блока. Общее время обмена информацией при этом возрастает.

Для организации полудуплексного режима можно применить либо специальное коммутационное устройство у каждой ЭВМ, переключающее линию связи с выхода передатчика на вход приемника и обратно, либо линию связи с большим количеством проводов (например, трехпроводную, в которой один провод связывает передатчик первой ЭВМ с приемником второй, другой провод связывает приемник первой ЭВМ с передатчиком второй, а третий является общим проводом и называется «информационная земля»).

Дуплексный режим позволяет вести передачу и прием одновременно в двух встречных направлениях.

Для организации дуплексного режима необходимо, чтобы аппаратурные средства (в состав которых входит и канал связи) обеспечивали возможность одновременной передачи информации во встречных направлениях.

1.3. Классификация периферийных устройств

1.  ПУ, предназначенные для связи с пользователем. К ним относят различные устройства ввода (клавиатуры, сканеры, а также манипуляторы – мыши, трекболы и джойстики), устройства вывода (мониторы, индикаторы, принтеры, плоттеры (графопостроители) и т. п.) и интерактивные устройства (терминалы, ЖК-планшеты с сенсорным вводом и др.).

2.  Устройства массовой памяти (винчестеры, дисководы, стримеры, накопители на оптических дисках, флэш-память и др.)

3.  Устройства связи с объектом управления (АЦП, ЦАП, датчики, цифровые регуляторы, реле и т. д.)

4.  Средства передачи данных на большие расстояния (средства телекоммуникации – модемы, сетевые адаптеры).

2. УСТРОЙСТВА ВВОДА

2.1. Клавиатура

Клавиатура – это одно из основных устройств ввода информации в ЭВМ, позволяющее вводить различные виды информации. С помощью клавиатуры можно вводить любые символы: от букв и цифр до иероглифов и знаков музыкальной нотации. Вид вводимой информации определяется программой, интерпретирующей нажатые или отпущенные клавиши. Также с помощью клавиатуры возможно управлять курсором на экране дисплея, осуществлять «прокрутку» документов и т. д.

2.1.1. Классификация клавиатур. Можно выделить следующие основные типы клавиатур:

-  83-клавишная клавиатура PC и XT;

-  84-клавишная клавиатура AT;

-  101-клавишная расширенная клавиатура;

-  104-клавишная расширенная клавиатура Windows;

-  мультимедийные клавиатуры.

2.1.1.1. Стандартные клавиатуры. Стандартная клавиатура IBM PC имеет несколько групп клавиш:

1. Алфавитно-цифровые и знаковые клавиши (с латинскими и русскими буквами, цифрами, знаками пунктуации, математическими знаками). 

2. Специальные клавиши: <Esc>, <Tab>, <Enter>, <BackSpace>.

3. Функциональные клавиши: <F1> ... <F10...>.

4. Служебные клавиши для управления перемещением курсора (стрелки: <Up>, <Down>, <Left>, <Right>, клавиши <Home>, <End>, <PgUp>, <PgDn> и клавиша, обозначенная значком “[ ]” – в центре дополнительной цифровой клавиатуры).

5. Служебные клавиши для управления редактированием: <Ins> <Del>.

6. Служебные клавиши для смены регистров и модификации кодов других клавиш: <Alt>, <Ctrl>, <Shift>.

7. Служебные клавиши для фиксации регистров: <CapsLock>, <Scroll-Lock>, <NumLock>.

8. Разные вспомогательные клавиши: <PrtSc>, <Break>, <Grey +>, <Grey ->.

2.1.1.2. Расширенные клавиатуры. В 1986 г. IBM выпустила корпоративную расширенную 101-клавишную клавиатуру для новых моделей XT и AT (рис. 1).

Рис.клавишная клавиатура

101-клавишная клавиатура может быть условно разделена на следующие области:

1.  Основная клавиатура (область печатных символов).

2.  Цифровая клавиатура (Numeric Keypad), при выключенном индикаторе NumLock (или включенном NUMLOCK и нажатии SHIFT) используемая для управления курсором и экраном.

3.  Выделенные клавиши управления курсором и экраном, дублирующие эти функции цифровой клавиатуры.

4.  Функциональная клавиатура.

В 104-клавишной клавиатуре были добавлены 3 дополнительные клавиши – Windows-клавиши, т. к. с появлением операционной системы Windows пользователи привыкли к графическому интерфейсу данной ОС, в котором большая часть операций осуществляется с помощью манипулятора типа «мышь». Это позволило реализовать функции, для выполнения которых необходимо нажимать много клавиш или перемещаться и нажимать на кнопки мыши.

Microsoft выпустила спецификацию Windows-клавиатуры, содержащую новые клавиши и их комбинации (рис. 2) – дополнительные левая и правая Windows-клавиши и клавиша <Application> (приложение). Они могут использоваться для получения комбинаций клавиш на уровнях операционной системы или приложения подобно комбинациям с <Ctrl> и <Alt> на 101-клавишной клавиатуре.

В стандартной раскладке Windows-клавиатуры клавиша пробела укорочена, две клавиши Windows расположены слева и справа (<WIN>), а клавиша <Application> – справа. Клавиши <WIN> вызывают меню Пуск (Start), по которому можно перемещаться с помощью клавиш управления курсором. Клавиша <Application> эквивалентна нажатию правой кнопки мыши; в большинстве приложений она позволяет перейти в контекстно-зависимое меню.

Рис.клавишная Windows-клавиатура

2.1.1.3. Мультимедийные клавиатуры. На подобных клавиатурах размещаются дополнительные клавиши, которые разделены на группы, обычно это:

1.  Клавиши питания (выключение компьютера, перевод в режим сна, пробуждение).

2.  Интернет-клавиши, обеспечивающие навигацию в сети Интернет (Stop, My Favorites, Refresh, Search, Forward, Back, E-mail, WWW).

3.  Мультимедийные клавиши – выполняют функции управления медиаконтентом (Mute, Volume Up, Volume Down, Previous, Play/Pause, Next, Stop).

4.  Офисные клавиши, с помощью которых осуществляется быстрый запуск приложений (MS Word, Excel, PowerPoint, Calendar).

С помощью драйверов возможна «перенастройка» определенных клавиш на запуск другого ПО и выполнение других функций.

Можно выделить отдельный тип клавиатур – портативные клавиатуры. Из-за ограниченного размера портативных компьютеров так же была изменена раскладка подобных клавиатур.

В большинстве из них вспомогательная клавиатура входит теперь в стандартную буквенную часть клавиатуры (рис. 3). Для переключения клавиатуры обычно используется комбинация, в которую входит клавиша <Fn>.

В дополнение к управлению вспомогательной клавиатурой клавиша <Fn> часто используется для переключения между режимами в портативных компьютерах, например для переключения между встроенным и внешним дисплеем или для управления яркостью экрана и громкостью звука.

Рис. 3. Расположение вспомогательной цифровой клавиатуры в

портативных клавиатурах

2.1.2. Устройство клавиатуры. Упрощенно принципиальную схему клавиатуры можно представить следующим образом (рис. 4). При этом все клавиши находятся в узлах матрицы.

Рис. 4 . Упрощенная принципиальная схема клавиатуры

Все горизонтальные линии матрицы подключены через резисторы к источнику питания +5В. Контроллер клавиатуры имеет два порта – выходной и входной. Входной порт подключен к горизонтальным линиям матрицы (X0-X4), а выходной – к вертикальным (Y0-Y5).

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 (т. к. все эти линии подключены к источнику питания +5В через резисторы).

Если оператор нажмет на какую-либо 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 клавиатуры фиксирует нажатие на клавишу. Он посылает в центральный компьютер запрос на прерывание и номер клавиши в матрице. Аналогичные действия выполняются и тогда, когда оператор отпускает нажатую ранее клавишу.

Номер клавиши, посылаемый контроллером клавиатуры, однозначно связан с распайкой клавиатурной матрицы и не зависит напрямую от обозначений, нанесенных на поверхность клавиш. Этот номер называется скан-кодом (Scan Code).

В ЭВМ используется ASCII-код (American Standard Code for Information Interchange – американский стандартный код для обмена информацией), который 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 от клавиши Shift. Все преобразования скан-кода в ASCII-код выполняются программным обеспечением.

2.1.3. Конструкции клавиш. В клавиатурах используется несколько типов клавиш. В большинстве клавиатур установлены механические переключатели, в которых происходит замыкание электрических контактов при нажатии клавиш. В некоторых клавиатурах используются бесконтактные емкостные датчики.

Наиболее широко распространены контактные клавиатуры. Существуют следующие их разновидности:

-  с механическими переключателями;

-  с замыкающими накладками;

-  с резиновыми колпачками;

-  мембранные.

В клавиатурах с механическими переключателями происходит замыкание металлических контактов. В них для создания "осязательной" обратной связи зачастую устанавливается дополнительная конструкция из пружины и смягчающей пластинки.

Клавиши с замыкающими накладками широко применялись в старых клавиатурах. В них прокладка из пористого материала с приклеенной снизу фольгой соединяется с кнопкой клавиши (рис. 5).

При нажатии клавиши фольга замыкает печатные контакты на плате. Когда клавиша отпускается, пружина возвращает ее в исходное положение.

Рис. 5. Конструкция клавиши с замыкающей накладкой из фольги.

Основными недостатками такой конструкции являются:

– отсутствие щелчка при нажатии (нет обратной связи), что затрудняет определение: была нажата клавиша или нет;

– такая конструкция весьма чувствительна к коррозии фольги и загрязнению контактов на печатной плате.

Клавиатура с резиновыми колпачками похожа на предыдущую конструкцию. Вместо пружины в ней используется резиновый колпачок с замыкающей вставкой из той же резины, но с угольным наполнителем. При нажатии клавиши шток надавливает на резиновый колпачок, деформируя его. Деформация колпачка сначала происходит упруго, а затем он "проваливается". При этом угольный наполнитель замыкает проводники на печатной плате. При отпускании резиновый колпачок принимает свою первоначальную форму и возвращает клавишу в исходное состояние.

Количество деталей в такой конструкции минимально. Все это обеспечивает высокую надежность клавиатуры и ее широкое распространение.

Мембранная клавиатура является разновидностью предыдущей, но в ней нет отдельных клавиш: вместо них используется лист с разметкой, который укладывается на пластину с резиновыми колпачками.

Емкостные датчики являются единственными бесконтактными переключателями, которые получили широкое распространение (рис. 6). Клавиатуры с такими датчиками дороже резиновых, но более устойчивы к загрязнению и коррозии.

В емкостных датчиках нет замыкающихся контактов. Их роль выполняют две смещающиеся относительно друг друга пластинки и специальная схема, реагирующая на изменение емкости между ними. Клавиатура представляет собой набор таких датчиков.

Когда верхняя пластинка приближается к нижней, емкость между ними увеличивается, что регистрируется схемой компаратора, установленной в клавиатуре.

Единственный недостаток такой клавиатуры – высокая стоимость.

Рис. 6. Клавиша с емкостным датчиком

2.1.4. Интерфейс клавиатуры. На IBM PC AT используется клавиатура с большим количеством клавиш. На этих машинах есть возможность управлять некоторыми функциями клавиатуры, например, изменять время ожидания автоповтора, частоту автоповтора, зажигать и гасить светодиоды на панели управления клавиатурой.

Контроллер клавиатуры постоянно опрашивает клавиши, определяет, какие из них нажаты, и выдает код нажатой или отпущенной клавиши в системный блок ЭВМ. Кроме этого, контроллер клавиатуры определяет продолжительность нажатия и может обработать даже одновременное нажатие нескольких клавиш. В клавиатуре установлен буфер емкостью 16 байт, в который заносятся данные при слишком быстрых или одновременных нажатиях. Затем эти данные в соответствующей последовательности передаются в систему.

Связь клавиатуры с системным блоком осуществляется через последовательный канал, данные по которому передаются по 11 бит, причем восемь из них собственно данные, а остальные – синхронизирующие и управляющие. Хотя это полноценный последовательный канал связи (данные передаются по одному проводнику), он не совместим со стандартным последовательным портом RS-232.

В клавиатурах первых персональных компьютеров использовался микроконтроллер 8048, а позднее был заменен на микросхему 8049 со встроенной памятью ROM. Возможно использование других микросхем, совместимых с 8048 или 8049.

В компьютерах типа AT последовательный интерфейс клавиатуры подключен к специальному контроллеру клавиатуры на системной плате. В качестве такого контроллера используется микросхема 8042 универсального интерфейса периферийных устройств (Universal Peripheral Interface – UPI). Этот микроконтроллер фактически является еще одним процессором со встроенными ROM емкостью 2 Кбайт и RAM на 128 байт.

В системах AT микроконтроллер, установленный в клавиатуре (типа 8048), пересылает данные в контроллер клавиатуры (типа 8042) на системной плате; возможна также передача данных в обратном направлении. Когда контроллер на системной плате принимает данные от клавиатуры, он выдает запрос по цепи IRQ 1 и передает данные главному процессору через порт ввода-вывода с адресом 60h. Играя роль посредника между клавиатурой и главным процессором, контроллер клавиатуры типа 8042 может также преобразовывать скан-коды и выполнять другие функции. Данные могут передаваться контроллеру 8042 через тот же порт 60h, после чего он пересылает их в клавиатуру.

В большинстве старых систем контроллер 8042 используется также для управления шиной адреса А20 при обращении к памяти, объем которой больше одного мегабайта. В современных системных платах эта функция возложена непосредственно на процессор и набор микросхем системной платы.

2.1.5. Разъемы для подключения клавиатуры. Клавиатуры выпускаются с кабелями, подключаемые к компьютеру с помощью одного из трех типов разъемов:

-  5-контактный DIN, применяемый в PC-совместимых компьютерах с системными платами Baby-AT;

-  6-контактный mini-DIN, используемый в компьютерах PS/2 и в системных платами LPX, ATX, NLX и ITX;

-  4-контактный USB ­– в настоящее время самый распространенный интерфейс.

На рис. 7 показан внешний вид и расположение контактов в разъемах типа DIN, а в табл. 1 – сигналы, подаваемые на эти контакты.

Рис. 7. Разъемы клавиатуры и мыши

Таблица 1

Сигналы на разъемах клавиатуры

Сигнал	5-контактный DIN	6-контактный mini-DIN
Данные с клавиатуры	2	1
Общий	4	3
+5 В	5	4
Синхронизация клавиатуры	1	5
Не соединен	-	2
Не соединен	-	6
Не соединен	3	-

Для подключения мыши к системной плате устанавливается 6-контактный разъем mini-DIN, расположение и назначение выводов которого такое же, как и у разъема клавиатуры, но структура передаваемых данных другая. При подключении не к тому порту ни одно из устройств работать не будет.

При подключении через USB возможны проблемы с работой в различных средах, т. к. стандартная BIOS поддерживает только стандартную клавиатуру, подключенную к порту клавиатуры. Поэтому для полноценной работы клавиатуры необходима поддержка на уровне BIOS.

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

2.1.7. Эргономичные клавиатуры. В последнее время изменение формы клавиатуры отразилось в различных разработках. Чаще всего предлагается разделение клавиатуры на две половины, которые располагаются под углом одна к другой (например, клавиатура серии Natural фирмы Microsoft). Некоторые разработчики предоставляют возможность регулировки этого угла. В подобных клавиатурах учитывается естественное положение рук во время набора. С одной стороны, это позволяет повысить производительность и скорость набора, а с другой – содействует профилактике таких заболеваний, как кистевой туннельный синдром (один из видов нарушения опорно-двигательного аппарата).

2.1.8. Беспроводные клавиатуры. Для минимизации количества проводов, подключаемых к компьютеру, возможно использование беспроводных клавиатур. Такая клавиатура содержит инфракрасный или радиопередатчик, а приемник с помощью кабеля подключается к стандартному разъему клавиатуры системной платы.

2.2. Компьютерная мышь

Компьютерная мышь – одно из указательных устройств ввода, в основном применяется в графических средах. Устройством ввода мыши являются находящиеся на ней кнопки. Их количество варьируется в зависимости от типа мыши и с кнопками связано выполнение каких-либо действий (подтверждение ввода, вызов меню, «скроллинг» и т. п.).

По принци­пу действия мыши можно разделить на оптико-механические, оптичес­кие и лазерные.

2.2.1. Опти­ко-механическая мышь. Принцип работы такой мыши приведен на рис. 8.

Рис. 8 . Принцип действия оптико-механической мыши

Одной из основных частей опти­ко-механической мыши является шарик. Он контактирует с тремя валиками. Один валик отвечает за фиксацию перемещения «вперед – назад», другой валик – «влево – вправо». При перемещении по поверхности шарик приводит в движение валики. На осях каждого из валиков установлены диски с прорезями, которые вращаются между двух блоков, один из которых является источником света, другой – фотоэлементом, фиксирующим попадание света при вращении диска с прорезями. Порядок освещения фотоэле­ментов однозначно определяет направление движения мыши, а частота возникающих на выходах светодиодов импульсов – ско­рость. Импульсы при помощи контроллера преобразуются в совместимые с PC данные и пе­редаются процессору.

2.2.2. Оптическая мышь. В первых оптических мышах использовался сфокусированный луч света, отражаемый от специального «коврика», на котором нанесена решетка темных линий. При перемещении на темных участкам интенсивность отражения падает и сенсор фиксирует это и отправляет данные компьютеру.

Технология современных оптических мышей была разработана компанией Agilent Technologies в конце 1999 г., однако первой воплотила ее в жизнь фирма Microsoft, создав мышь под названием IntelliMouse. Для сканирования поверхности используется миниатюрная видеокамера (CMOS-датчик), которая работает со скоростью 1500 снимков в секунду. Для «подсветки» рабочей поверхности используется светодиод красного свечения.

Рис. 9. Принцип работы оптической мыши

С помощью светодиода и системы фокусирующих его свет линз под мышью подсвечивается участок поверхности (рис. 9). Отраженный от этой поверхности свет, в свою очередь, собирается другой линзой и попадает на приемный сенсор микросхемы (оптический сенсор) – процессора обработки изображений. Этот чип делает снимки поверхности под мышью с высокой частотой, измеряемой в кГц (рис. 10).

Оптический сенсор состоит из 2-х блоков: 1-й отвечает за получение снимка и называется системой получения изображения Image Acquisition System (IAS), 2-й блок – это интегрированный DSP-процессор обработки снимков.

Рис. 10. Получаемое изображение с оптического сенсора

На основании анализа череды последовательных снимков (представляющих собой квадратную матрицу из пикселей разной яркости) (рис. 10), интегрированный DSP-процессор высчитывает результирующие показатели, свидетельствующие о направлении перемещения мыши вдоль осей Х и Y, и передает результаты своей работы вовне по последовательному порту.