7. Устройства ввода

8.1. Общие положения

Поскольку компьютер является системой для переработки информации, эту перерабатываемую информацию в него нужно ввести. Этим целям и служат устройства ввода информации. Среди таких устройств необходимо выделить следующие, отличающиеся принципом действия и конструктивными особенностями :

• монитор и клавиатура;

• магнитные устройства (ВЗУ, которые могут служить для ввода информации);

• сканеры;

• манипуляторы;

• биометрические (в том числе акустические, голосовые, тактильные) устройства.

8.2. Монитор

Монитором называют устройство, применяемое для контроля и управления каким-либо процессом или системой. На экране монитора отображается вводимая текстовая или графическая информация. По физическим принципам формирования изображения мониторы бывают :

• на базе электронно-лучевых трубок;

• жидкокристаллические;

• плазменные;

• электролюминесцентные;

• SED-мониторы;

• NED – дисплеи.

Основными техническими характеристиками мониторов являются разрешающая способность, количество воспроизводимых цветов, размер экрана, масса и габариты, потребляемая мощность.

Принцип работы мониторов на базе электронно-лучевой трубки аналогичен работе бытового телевизора. В электронно-лучевой трубке формируются три луча (для цветной трубки), управляя перемещением и интенсивностью которых можно получить изображение на люминоформном экране.

Мониторы могут работать в двух режимах: текстовом и графическом. В текстовом режиме экран монитора условно разбивается на отдельные участки – знакоместа (25 строк по 80 символов) В каждое знакоместо может быть введен один из 256 символов: – большие и малые латинские буквы, большие и малые буквы кириллицы, цифры, специальные знаки и символы. Для каждого знакоместа может быть определен цвет, фон, тип шрифта, его размер и т.п.

Графический режим предназначен для вывода на экран графиков и рисунков. В этом же режиме можно выводить и текстовую информацию, однако, такой режим требует значительно большей памяти для хранения информации.

В настоящее время наиболее распространенными мониторами являются VGA и SVGA, отличающиеся по разрешающей способности, стоимости, цветопередаче, частоте смены кадров и т.д. Например, разрешение может быть 1024х768 пикселов (точек) для экрана в 17”, а частота смены кадров – 75 или 100 Гц.

Принцип работы жидкокристаллических мониторов заключается в возможности управлять поляризацией светового потока с помощью жидкокристаллических материалов, помещенных в электрическое поле. Имеется несколько вариантов использования этого явления. В наиболее распространенных активных матрицах жидкокристаллический материал располагается между двумя стеклянными пластинками, на которые нанесены вертикальные и прозрачные горизонтальные токопроводящие полосы. Управление свечением каждого пиксела, находящегося на пересечении этих горизонтальных и вертикальных полос, осуществляется с помощью тонкопленочного транзистора. Поскольку сами жидкие кристаллы не излучают свет, то для получения изображения необходимо использовать или искусственную подсветку или внешнее освещение. Основные преимущества жидкокристаллических мониторов заключаются в отсутствии рентгеновского излучения, малых габаритах (по толщине) и весе, уменьшенном потреблении электроэнергии. Недостаток – высокая стоимость (в 2 –3 раза выше, чем ЭЛТ-мониторов).

В плазменном мониторе электрический ток, пропускаемый через плазменный дисплей, образует заряженную плазму, излучающую ультрафиолетовый свет. Этот свет падает на заднюю стенку панели, покрытую люминофором. Чередующиеся столбцы красного, зеленого и голубого люминофоров излучают свет, направляемый к наблюдателю через передний экран. Размер панели по диагонали может достигать даже нескольких метров. Эти дисплеи отличаются легкостью конструкции, прекрасной цветопередачей и яркостью, что делает их хорошим техническим средством для презентаций, конференций и т.п. Недостаток заключается в высокой стоимости и небольшом сроке службы (например, 20000 часов).

Электролюминесцентные мониторы находятся в настоящее время на стадии разработок, хотя опытные образцы уже были представлены на ряде международных форумах. В органических светодиодах OLED (Organic Light-Emitting Diode) используются специальные углеродные молекулы, излучающие свет различных цветов при прохождении через них электрического разряда. OLED-панели потребляют относительно мало энергии при низких напряжениях, технология их изготовления проста и они отличаются очень малой толщиной (их можно скручивать в трубки). В настоящее время они используются в карманных компьютерах и мобильных телефонах (Samsung, NEC). А фирма LG.Philips объявила о создании в содружестве с LG Electronics 20,1 дюймового OLED-дисплея. На сегодняшний день это самый крупный экран на основе органических светодиодов. Одним из факторов роста рынка OLED-дисплеев может стать окончание срока действия ряда патентов, по которым производители вынуждены делать лицензионные платежи в пользу фирмы Estman Kodak.

В последнее время много сведений поступает о разработке фирмами Canon и Toshiba еще одного направления в приборах отображения видеоинформации – SED-устройствах (Surface Emitter Display). Данная технология появилась 30-40 лет назад и совершенствовалась до настоящего времени. В основе построения изображения новых мониторов лежит известный принцип: цвета формируются из трех каналов – красного, зеленого и синего. Цветные точки формируются по принципу, близкому к катодно-лучевой трубке (люминофор светится под действием потока электронов). Однако благодаря использованию холодной эмиссии электронов удалось свести на нет вредную радиацию и значительно уменьшить толщину всего устройства. Специалисты полагают, что в 2007 г такие устройства уже будут конкурировать с жидкокристаллическими и плазменными панелями. Их существенным преимуществом в настоящее время является высокая контрастность изображения (100000:1).

ЭЛТ- , плазменные, электролюминесцентные и SED- мониторы являются активными, излучающими свет. Для их работы не нужен посторонний источник света. ЖК-мониторы являются пассивными. Они работают только при наличии внешнего источника света – отраженного или проходящего сквозь прозрачные панели [ 8 ].

В начале 2005 г. исследовательское подразделение компании Motorola (Motorola Labs) объявило о создании первого прототипа плоскопанельного дисплея на основе технологии углеродных нанотрубок CNT (Carbon Nanotube Technology). Как ожидается, она позволит производить крупноформатные дисплеи с лучшим качеством изображения, большим сроком службы и меньшей ценой, чем у предлагаемых в настоящее время продуктов аналогичного назначения. При изготовлении прототипа была использована разработанная в подразделении технология Nano Emissive Display (NED), представляющая собой недорогой и легко масштабируемый метод выращивания нанотрубок непосредственно на стеклянной подложке. По качеству изображения, углам обзора, времени отклика и диапазону температур NED-образцы превосходят современные ЭЛТ-дисплеи.

В некоторых компьютерах, например планшетных, может отсутствовать клавиатура как отдельное устройство. Ввод информации здесь осуществляется непосредственно через монитор, на который выносится изображение клавиатуры и который является тактильно-чувствительным прибором.

8.3.Клавиатура

Клавиатура – одно из основных устройств, с которым имеет дело пользователь при активной работе с компьютером. Вид введенной в компьютер информации определяется программой, интерпретирующей нажатие клавиши. С помощью клавиатуры можно вводить любые символы, цифры, буквы, знаки, иероглифы, музыкальные знаки и т.п. из библиотеки программного обеспечения. Клавиатура позволяет управлять курсором,

“ прокручивать” экран, отправлять содержимое экрана на принтер или ВЗУ и т.д.

В последнее время появились альтернативные клавиатуре устройства: виртуальная клавиатура на экране монитора, речевой ввод, сканер.

Стандартная клавиатура имеет несколько групп клавишей:

1. Алфавитно-цифровые и знаковые (латинские и русские буквы, знаки пунктуации, математические знаки) клавиши.

2. Специальные клавиши: Esc, Enter, Backspace.

3. Функциональные клавиши: F1, F2…F10.

4. Служебные для редактирования и перемещения курсора: Ins, Del,Up, Down, Left, Right, Home, End.

5. Служебные для смены регистров и модификации кодов: Alt, Ctrl, Shift.

6. Для фиксации регистров: Lock.

7. Вспомагательные: Print Screen, Pause.

Количество клавиш в стандартном исполнении – 101 или 102. Клавиатура содержит свой микропроцессор, работающий по программе, записанной в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

8.4. Сканеры

Сканер это устройство, позволяющее вводить в компьютер плоское (двухмерное) изображение. Принцип работы его состоит в том, что поверхность изображения освещается перемещающимся лучом света, а светочувствительный прибор (фотодиод, фотоумножитель и т.п.) воспринимает отраженный свет, интенсивность которого зависит от яркости освещенного участка, и преобразовывает его в электрический сигнал. Полученное изображение может быть сохранено в памяти компьютера, обработано с помощью графического редактора и выведено на печать.

Для редактирования текста необходимо изображение текста преобразовать в код, воспринимаемый редактором (например, Windows 1251).

Сканеры бывают портативные и настольные. Портативные сканеры при перемещении их рукой по изображению кодируют его. Этот код затем может быть передан компьютеру для редактирования. Поскольку размеры портативных сканеров небольшие одно изображение приходится считывать несколько раз. Программное обеспечение позволяет выполнять функцию склейки отдельных участков изображения. Разрешающая способность сканеров бывает 400 и более точек на дюйм. Основные их производители фирмы HP, Mustek, Epson. Распознавание символов для последующего редактирования и запоминания в компактной форме производится с помощью отдельно поставляемого программного обеспечения (например, программы Fine Reader) [ 8 ].

8.5. Манипуляторы

Эти устройства служат для управления положением курсора на экране монитора и управления некоторыми опрерациями. Наиболее распространенными из них являются мышь, джойстик, трекбол , Touch Pad и Track Point.

Из перечисленных манипуляторов мышь находит в настоящее время наибольшее применение в персональных компьютерах. Идея ее создания была сформулирована сотрудником Стенфордской лаборатории (США) Д.С.Энджельвортом еще в 1957 г., но в современном виде она была реализована только в 70-х гг. Движение мыши по коврику передается шарику, выполненному из плотной резины. Вращение шарика в свою очередь передается двум валикам, расположенным перпендикулярно друг другу. Вращение валиков регистрируется соответствующим перемещением курсора на экране. Мышь соединена с системным блоком с помощью кабеля через последовательный порт. Мышь долгое время оставалась практически неизменяемой по параметрам и функциям, однако в последнее время наметились существенные изменения. Появились беспроводные конструкции мышей, связанные с системным блоком с помощью инфракрасного или радио порта. На смену механическим мышам с вращаюшимся шариком пришли оптические мыши, в которых их перемещение фиксируется с помощью оптической системы по изменяющейся текстуре стола или подложки, по которой перемещается мышь. . А самые последние конструкции мышей снабжены системой распознавания отпечатков пальцев пользователя, что обеспечивает его идентификацию и устраняет несанкционированный доступ к компьютеру.

Трекбол (trackball) является разновидностью мыши. Он выглядит как перевернутая мышь, а движущаяся его часть – шарик – вращается рукой. Трекболы чаще всего используются в переносных компьютерах – ноутбуках, но в настоящее время из-за своих недостатков – постепенного загрязнения поверхности шарика и потери точности – они заменены устройствами Touch Pad и Track Point.

Джойстик, или рычажной манипулятор, используется как игровой манипулятор. С его помощью удобно управлять ходом компьютерных игр. Внешне он выглядит как рукоятка с кнопками на подставке [ 9 ].

Устройства Touch Pad (тачпад) чаще используются в переносных компьютерах. С их помощью движением пальца по некоторой чувствительной поверхности можно управлять перемещением курсора.

Устройства Track Point (трекпойнт) – это координатные устройства и представляют собой миниатюрный джойстик с шершавой вершиной диаметром 5-8 мм. Трекпойнт располагается на клавиатуре между клавишами ноутбука и управляется нажатием пальца.

8.6. Биометрические устройства

Биометрические устройства ввода служат для идентификации пользователя и получения пользователем доступа к конкретному компьютеру или вычислительной сети. По способу считывания биометрические устройства подразделяются на контактные, дистанционные (бесконтактные) и комбинированные.

Контактное считывание идентификационных признаков предполагает непосредственное взаимодействие идентификатора (пользователя) и считывателя – проведение идентификатора через считыватель или их простое соприкосновение.

Дистанционный способ считывания не требует четкого позиционирования идентификатора и считывателя. Для чтения данных нужно подвести на определенное расстояние идентификатор к считывателю (оптический метод).

В биометрических устройствах идентификационными признаками являются индивидуальные признаки человека (отпечатки пальцев, геометрия ладони, рисунок сетчатки глаза, форма и термограмма лица, голос, подпись, запах и т.д.). В комбинированных устройствах используются несколько идентификационных признаков одновременно. Высокий уровень защиты в биометрических устройствах определяется тем, что биометрия позволяет идентифицировать именно конкретного человека, а не устройство. До последнего времени использование биометрических устройств тормозилось их высокой стоимостью. Успехи в технологиях, теории распознавания образов и микроэлектронике позволили значительно снизить их стоимость и расширить область применения.

Данное положение особенно характерно для дактилоскопических устройств доступа. Отпечаток пальца считается одним из наиболее устойчивых идентификационных признаков (не изменяется со временем, при повреждении кожного покрова идентичный папиллярный узор полностью восстанавливается, при сканировании не вызывает дискомфорта у пользователя). В 2002 г. доля устройств дактилоскопического доступа составляла свыше 52% мирового биометрического рынка.

Считыватели (сканеры) отпечатков пальцев представляют собой подключаемые к одному из портов компьютера отдельные устройства либо они встраиваются в компьютерные мыши (как это указывалось выше), клавиатуры, корпуса мониторов. Наибольшее распространение получили все же дактилоскопические мыши. В таких современных устройствах вероятность ложного отказа составляет 10^-2, а вероятность ложного доступа — 10^-9 .

В настоящее время ряд государств (в частности, Бельгия) вводят биометрические данные человека в удостоверение личности (паспорт). Над подобной проблемой работают и в нашей стране.

8. УСТРОЙСТВА ВЫВОДА

9.1. Общие положения

С помощью устройств вывода мы получаем от компьютера переработанную информацию. Некоторые из перечисленных ранее устройств ввода могут служить для вывода информации. К ним надо отнести монитор, магнитные запоминающие устройства (ВЗУ), магнитооптические и оптические пишущие устройства. Из специфических устройств, служащих только для вывода информации необходимо рассмотреть принтеры, плоттеры и акустические устройства.

9.2. Принтеры

По технологии печати принтеры можно разделить на

1. Матричные.

2. Струйные.

3. Лазерные.

4. Светодиодные.

В матричных принтерах печатающая головка содержит один или два вертикальных ряда иголок. Общее количество иголок в головке чаще всего бывает 9 или 24. У последних качество печати существенно выше, но все равно оно уступает качеству струйных, лазерных и светодиодных принтеров. Между печатающей головкой и бумагой располагается красящая лента. Из схемы управления на печатающую головку приходят сигналы, которые приводят в движение соответствующие иглы. Они ударяют по красящей ленте и на бумаге остаются точки. Далее головка перемещается на следующую позицию и печатает следующий вертикальный ряд точек. После достижения конца строки печатающая головка перемещается на начало новой строки, а бумага перемещается на одну строку. Отличительной чертой матричных принтеров является относительно низкая стоимость самого принтера, так и стоимость одной копии. Дополнительным достоинством матричных принтеров является возможность получения на них одновременно несколько копий с помощью копировальной бумаги. Это делает их удобными при использовании в банках и регистрации финансовых операций.

В струйных принтерах печатающая головка имеет чернильницу с соплами, через которые чернила подаются на бумагу. Перемещение печатающей головки аналогично перемещению головки в матричном принтере. Лучшее качество печати обеспечивается меньшими размерами точки. Разрешающая способность принтеров измеряется в точках на дюйм. Например, при разрешении принтера 600х600 dpi размер точки составляет 0,042 мм. В настоящее время существуют принтеры с гораздо лучшим разрешением (до 4000 dpi). Количество сопел в одной головке может достигать нескольких сотен. По стоимости струйные принтеры (даже цветные) могут быть дешевле матричных. Однако стоимость получения одной копии у них даже выше, чем у лазерных принтеров, что связано с относительно высокой стоимостью картриджа (у него малый ресурс – 300-500 стр.).

Лазерные (и светодиодные) принтеры, как и копировальные аппараты, используют принцип сухой ксерографии, в основе которого лежит напыление порошка на материал (бумагу) с последующим запеканием. В лазерном принтере в качестве источника света используется лазер, который меняет потенциал в определенных участках фоторецептора (барабана), на которые затем наносится порошок (тонер). Лазерная пушка светит на зеркало, которое вращается с высокой скоростью. Отраженный луч через систему зеркал и призму попадает на светочувствительный барабан и за счет поворота зеркала выбивает заряды по всей длине барабана. Затем происходит поворот барабана на один шаг и вычерчивается новая линия. Лазерные принтеры кроме механической части имеют в своем составе серьезную электронику : ЗУ (могут быть и винчестеры), периферийный процессор. Это позволяет значительную часть работы, связанную с обработкой контента (текста, графики), передать от компьютера принтеру.

Лазерные принтеры обеспечивают несколько лучшее качество печати по сравнению со струйными принтерами, но первоначальная стоимость их существенно выше. Их основная область применения – офисы с высоким объемом печати.