Глава 5. Периферийные устройства эвм
ПУ – периферийные устройства предназначены для обеспечения работы ЭВМ и ее связи с внешними источниками и потребителями информации.
ПУ условно можно разделить на 3 группы:
Интерфейсы – обеспечивают согласование (взаимодействие) внутренних узлов ЭВМ и внешних устройств (отдельный курс ИПУ), вспомогательная аппаратура – блоки питания, устройства защиты от перегрузок, вентиляции, счетчики времени (таймеры) и др.
Внешняя память (отдельный курс: ЗУ ЭВМ) – магнитные ленты, магнитные диски и оптические диски.
Устройства ввода/вывода данных и сигналов управления. Их можно разделить на типы:
- устройства ручного ввода – клавиатура, кнопки
- устройства полуавтоматического ввода: мыши, трэкболы, джойстики, планшеты (дигитайзеры), световое перо, ввод магнитных и оптических носителей, цифровые камеры, анализаторы речи, устройства распознавания образов и др.
- устройства вывода: записи на магнитные и оптические носители, регистрации-графопостроители (плоттеры), принтеры, устройства отображения, синтезаторы речи.
- устройства передачи информации: модемы, ЦАП и др.
Большинство периферийных устройств имеют ряд проблем:
Большое различие с ЭВМ в быстродействии, что снижает производительность ЭВМ.
Более низкая надежность по сравнению с ЭВМ из-за наличия во многих ПУ электромеханических узлов.
В данном курсе будут рассмотрены основные устройства ввода/вывода в ЭВМ.
Клавиатура для ЭВМ
Клавиатура - одно из основных устройств ввода информации в ЭВМ. Состоит из семи групп клавиш:
- алфавитно-цифровые, - управляющие
- функциональные, - малая цифровая
- управление курсором, - дополнительные
- световые индикаторы функций.
Помимо названных групп клавиш, в ЭВМ при работе с различными программами на экране часто можно видеть символы, изображения которых отсутствуют на клавиатуре.
Для ввода таких символов надо знать таблицу их кодирования (Alt-Z – вызов).
В персональных ЭВМ чаще используется американский код ASII, насчитывающий 256 символов.
Для ввода символа (помимо стандартного ASII) при нажатой клавише Alt на малой цифровой клавиатуре набирается его цифровой код.
Например, Alt – Z – 7 – получим жирную точку •.
Alt –Z – 26 – получим → и т.д.(рис. 5.0.)
Рис. 5.0 Коды символов на цифровом поле
Современные клавиатуры содержат 101, 104, 105 и 122 клавиши.
С появлением ОС Windows появились клавиатуры с дополнительными клавишами, выполняющие функции мышки.
Типы стандартных клавиатур:
Клавиатура XT – 83 клавиши, без индикаторов и цифрового поля. Практически вышли из употребления.
Клавиатура АТ – 84 клавиши (добавлена клавиша прокрутки Scroll Lock), имеет двунаправленный интерфейс. Устаревшая, практически не применяется .
Расширенный клавиатуры АТ и PS/2 (101 и 102 кл.) различаются разъемами, стали основой современного стандарта. На их основе появились многофункциональные (MFII) (104, 105, 122 клавиши).
Разновидности клавиатур:
- эргономические со специальными приспособлениями типа подставки для руки.
- V- образные
- промышленные (со специальной защитой от пыли, влаги, грязи).
- для считывающих устройств (в магазинах)
- клавиатура для слепых.
- профессиональные (особо расположенные клавиши) и т.д. их сейчас множество.
5. Разъемы клавиатур:
1. 5 –контактный (рис. 5.01)
2. 6 контактный (рис. 5.01)
3. USB – разъем, вытесняет все остальные (о USB – шине - позже).
5.2. Устройство и принцип действия клавиатуры
Структурная схема стандартной клавиатуры представлена на рис. 5.02
При нажатии клавиши образуется код, который принимается контроллером 8049, в нем преобразуется в СКЭН-код и передается на материнскую плату в контроллер 8042 (микросхема универсального интерфейса – UPI, представляющая собой последовательный синхронный двунаправленный интерфейс с розеткой).
Скэн-код – это однобайтовое число, младшие 7 битов которого представляют собой номер клавиши.
О необходимости чтения скэн-кода, контроллер 8042 сигнализирует процессору через вход прерывания IRQ1. Сигнал прерывания вырабатывается при каждом нажатии клавиши.
Прерывание обрабатывается специальной программой, входящей в ROM BIOS.
Скен-коды клавиш Alt, Ctrl, Delete, Shift и Caps Lock записываются в RAM (ОЗУ) а коды остальных клавиш преобразуются в ASCII или расширенный, помещаются в буфер клавиатуры (специальная область памяти RAM), способного запомнить до 15 символов, пока программа их не обработает.
Буфер организован по правилу FIFO (первый вошел, первый вышел).
Контроллер 8042 может не только принимать коды клавиш, но и передавать данные о параметрах клавиш, например, частоту их повтора.
Контроллер 8042 отвечает за генерацию скенкодов, за выполнение функций самоконтроля клавиатуры во время загрузки. Осуществляется это программой POST – тестовой программой проверки системы в составе ROM BIOS.
Контроллер идентифицирует ошибки, сообщая о них как на экране, так и звуковым сигналом, выполняет и ряд других функций.
Образование кодов клавиатурой.
Структурная схема образования кодов приведена на рис. 5.03
Счетчик СТ производит счет импульсов из ГТИ, дешифратор DC поочередно подключает горизонтальные шины. При нажатой клавише потенциал горизонтальной шины передается на соответствующий вход MUX, который коммутируется частью разрядов счетчика СТ. Сигналом на выходе MUX счетчик СТ останавливается и код с его выходов (соответствующий номеру нажатой клавиши) передается в контроллер 8049 (преобразователь кода X/Y), где формируется скэн-код. Этим же сигналом формируется сигнал прерывания.
Соответствие скэн-кодов клавишам можно определить с помощью программы ndiags входящей в пакет Norton Utilities.
Скорость считывания клавиш до 6 знаков/сек.
Блок клавиатуры можно разделить на 3 части:
- матрица клавишей
- контроллер-преобразователь кодов 8049
- элементы световой и звуковой индикации.
Надежность работы клавиатуры определяется в основном конструкцией клавиши, которые бывают разными.
Пластмассовые штыри
Сигнал образуется нажатием штыря до соприкосновения с контактной пластиной. Ненадежны. Уже не применяются. Иногда в такой клавиатуре вместо контакта с пластиной применялся микровыключатель.
Герконовый контакт (рис. 5.04)
При нажатии на клавишу замыкается цепь с электромагнитной катушкой, возникает в ней магнитное поле, под действием которого замыкается контакт в стеклянной колбе и вырабатывается сигнал. Такой контакт иногда называют RET- переключатель. Надежны. Отсутствует дребезг контактов. Число срабатываний до 120 млн. раз.
Бывают и другие конструкции клавиш.
Сенсорные клавиши – ее действие основано на усилении потенциала, который возникает при касании пальцем или каким-либо предметом к чувствительной токопроводящей поверхности. Этот потенциал усиливается, образуется импульс. Долговечны (отсутствуют механические контакты). Боятся влаги и грязи.
5.2 Оптико-механические манипуляторы
Из модели различают:
По способу подключения к портам:
- к COM – порту
- к PS/2 – порту
- к USB – порту
2. По способу взаимодействия с портом:
- проводные
- беспроводные: инфракрасное, радиоканал
3. По принципу действия:
- оптикомеханические
- оптические
Рассмотрим некоторые из них:
Оптико-механическая мышь
Принцип ее действия виден на рис. 5.05.
Фотоэлементом может быть фотодиод, фототранзистор, фоторезистор. При вращении валиков от трения шарика при его вращении при перемещении по коврику, вращаются диски с прорезями по окружности, через прорези свет попадает на фотоэлемент. Фотоэлемент вырабатывает импульсы тока, которые счетчиком преобразуются в данные определяющие местоположение указателя на экране монитора. Надежность не высокая. Разрешающая способность (точность определения место положения низкая). Шарик требует периодической чистки от налипающей грязи. Практически уходит из употребления.
Трэкбол – фактически оптико-механическая мышка, повернутая на спину. Шарик вращается пальцами, не требует коврика.
Тачпад – сенсорная площадка. Перемещение указателя за счет создания потенциалов на поверхности при движении по ней пальца. Боится грязи. Сложно применять для графических рисунков.
Джойстик: бывает аналоговый (более точны) и цифровой. Перемещение рычажка (реостата) в 4-х направлениях определяет местоположение указателя на экране.
Аналоговые джойстики требуют игрового порта (в котором происходит преобразование аналогового сигнала в цифровые).
Световое перо: в конце ручки (карандаша) находится фотоэлемент, который при соприкосновении к светящемуся экрану вырабатывает электрический сигнал, который нажатием кнопки на ручке передается на графический адаптер, где вычисляются координаты места прикосновения фотоэлемента и заносится в память с последующим воспроизведением траектории перемещения пера по экрану.
Оптическая мышь – наиболее распространена
Принцип действия ее виден на рис. 5.06
Светодиод с определенной частотой излучает световые импульсы на коврик (любую гладкую поверхность) которые отражаясь попадают на поверхность датчика (матрица ПЗС – прибор с зарядовой связью, рассмотрим позже), который преобразует отраженные от коврика лучи света в электрический сигнал. Специальный процессор в мышке (18 млн. оп/с) преобразует этот сигнал в цифровые данные, определяющие местоположение указателя на экране.
Достоинства мышки: надежность, точность определения местоположения, высокая разрешающая способность, безинерционность. Сейчас появились мышки у которых источником света является лазер, существенно улучшающий характеристики мыши. К сожалению пока дорогие.
Трэкпойнт – координационное устройство - миниатюрный джойстик с шершавой поверхностью (диаметр 5-8 мм), расположен между клавишами клавиатуры, управляется нажатием пальца. Подобие мышки встроенной в клавиатуру.
5.3. Графические планшеты (дигитайзеры)
Полуавтоматическое устройство ввода в ЭВМ графической информации
Структурная схема дигитайзера приведена на рис. 5.07
Где БЗУ – буферное запоминающей устройство;
УУ – устройство управления.
По команде УУ подаются импульсы от ГТИ на входы счетчиков СТХ и СТУ, выходы из которых соединены со входами дешифраторов DCX и DCУ. Выходы дешифраторов поочередно подключают шины Х и Y к схемам возбуждения.
На пересечении возбужденных шин образуется потенциал, который снимается тензором (карандашом) и подается на схему формирования сигнала, соответствующего данной точке. Этим же сигналом счетчики СТХ и СТУ останавливаются и соответствующие коды на их выходах (координаты точки) записываются в БЗУ. Скорость подобной оцифровки координат достигает до 100 точек/с.
К снятым подобным образом координатам чертежа может быть добавлена алфавитно-цифровая информация с помощью клавиатуры.
В дигитайзере может быть предусмотрено еще одно поле ввода: наборное поле, с помощью которого по команде можно вводить: тип линии, значение ее толщины, коды различных символов с заданием их координат расположения на чертеже.
В некоторых дигитайзерах предусматривается векторное задание линий, дуг, окружностей (вектор линии: координата начала и конца линии дуги – координаты центра и ее радиус), что экономит память.
Выдаваемая информация в ЭВМ формируется в кадры, которые подсчитываются автоматически.
Разрешающая способность на формате 1000х1500 мм достигает 0,1 мм.
Для удобства работы оператора, дигитайзер может быть снабжен дисплеем, что дает возможность контролировать процесс ввода.
Вводимый чертеж может располагаться на бумаге толщиной до 0,5 мм. (Сигнал пробивается на тензор).
Тензор – это «карандаш» с индуктивностью на конце и микровключателем, который срабатывает при нажатии тензора на бумагу.