2. Клавіатура система передачі та кодування сигналів.

Клавіатура (з функціональної точки зору) складається мікроконтролера клавіатури (МкКл) та системи координування клавіш (верхньої та нижньої пластин і ізоляційної пластини між ними). Верхні і нижні ізоляційні пластини з’єднані зі МкКл відповідно горизонтальними контактами (ГК) і вертикальними контактами (ВК).

Клавіатура настільного ПК має з’єднання із системним блоком через послідовний інтерфейс. У системному блоці на материнській платі інтегований контролер клавіатури який відповідає за прийом (відправлення) сигналів від (до) клавіатури.

Передача сигналів та система кодування. Клавіатура функціонує за таким принципом. МкКл із високою частотою послідовно подає на ГК імпульси струму. При натисканні клавіші імпульс передається на відповідну лінію ВК і МкКл визначає яка клавіша натиснута.

У залежності від часу натискання клавіші МкКл розрізняє такі три часові області:

• диринчання контактів;

• натиснення клавіші;

• автоповторення символа.

Процес подання імпульсів на систему координування клавіш через ГК та зчитування сигналів на ВК називається скануванням. Код який фіксується у результаті називається скан-кодом. МкКл має можливість розрізняти момент натискання та момент відпускання клавіші. Завдяки цій можливості МкКл має можливість опрацьовувати комбінації натиснутих клавіш (Shift+, Ctrl+, та інші).

На виході МкКл формує паралельний код перетворюється в послідовний через кабель або безпровідний інтерфейс до системного блока. У системному блоці сигнали приймаються контролером клавіатури (ККл) на системній платі і перворюється у паралельний формат. При надходженні сигналу ККл повідомляє про це контролеру переривань (КПр). КПр здійснює визначення пріоритета сигналу, що надійшов, і надсилає запит до центрального процесора ЦП. ЦП призупиняє виконання поточної програми і здійснює обслуговування переривання. У залежності від програми яка виконувалась сприйметься зчитаний код з клавіатури і буде виконана відповідна до коду дія.

ЦП взаємодіє із клавіатурою через команду переривання BIOS – INT 16h. Номер функції для цього переривання заноситься у регістр АН, а параметр – у регістр AL.

Клавіатура серед пристроїв введення-виведення має адресу (порт) із номером 60h. Із клавіатурою можна взаємодіяти не тільки зчитуючи значення з неї, а ще й здійснювати керування нею.

3. Звукові пристрої. Система передачі та кодування звукової інформації.

Звукова́ пла́та (також звукова карта, аудіоплата) (англ. sound card) — пристрій, що дозволяє працювати зі звуком на комп'ютері (виводити на акустичні системи та записувати в комп'ютер).

Історичний нарис. Оскільки IBM-PC проектувалася не як мультимедійна машина, а інструмент для рішення наукових і ділових завдань, звукова плата на ньому не була передбачена. Єдиний звук, що видавав комп'ютер - був звук вбудованого динаміка, що повідомляв про несправності.

В 1988 році фірма Creative Labs випустила пристрій Creative Music System (С/MS, пізніше також продавалася за назвою Game Blaster) на основі двох мікросхем звукогенератора Philips SAA 1099, кожна з яких могла відтворювати по 6 голосів одночасно. Приблизно в цей же час, AdLib випустила свою карту, однойменну з назвою фірми, на основі мікросхеми YM3812 фірми Yamaha. Даний синтезатор для генерації звуку використав принцип частотної модуляції (FM, frequency modulation).

Незабаром Creative випустили карту на тій же мікросхемі, повністю сумісну з AdLib, але переважаючу її за якістю звучання. Ця плата стала основою стандарту Sound Blaster, який у 1991 році Microsoft включила в стандарт Multimedia PC (MPC). Однак ці карти мали ряд недоліків: штучне звучання інструментів і більші обсяги файлів, одна хвилина якості AUDI-CD займала порядку 10 Мегабайт.

Зі зростанням потужності процесорів, поступово стала відмирати шина ISA, на якій працювали всі попередні звукові карти, багато виробників перемкнулися на випуск карти для шини PCI. В 1998 році компанія Creative знову робить широкий крок у розвитку звуку й випуском карти Sound Blaster Live! на аудіопроцесорі EMU10K, установлює новий стандарт для IBM PC, що залишається, в удосконаленому вигляді, й донині.

Різновиди звукових плат. У наш час звукові карти бувають убудованими в материнську плату (інтегровані звукові карти), як окремі плати розширення і як зовнішні пристрої.

Інтегровані плати вбудовуються в материнську плату комп’ютера, при цьому усі входи і виходи і кодеки припаяні до материнської плати, а обробку бере на себе центральний процесор.

Плати розширення встановлюються у роз'єм шини PCI, як правило вони відтворюють звук якісніше ніж інтегровані, проте для професійної роботи їх можливості обмежені.

Зовнішні звукові плати виникли з потребою надійного екранування сигналу від сторонніх перешкод, до того ж професійні плати мають велику кількість роз’ємів, розрахованих на підключення професійних студійних пристроїв. Зовнішні плати підключають через інтерфейси USB або WireFire, причому останній більшої пропускної здатності інтерфейсу.

Будова звукової карти. Типова звукова карта включає звукову мікросхему, що містить цифро-аналоговий перетворювач, який конвертує записаний або згенерований цифровий звук в аналоговий формат. Вихідний сигнал поступає на підсилювач, навушники або зовнішній пристрій, використовуючи стандартні роз'єми, звичайно TRS або RCA. Якщо кількість чи розміри роз'ємів завеликі для задньої панелі комп'ютера, вони можуть бути винесені окремо. Більш просунуті звукові карти містять декілька мікросхем для досягнення вищої якості або поліпшення виконання різних операцій одночасно, наприклад для запису музики в реальному часі важливо, щоб синтез звуків відбувався з мінімальною затримкою процесора.

Відтворення звуку звичайно здійснюється за допомогою багатоканальних ЦАП, що підтримують одночасне відтворення звуків різної висоти й гучності, а також звукові ефекти в реальному часі. Багатоканальне відтворення звуку також використовується для синтезу звуку за допомогою цифрових банків інструментів (англ. Wavetable), що займає невелику кількість постійної або флеш-пам'яті і містить звукові семпли MIDI-інструментів. Інший шлях синтезу звуків полягає у використанні "аудіо-кодеків", цей шлях вимагає відповідного програмного забезпечення, сумісності з MIDI, та багатоканальної емуляції.

Звукові канали та поліфонія. Важливою характеристикою звукової плати є поліфо́нія, що означає можливість одночасного і незалежного відтворення принаймні кількох звуків, та кількість незалежних звукових каналів. Останнє означає кількість електричних аудіо-виходів, відсилаючи до конфігурації динаміків (наприклад таких 2.0 (стерео), 2.1 (стерео і саб-вуфер), 5.1 тощо). Іноді (напр. в MIDI-технологіях) обидва англійські терміни — «voices» («англ. голоси») та «channels» («англ. канали») означають глибину поліфо́нії.

Зовнішній інтерфейс. Більшість звукових карт мають роз'єми для вхідних (input) та вихідних (output) сигналів. Нерідко звукові карти оснащуються двома вхідними роз'ємами. Один з них, line-in, призначений для підключення пристроїв високого рівню сигналу, таких як, наприклад магнітофон. Цифрова карта оцифровує цей сигнал і зберігає на жорсткому диску комп'ютера (пізніше збережений сигнал можна обробляти). Інший вхідний роз'єм, microphone, призначений для підключення мікрофону або подібного пристрою низького рівня сигналу. Професійні звукові плати оснащуються кількома вхідними роз'ємами, що дозволяє здійснювати багатоканальний запис звуку.

Крім того, звукові карти містять так званий "ігровий порт", початково призначений для підключення джойстиків, проте пізніше він знайшов своє призначення для підключення MIDI-клавіатур, цифровий вихід S/PDIF та інші роз'єми.

Кодування звукової інформації. В даний час існує два основних методи запису звуку: аналоговий і цифровий. Але для того щоб записати звук на якого-небудь носія його потрібно перетворити в електричний сигнал.

Це робиться за допомогою мікрофона. Найпростіші мікрофони мають мембрану, яка коливається під впливом звукових хвиль. До мембрани приєднана катушка, що переміщається синхронне з мембраною в магнітному полі. В катушці виникає змінний електричний струм. Зміни напруги струму точно відображають звукові хвилі.

Змінний електричний струм, який з'являється на виході мікрофона, називається аналоговим сигналом. Стосовно електричного сигналу «аналоговий» означає, що цей сигнал безперервний за часом і амплітуді. Він точно відображає форму звукової хвилі, яка розповсюджується в повітрі.

Звукову інформацію можна уявити в дискретній або аналоговій формі. Їхня відмінність в тому, що при дискретному представленні інформації фізична величина змінюється стрибкоподібно («драбинкою»), приймаючи кінцеву безліч значень. Якщо ж інформацію уявити в аналоговій формі, то фізична величина може приймати нескінченну кількість значень, що безперервно змінюються.

Вінілова пластинка є прикладом аналогового зберігання звукової інформації, оскільки звукова дорога свою форму змінює безперервно. Але в аналогових записів на магнітну стрічку є великий недолік - старіння носія. За рік фонограма, яка мала нормальний рівень високих частот, може їх втратити. Вінілові пластинки при програванні їх кілька разів втрачають якість. Тому перевагу віддають цифровому запису.

На початку 80-х років з'явилися компакт-диски. Вони є прикладом дискретного зберігання звукової інформації, оскільки звукова дорога компакт - диска містить ділянки з різною здатністю, що відображає. Теоретично ці цифрові диски можуть служити вічно, якщо їх не дряпати, тобто їхніми перевагами є довговічність і несхильність механічному старінню. Інша перевага полягає в тому, що при цифровому перезаписі немає втрати якості звуку.

На мультимедійних звукових картах можна знайти аналогові мікрофонний предусилитель і микшер.

Цифро-аналогове і аналого-цифрове перетворення звукової інформації. Стисло розглянемо процеси перетворення звуку з аналогової форми в цифрову і навпаки. Зразкове уявлення про те, що відбувається в звуковій карті, може допомогти уникнути деяких помилок при роботі із звуком.

Звукові хвилі за допомогою мікрофона перетворюються на аналоговий змінний електричний сигнал. Він проходить через звуковий тракт (див. додатки малюнок 1.11, схема 1) і потрапляє в аналого-цифровий перетворювач (АЦП) - пристрій, який переводить сигнал в цифрову форму.

В спрощеному вигляді принцип роботи АЦП полягає в наступному: він виміряє через певні проміжки часу амплітуду сигналу і передає далі, вже по цифровому тракту, послідовність чисел, несучих інформацію про зміни амплітуди.

Під час аналого-цифрового перетворення ніякого фізичного перетворення не відбувається. З електричного сигналу як би знімається відбиток або зразок, що є цифровою моделлю колебаний напруги в аудіотракті. Якщо це зобразити у вигляді схеми, то ця модель уявлена у вигляді послідовності стовпчиків, кожний з яких відповідає певному числовому значенню. Цифровий сигнал по своїй природі дискретний - тобто переривистий, тому цифрова модель не зовсім точно відповідає формі аналогового сигналу.

Семпл - це проміжок часу між двома вимірюваннями амплітуди аналогового сигналу .

Дослівно Sample перекладається з англійського як «зразок». В мультимедійній і професійній звуковій термінології це слово має декілька значень. Окрім проміжку часу семплом називають також будь-яку послідовність цифрових даних, які отримали шляхом аналого-цифрового перетворення. Сам процес перетворення називають семпліруванням. В російській технічній мові називають його дискретизацією.

Вихід цифрового звуку відбувається за допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП), який на підставі цифрових даних, що поступають, у відповідні моменти часу генерує електричний сигнал необхідної амплітуди.

Параметри семплірування:

Важливими параметрами семплірування є частота і розрядність.

Частота - кількість вимірювань амплітуди аналогового сигналу в секунду.

Якщо частота семплірування не буде більш ніж в двічі перевищувати частоту верхньої межі звукового діапазону, то на високих частотах будуть відбуватися втрати. Це пояснює те, що стандартна частота для звукового компакт-диска - це частота 44.1 кГц. Оскільки діапазон коливань звукових хвиль знаходиться в межах від 20 Гц до 20 кГц, то кількість вимірювань сигналу в секунду повинна бути більше, ніж кількість коливань за той же проміжок часу. Якщо ж частота дискретизації значно нижче частоти звукової хвилі, то амплітуда сигналу встигає кілька разів змінитися за час між вимірюваннями, а це приводить до того, що цифровий відбиток несе хаотичний набір даних. При цифро-аналоговому перетворенні такій семпл не передає основний сигнал, а тільки видає шум.

В новому форматі компакт-дисків Audio DVD за одну секунду сигнал вимірюються 96 000 разів, тобто застосовують частоту семплірування 96 кГц. Для економії місця на жорсткому диску в мультимедійних додатках досить часто застосовують менші частоти: 11, 22, 32 кГц. Це приводить до зменшення чутного діапазону частот, а, значить, відбувається сильне спотворення того, що чутне.

Якщо у вигляді графіка уявити один і той же звук заввишки 1 кГц (нота до сьомої октави фортепіано приблизно відповідає цій частоті), але семпліруваний з різною частотою (нижня частина синусоїди не показана на всіх графіках), то буде видно відмінності. Один розподіл на горизонтальній осі, яка показує час, відповідає 10 семплам. Масштаб узятий однаковий див. додатки малюнок 1.13). Можна бачити, що на частоті 11 кГц приблизно п'ять коливань звукової хвилі доводиться на кожні 50 семплів, тобто один період синусоїди відображається всього за допомогою 10 значень. Це задоволено неточна передача. В той же час, якщо розглядати частоту оцифровки 44 кГц, то на кожний період синусоїди доводиться вже майже 50 семплів. Це дозволяє отримати сигнал доброї якості.

Розрядність - вказує з якою точністю відбуваються зміни амплітуди аналогового сигналу. Точність, з якою при оцифровці передається значення амплітуди сигналу в кожний з моментів часу, визначає якість сигналу після цифро-аналогового перетворення. Саме від розрядності залежить достовірність відновлення форми хвилі.

Для кодування значення амплітуди використовують принцип двійкового кодування. Звуковий сигнал повинен бути уявленим у вигляді послідовності електричних імпульсів (двійкових нулів і одиниць). Звичайно використовують 8, 16-битное або 20-битное представлення значень амплітуди. При двійковому кодуванні безперервного звукового сигналу його замінюють послідовністю дискретних рівнів сигналу. Від частоти дискретизації (кількості вимірювань рівня сигналу в одиницю часу) залежить якість кодування. Із збільшенням частоти дискретизації збільшується точність двійкового представлення інформації. При частоті 8 кГц (кількість вимірювань в секунду 8000) якість семпліруваного звукового сигналу відповідає якості радіотрансляції, а при частоті 48 кГц (кількість вимірювань в секунду 48000) - якості звучання аудио- CD.

Якщо використати 8-бітне кодування, то можна досягти точність зміни амплітуди аналогового сигналу до 1/256 від динамічного діапазону цифрового пристрою (2⁸ = 256).

Якщо використати 16-битное кодування для представлення значень амплітуди звукового сигналу, то точність вимірювання зросте в 256 разів.

В сучасних перетворювачах прийнято використати 20-битное кодування сигналу, що дозволяє одержувати високоякісну оцифровку звуку.

Пригадаємо формулу К = 2a . Тут К - кількість всіляких звуків (кількість різних рівнів сигналу або станів), які можна отримати за допомогою кодування звуку а бітами.

а	К	Примітка
8	256	Недостатньо для достовірного відновлення оригінального сигналу. Використовується там де не треба високої якості звуку.
16	65536	Використовується при запису на компакт-диск так як нелінійні спотворення мінімальні.
20	1048576	Де потрібна високо якісна оцифровка звуку.

Але ці дані істинні тільки для того сигналу, чий максимальний рівень 0 дБ. Якщо потрібно семплірувати сигнал з рівнем 6 дБ з розрядністю 16 біт, то для кодування його амплітуди буде залишатися насправді тільки 15 біт. Якщо сигнал з рівнем 12 дБ, то 14 біт. Із збільшенням рівня сигналу збільшується розрядність його оцифровки, а значить, зменшується рівень нелінійних спотворень (В технічній літературі існує термін «шум квантування»), у свою чергу кожні 6 дБ зменшуючі рівень будуть «з'їдати» 1 біт.

В даний час з'явився новий побутовий цифровий формат Audio DVD, який використовує розрядність 24 біта і частоту семплірування 96 кГц. З його допомогою можна уникнути вище розглянутого недоліку 16-битного кодування.

На сучасні цифрові звукові пристрої встановлюються 20-битные перетворювачі. Звук так і залишається 16-битным, перетворювачі підвищеної розрядності встановлюють для поліпшення якості запису на низьких рівнях. Їхній принцип роботи полягає в наступному: початковий аналоговий сигнал оцифровується з розрядністю 20 біт. Потім цифровий сигнальний процесор DSPП онижает його розрядність до 16 біт. При цьому використовується спеціальний алгоритм обчислень, за допомогою якого можна понизити спотворення низькорівневих сигналів. Зворотний процес спостерігається при цифро-аналоговому перетворенні: розрядність підвищується з 16 до 20 біт при використовуванні спеціального алгоритму, який дозволяє більш точно визначати значення амплітуди. Тобто звук залишається 16-розрядним, але є загальне поліпшення якості звучання.