УСТРОЙСТВА ВВОДА И ВЫВОДА

Устройства ввода и вывода

Устройства ввода-вы вода играют важную роль в организации диалога человек-компьютер. В настоящее время для этой цели используется широкий набор разнообразных устройств.

Цель раздела — рассмотреть принципы построения, функционирования и организации взаимодействия с центральной частью компьютера наиболее распространенных устройств ввода и вывода.

Устройства ввода и манипуляторы

Клавиатуры

Назначение и основные типы клавиатур. Клавиатура (Keyboard) является одним из основных средств ввода информации (данных, команд, управляющих воздействий и др.) в компьютер и представляет собой унифицированное устройство, содержащее:

=> набор клавиш, кнопок и индикаторов, расположенных на лицевой панели. С клавишами и кнопками совмещены механические или бесконтактные переключатели, предназначенные для фиксации их нажатия и отпускания. Контакты переключателей, выполняющие функции датчиков нажатия и отпускания, объединены в матрицу;

=> кабель со стандартным разъемом, обеспечивающий последовательный интерфейс с системной платой по линиям данных (KB-Data) и синхронизации (КВ-С1оск);

=> контроллер, осуществляющий сканирование матрицы датчиков, управление индикаторами, внутреннюю диагностику и связь с системной платой.

Первые типы 83- и 84-клавишных клавиатур в настоящее время не используются. В 1986 г. фирма IBM для новых моделей компьютеров АТ выпустила расширенную (101-клавишную) клавиатуру, которая и стала современным стандартом. В двуязычных вариантах расширенной клавиатуры устанавливается более 100 клавиш. Кроме традиционного стандартного исполнения существуют и другие варианты клавиатур, сведения о которых будут приведены ниже.

Назначение клавиш клавиатуры. На клавишах клавиатуры нанесены буквы латинского и русского алфавитов, десятичные цифры, знаки препинания, графические и специальные служебные знаки, наименования некоторых команд и др. Нанесенные обозначения на клавишах определяют их назначение. В качестве примера рассмотрим 101-клавишную клавиатуру, в которой можно выделить 4 группы клавиш (рис. 13.1):

=> основная клавиатура;

=> функциональные и некоторые специальные клавиши;

=> клавиши управления курсором;

=> цифровая клавиатура.

Расположение клавиш и индикаторов на лицевой панели

Рис. 13.1. Расположение клавиш и индикаторов на лицевой панели

Основная клавиатура. К этой группе отнесем буквенно-цифровые и служебные клавиши, занимающие пять нижних рядов в левой части клавиатуры (рис. 13.2). Расположение букв и цифр на клавишах такое же, как и на клавиатуре пишущей машинки: для латинских букв (латиницы) соответствует стандарту QWERTY, для русских букв (кириллицы) — стандарту ЙЦУКЕН. Название стандартов определяется первыми шестью буквами второго ряда основной клавиатуры. Ввод с клавиатуры кириллицы обеспечивается специальным драйвером, который загружается резидентно в оперативную память (обычно при запуске компьютера). Этот драйвер осуществляет переключение с латиницы на кириллицу (и обратно) нажатием одной или двух специальных клавиш (например, или + ). Ввод строчных/прописных букв осуществляется в режиме нижнего/верхнего регистра, который зависит от состояния клавиш (Shift — сдвиг, замена) и (Caps Lock — фиксация прописных букв) следующим образом:

=> при отжатой клавише и отжатой/нажатой клавише < Shift> реализуется режим нижнего/верхнего регистра;

=> при нажатой клавише и отжатой/нажатой клавише реализуется режим верхнего/нижнего регистра.

При нажатой клавише светится индикатор Caps Lock в верхнем правом углу клавиатуры.

Следует отметить, что:

=> все цифры, а также символы <'>, <->, <=>, <[>, <]>, <>, <;>, <‘>, <,>, <•>, в режиме латиницы и символы <->, <=>, <>, <•> в режиме кириллицы выводятся в нижнем регистре;

=* символы <~>, , <@>, <#>, <$>, <%>, <Л>, <&>, <*>, <(>, <)>, <_>, <+>, <{>, <}>, <|>, <:>, <»>, << >, <», в режиме латиницы и символы , <">, <№>, <;>, <%>, <:>, <*>, <(>, <)>, <_>, <+>, , <,> в режиме кириллицы выводятся в верхнем регистре.

Puc. 13.2. Пример лицевой панели клавиатуры

Назначение всех служебных клавиш основной клавиатуры приведено в табл. 13.1.

Клавиша

Назначение

Enter (ввод)

Ввод информации и возврат каретки при завершении вывода на экран очередной строки текста

Shift

Обе клавиши переводят клавиатуру в режим прописных (заглавных) букв, но генерируют различные скэн-коды

Caps Lock

Фиксация регистра прописных букв с включением индикатора Caps Lock. В этом режиме при нажатой клавише Shift вводятся строчные буквы

Space(пробел)

Перемещение курсора с текстом части строки, расположенной правее курсора, вправо на одну позицию при кратковременном нажатии. При длительном нажатии курсор перемешается непрерывно

Backspace (возврат)

Перемещение курсора на одну позицию влево (или на верхнюю строку) с удалением символа

Ctrl

Control — управление, контроль. Имеются две равноценные клавиши Ctrl. Используются в комбинации с другими клавишами. Например, комбинация + соответствует операции сохранения документа (File/Save)

Alt

Alternative — альтернатива. Если на клавише нанесены три символа, например <8>, <*>, <;>, то правый позволяет вывести третий символ. левый с использованием других клавиш позволяет:

  • • управлять курсором в меню некоторых приложений. Например, комбинация < Alt>+ обеспечивает выход из программы;
  • • выводить символы на экран монитора (с помощью цифровой клавиатуры). Например, комбинация +<123456> выводит на экран символ «@»

Tab

Перемещение курсора вправо на заданное число позиций. При создании таблиц комбинация клавиш + обеспечивает табуляцию влево

Функциональные и некоторые специальные клавиши. Функциональные клавиши F1-5-F12 (рис. 13.3) размещены в верхнем ряду клавиатуры (рис. 13.1). Они программируются, поэтому действия, выполняемые при их нажатии, зависят от конкретной программы. В большинстве программ клавиша вызывает подсказку (Help). В редакторе WinWord клавиша служит для повторения последнего действия, а клавиша —для выполнения операции «Сохранить как...» меню Файл.

Puc. 13.3. Функциональные клавиши

В табл. 13.2 приведено назначение специальных клавиш.

Таблица 13.2

Клавиша

Назначение

Esc

Отмена каких-либо действий и/или выход из программы, подменю и т.п.

Ctrl, Alt, Shift

Клавиши, используемые совместно с другими клавишами для изменения их выполняемых функций

Print Screen

Распечатка на принтере информации, выведенной на экран

Scroll Lock

Функция этой клавиши определяется программно. Например, при включенном состоянии Scroll Lock (светится индикатор Scroll Lock) возможно перемещение текста на экране при помощи клавиш

Pause/Break

Прерывание выполнения программы. Для продолжения выполнения программы необходимо нажать любую клавишу

Ctrl+Alt+Del

Перезагрузка операционной системы компьютера

Ctrl+Break

Прекращение работы выполняемой программы

Ctrl+PrintSc

Копирование изображения экрана на принтер

Клавиши управления курсором

Рис. 13.4. Клавиши управления курсором

Клавиши управления курсором. Курсором называют мерцающий символ на экране (обычно в виде вертикальной жирной линии), указывающий на место отображения выводимого с клавиатуры символа. Клавиши управления курсором (рис. 13.4) располагаются правее буквенно-цифровых клавиш (рис. 13.1). Их назначение приведено в табл. 13.3.

Клавиша

Назначение

Перемещение курсора соответственно вправо, влево, вверх и вниз на одну позицию при кратковременном нажатии. При длительном нажатии курсор перемещается непрерывно

Insert

Переключение клавиатуры из режима вставки в режим замены и обратно. В режиме вставки выводимый с клавиатуры символ помешается на место курсора, раздвигая текст. Курсор сдвигается вправо на одну позицию. В режиме замены выводимый символ помещается на символ, расположенный правее курсора, уничтожая его

Delete

Перемещение части строки влево с удалением символа, надвигающегося на курсор. Удаление выделенного объекта: текста, рисунка и др.

Home, End

Перемещение курсора соответственно на первую и последнюю позицию строки

PgUp, PgDn

Перемещение курсора по тексту соответственно в направлении его начала и конца на одну страницу (обычно на 25 строк)

Цифровая клавиатура. Клавиши цифровой клавиатуры (рис. 13.5) расположены в правой части (рис. 13.1). Если нажать клавишу (Number Lock — фиксация цифр), го начинает светиться индикатор Num Lock (рис. 13.6) и цифровая клавиатура переходит в режим ввода цифр (0...9), математических знаков сложения (+), вычитания (-), умножения (*), деления (/) и точки (.).

Клавиши цифровой клавиатуры

Рис. 13.5. Клавиши цифровой клавиатуры

Если повторно нажать клавишу , чтобы перестал светиться индикатор Num Lock, то цифровая клавиатура перейдет в режим управления курсором, который рассмотрен выше.

Индикаторы

Рис. 13.6. Индикаторы

Общее представление о работе клавиатуры. В состав клавиатуры входит контроллер, состоящий из буферной памяти и схемы управления. Контроллер клавиатуры подключается к системному блоку компьютера с помощью 4-провод- ной линии для передачи данных, тактовых импульсов, напряжения питания. Можно выделить три уровня представления и обработки сигналов, поступающих с клавиатуры.

На физическом уровне происходит кодирование сигналов при нажатии и отпускании клавиши. В основе кодирования лежит нумерация клавиш. При нажатии клавиши в системный блок посылается код, называемый скэн-кодом, который соответствует номеру клавиши. При отпускании клавиши генерируется дополнительный скэн-код, представляющий собой номер клавиши, увеличенный на 128. При постоянно нажатой клавише вырабатывается последовательность основных скэн-кодов с частотой 10 Гц, что имитирует серию очень быстрых нажатий этой клавиши.

На логическом уровне с помощью прерывания IRQ9 базовой системы ввода-вывода происходит преобразование скэн-кода в 2-байтный код. Младший байт для клавиш буквенно-цифровой клавиатуры — Esc, Tab, Enter, Backspace — содержит ASCII-код (American Standard Code for Information Interchange — Американский стандартный код для обмена информацией), соответствующий изображенному на клавише знаку. Этот байт называют главным. Вспомогательный старший байт содержит исходный скэн-код нажатой клавиши. Сочетание главного (со всеми нулями) и вспомогательного байтов называют расширенным ASCII-кодом. Генерируемый код определяется назначением клавиши и их комбинацией.

На функциональном уровне отдельным клавишам программным путем назначаются определенные функции (последовательности символов, команды), которые реализуются при их нажатии. Программное переопределение клавиш может быть реализовано, например, с помощью драйвера ANSI.SYS операционной системы MS DOS.

Воспользовавшись рис. 13.7, рассмотрим процессы, протекающие при вводе с клавиатуры символа А на монитор: => при нажатии клавиши контроллер клавиатуры КК определяет координаты замкнутого переключателя в матрице и формирует сигнал в виде скэн-кода, отражающий идентификационный номер клавиши. Для клавиши с символом А скэн-кодом является шестнадцатеричное число 1 Eh. Отметим, что скэн-коды передаются от клавиатуры в компьютер по фактам нажатия и отпускания клавиш. Современные клавиатуры могут работать в одном из 2—3 наборов (таблиц) скэн-кодов, отличающихся назначением кодов и способами сообщения об отпускании клавиш;

=> скэн-код передается в контроллер системной платы КСП, в качестве которого обычно применяется микросхема 8042 универсального периферийного интерфейса (Universal Peripheral Interface —

Иллюстрация работы клавиатуры при выводе символа «А» на монитор

Рис. 13.7. Иллюстрация работы клавиатуры при выводе символа «А» на монитор

UPI). Специальный контроллер 8042 преобразует текущий скэн- код в один из предусмотренных в системе скэн-кодов и направляет его в главный процессор компьютера;

=> после поступления скэн-кода в КСП (8042) инициализируется аппаратное прерывание IRQ1, которое обслуживается специальной программой, входящей в состав ROM BIOS;

=> программа анализирует поступивший скэн-код. Скэн-коды клавиш , или , записываются в память RAM, остальные скэн-коды трансформируются в код символа (ASCII коды, или расширенные коды). При этом обрабатывающая процедура (программа) сначала определяет установку клавиш и переключателей, чтобы правильно получить вводимый код (символы а или А). Затем введенный код помещается в буфер клавиатуры БК, организованный по принципу FIFO (первый вошел — первый вышел). Буфер способен запомнить до 20 вводимых символов и хранить их до тех пор, пока прикладная программа сможет их обработать;

=> код программы, используя прерывания вывода на экран ПВЭ, через видеобуфер ВБ посылает символ на монитор. Автоматическое повторение. Если удерживать какую- либо клавишу нажатой, возникает эффект автоматического повторения, т.е. клавиатура начинает непрерывно посылать на системную плату код нажатой клавиши. В клавиатуре можно регулировать частоту автоматического повторения, подавая соответствующие команды на ее процессор.

В процессе ввода важную роль играют контроллеры клавиатуры и системной платы, которые выполняют:

=> периодический опрос клавиш со стороны микропроцессора;

=> размещение в буфере до 20 отдельных кодов на время между двумя последовательными опросами;

=> преобразование скэн-кодов в коды ASCII с помощью хранящихся в ПЗУ программируемых системных таблиц драйвера клавиатуры; => тестирование клавиатуры при включении компьютера, позволяющее выявить неисправность клавиатуры уже на стадии загрузки. Функции самоконтроля и проверки нажатых клавиш в процессе загрузки системы выполняет внутренний контроллер. Процесс самоконтроля отображается однократным миганием трех индикаторов клавиатуры во время выполнения программы POST;

=> контроллер на системной плате может не только принимать, но и передавать данные клавиатуре, например частоту повтора нажатой клавиши и др.

Основные типы клавиш. В современных клавиатурах используются контактные и бесконтактные датчики, фиксирующие нажатое и отжатое состояние клавиши. Датчик состояния клавиши конструктивно совмещен с самой клавишей. Рассмотрим наиболее известные типы клавиш.

Клавиша с резиновыми колпачками

Рис. 13.8. Клавиша с резиновыми колпачками

Клавиши с механическими переключателями. Для фиксации состояния клавиши в механических переключателях используется замыкание/размыкание металлических контактов. Для создания тактильной (от лат. tactilis — осязаемый) обратной связи в клавише дополнительно устанавливается пружина и смягчающая пластинка. Это позволяет при замыкании клавиши ощущать ее сопротивление и слышать щелчок в крайнем положении. Механические переключатели выдерживают до 20 млн срабатываний и по долговечности уступают только емкостным датчикам. Они обеспечивают надежные контакты и хорошую тактильную обратную связь. Многие компании (Alps Electric, Adesso, Chicony и др.), занимающиеся производством клавиатур, используют механические переключатели в более дорогостоящих моделях.

Клавиши с замыкающими накладками. Конструкция такой клавиши показана на рис. 13.8,о в исходном состоянии.

Ее основными компонентами являются: кнопка, шток с возвратной пружиной, пористая прокладка и выполненная из фольги накладка.

При нажатии клавиши (рис. 13.8,6) фольга замыкает контакты на печатной плате. При этом пористая прокладка смягчает удар, но клавиатура становится слишком «мягкой». Когда клавиша отпускается, пружина возвращает ее в исходное положение.

Недостатки клавиши с замыкающими накладками:

=> отсутствие щелчка при нажатии, или тактильной обратной связи; => высокая чувствительность к коррозии фольги и загрязнению контактов на печатной плате.

Из-за отмеченных недостатков клавиатуры этого типа сейчас практически не используются, им на смену пришли конструкции с резиновыми колпачками.

Клавиши с резиновыми кол п ач к а м и. Клавиша с резиновыми колпачками конструктивно отличается от клавиши на рис. 13.8 тем, что вместо пружины в ней используется резиновый колпачок. Замыкающая вставка (накладка) выполнена из той же резины с угольным наполнителем. При нажатии клавиши резиновый колпачок деформируется. Деформация колпачка сначала происходит упруго, а затем он как бы «проваливается». При этом угольный наполнитель замыкает контакты на печатной плате. При отпускании резиновый колпачок принимает первоначальную форму и возвращает клавишу в исходное состояние.

Замыкающие вставки, выполненные из очищенного угля, не подвержены коррозии и очищают металлические контакты, к которым прижимаются. Колпачки обычно прессуются все вместе и представляют собой лист резины, который покрывает печатную плату целиком и защищает ее от пыли, грязи и влаги. Такая конструкция клавиши обеспечивает минимальное количество деталей, высокую надежность клавиатуры и ее широкое распространение.

Клавиши с мембранным п е р е к л ю ч ате л е м. Эта клавиатура является разновидностью клавиатуры с резиновыми колпачками. В ней используется мембранная печатная плата. Мембранные переключатели со стандартными колпачками клавиш полностью заменили переключатели с резиновыми колпачками, получив при этом широкое распространение на рынке клавиатур низшего и среднего классов благодаря низкой стоимости. Срок жизни дешевых мембранных переключателей ограничен 5... 10 млн нажатий, однако лучшие модели выдерживают до 20 млн нажатий, что свидетельствует о надежности переключателей такого типа.

Мембранные клавиатуры обеспечивают более надежный и жесткий контакт, чем клавиатуры с резиновыми колпачками, однако по чувствительности уступают механическим или емкостным переключателям. Единственное исключение составляют клавиатуры, разработайные компанией Key Tronic. Их особенностью является использование при нажатии той или иной клавиши пяти уровней удельной силы (от 35 до 85 г), которые зависят от относительной силы пальцев. Так, например, чтобы нажать клавиши (, или <А>) мизинцем левой руки, требуется усилие, равное 35 г. Для тех клавиш, которые используются другими пальцами, сила нажатия будет больше. Максимальное усилие приходится на клавишу пробела — 85 г.

Клавиши с емкостными датчиками. Это единственные бесконтактные переключатели, получившие широкое распространение. В емкостных датчиках (рис. 13.9) отсутствуют замыкающие контакты. Их функции выполняют:

=> две смещающиеся относительно друг друга пластины, образующие конденсатор переменной емкости. В исходном состоянии (рис. 13.9,а) пластины раздвинуты и значение емкости минимально (Смин). При нажатии клавиши шток смещает верхнюю пластину к неподвижной нижней пластине (рис. 13.9,5). При минимальном расстоянии между пластинами емкость имеет максимальное значение, равное Смакс. Клавиши сконструированы так, что смещение верхней пластины происходит скачкообразно и при этом слышен щелчок. Тактильная обратная связь обеспечивается благодаря использованию цилиндрической (винтовой) пружины;

Клавиша с емкостными датчиками

Рис. 13.9. Клавиша с емкостными датчиками

=> специальная схема, реагирующая на изменение емкости между ними. В состав схемы входят генератор Г, детектор Д и компаратор К. При увеличении емкости от Смин до Смакс частота колебаний генератора уменьшается на ДF. Детектор Д фиксирует уменьшения частоты изменением напряжения на выходе. Выходное напряжение детектора сравнивается с опорным напряжением на входе компаратора К, в результате на его выходе формируется напряжение ступенчатой формы, которое фиксирует нажатие клавиши. Аналогичным образом фиксируется отжатие клавиши.

Достоинства клавиатуры. Клавиатура устойчива к коррозии и загрязнению из-за отсутствия электрических контактов. В ней практически отсутствует дребезжание, которым сопровождается введение нескольких символов подряд при одном нажатии на клавишу. Имеется хорошая тактильная обратная связь.

Долговечность клавиатуры составляет до 25 млн нажатий (в отличие от 10... 12 млн для клавиатур других типов).

Недостаток клавиатуры — высокая стоимость.

В настоящее время клавиатуры с емкостными переключателями изготавливаются и реализуются компанией Unicomp.

Международные раскладки клавиатуры и языки. После того как центральный процессор получит сгенерированные клавиатурой скэн-ко- ды, операционная система преобразует их в соответствующие алфавитно-цифровые символы (буквы, цифры и другие символы, находящиеся на стандартной американской клавиатуре). Однако, независимо от изображенных на клавишах символов, путем преобразования скэн-кодов клавишам можно назначить другие символы, т.е. изменить раскладку клавиатуры. В Windows можно установить несколько раскладок клавиатур для поддержки различных языков. Например, для набора текста на немецком языке необходимо установить символы с умлаутами. Кроме того, несколько раскладок можно использовать и для одного языка. Следует иметь в виду, что добавление новой раскладки клавиатуры изменяет только коды символов, вводимых с клавиатуры, и не изменяет текст, уже набранный и отображенный на экране. Операционная система Windows включает несколько различных раскладок клавиатуры для некоторых языков.

При создании документов можно использовать несколько языков, устанавливая все необходимые раскладки клавиатуры и переключаясь между ними по мере необходимости. Переключаться между установленными раскладками клавиатуры можно двумя способами:

=> с помощью индикатора языка, который расположен на панели задач. При щелчке на индикаторе языка мышью появляется меню, позволяющее переключить язык;

=> нажатием комбинации клавиш, которую можно задать, пользуясь вкладкой Язык (Панель управления — Клавиатура).

Разъемы для подключения клавиатуры. Клавиатуры выпускаются с кабелями. На конце кабеля, который подсоединяется к системному блоку, установлен разъем. В большинстве клавиатур другой конец кабеля непосредственно подключен внутри корпуса клавиатуры к печатной плате. Для упрощения замены кабеля в новых клавиатурах компании IBM устанавливаются разъемы на обоих его концах:

=> для подсоединения к клавиатуре — специальный 6-контактный разъем SDL (Shielded Data Link — экранированная линия связи), похожий на телефонный разъем (рис. 13.10,я);

=> на другом конце — разъем DIN (Deutche Industrie Norm — промышленный стандарт Германии), имеющий две модификации [10]: •5-контактный разъем DIN (рис. 13.10,6), применяемый в компьютерах с системными платами Baby-AT;

• 6-контактный mini-DIN (рис. 13.10,6?), используемый в компьютерах PS/2 и в большинстве компьютеров с системными платами LPX, АТХ и NLX.

Разъемы для подключения клавиатуры

Рис. 13.10. Разъемы для подключения клавиатуры

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >