Клавиатура

XV. ТИПОВЫЕ УСТРОЙСТВА ВВОДА И ВЫВОДА

ИНФОРМАЦИИ

Клавиатура

В настоящее время клавиатура (Keyboard) все еще остается основным устройством ввода информации в компьютер, и в ближайшее время никакой серьезной альтернативы ей нет, пока не будет создана качественная и недорогая система распознавания непосредственно человеческой речи.

Клавиатура персонального компьютера представляет собой унифицированное устройство, которое подсоединяется к системной плате при помощи стандартного разъема. Обычно 5-контактным разъема типа DIN (Deutsche Industrie Norm) или типа Mini DIN. Поскольку разъемы Mini DIN впервые были использованы в компьютерах Intel PS/2, эти разъемы большей частью так и называют: разъемы или порты PS/2. Однако в последнее время подключение клавиатуры все чаще происходит через разъемы типа USB.

Конструктивное выполнение клавиш клавиатуры может быть различным. В качестве датчиков нажатия клавиш используют механические контакты (открытые или герконовые), контакты на основе токопроводящей резины, емкостные датчики и датчики на эффекте Холла. Последние два типа датчиков клавиш являются наиболее надежными, но и существенно более дорогими. Независимо от типа применяемых датчиков нажатия клавиш, все они объединяются в матрицу.

В настоящее время, наиболее распространенным типом клавиатуры, ставшим современным стандартом является так называемая расширенная клавиатура, имеющая 101/102 клавиши, хотя и используются клавиатуры с 84, а также с 104, 105 и даже с 122 клавишами. Кроме того, имеются и различные эргономические варианты, которые целесообразно использовать в случаях особо интенсивной работы на них.

Блок-схема связи клавиатуры с системной платой и монитором компьютера приведена на рис.XV.1.

Нажатием клавиши клавиатуры пользователь подает сигнал во внутренний контроллер клавиатуры, обычно реализуемый в виде специальной микросхемы типа 8049. При поступлении этого сигнала, контроллер клавиатуры генерирует некоторый пакет данных, называемый скэн-кодом (scan-code), который определяется порядковым номером расположения клавиши на клавиатуре. Для увеличения надежности ввода, скэн-код состоит как бы из двух частей, образующих непрерывную цепочку битов: кода нажатия и кода освобождения. Код нажатия генерируется при нажатии клавиши и представляет собой один байт, код которого определяет порядковый номер нажатой клавиши. Код освобождения генерируется при отпускании клавиши и

представляет собой два байта. Первый байт всегда равен F0h, а второй – повторяет код порядкового номера нажатой клавиши. Сами же номера клавиш назначаются фирмой-изготовителем.

о

Рис.XV.1 Схема принципа действия клавиатуры.

При удержании клавиши в нажатом состоянии, через некоторое время клавиатура начинает автоповтор передачи скэн-кода нажатия этой клавиши. Задержка автоповтора (typematic delay) и скорость автоповтора (typematic rate) программируются и, следовательно, интерфейс между внутренним контроллером клавиатуры и системной платой – двунаправленный. От клавиатуры передается информация о нажатии/отпускании клавиш, а передача информации к клавиатуре используется для управления светодиодными индикаторами ее состояния и программирования параметров (автоповтор, выбор таблиц скэн-кодов, а также управление режимом сканирования матрицы клавиш и запуск диагностического теста).

Формируемый контроллером клавиатуры скэн-код подается на специальный контроллер интерфейса клавиатуры на системной плате. В наиболее распространенных персональных компьютерах PC AT, в качестве такого контроллера, обычно используется микросхема периферийного универсального интерфейса UPI (Universal Peripheral Interface) типа i8042/8242. Когда скэн-код поступает в этот контроллер, инициируется аппаратное прерывание IRQ1 (вектор 09h). Процессор прекращает выполнение текущей программы, и управление передается на процедуру, анализирующую скэн-код. Данное прерывание обслуживается специальной программой, входящей в состав ROM BIOS (BIOS INT 09h). Процедура прерывания преобразует, поступающие с клавиатуры скэн-коды, в специальный двухбайтовый код. Младший из этих двух байтов для алфавитно-цифровых клавиш содержит ASCII-код, соответствующий изображенному на клавише знаку. Этот байт называется главным. Старший байт - вспомогательный – содержит исходный скэн-код нажатия. При нажатии одиночной клавиши, относящейся к функциональным или служебным клавишам, или при одновременном нажатии некоторых клавиш главный байт содержит не ASCII-код, а 0. Это позволяет проверить важный факт, свидетельствующий о том, что при нажатии в данный момент клавиша не относится к алфавитно-цифровым клавишам. Вспомогательный байт при этом содержит уникальный номер, совпадающий со скэн-кодом нажатой клавиши, или же он соответствует определенной комбинации одновременно нажатых клавиш. Сочетание главного и вспомогательного кода, когда первый из них равен 0, называют расширенным ASCII-кодом. При поступлении скэн-кода от клавиш <Alt>, <Ctrl>, <Shift> или <CapLock>, изменение статуса записывается в RAM. При этом обрабатывающая процедура сначала определяет установку клавиш и переключателей, чтобы правильно получить вводимый код (например, «а» или «А»). Затем введенный код помещается в буфер клавиатуры, представляющий собой область памяти, способную запомнить до 15 вводимых символов, пока прикладная программа не может их обработать. Этот буфер организован по принципу FIFO (первый вошел – первый вышел).

Мышь.

Манипулятор типа «мышь» - самое простое и популярное средство ввода информации в компьютер. Более того, работать без мыши в операционной среде Windows с графическим интерфейсом практически невозможно. Мышь после клавиатуры – наиболее многофункциональное устройство ввода. С помощью мыши пользователь управляет перемещением курсора на экране в любом направлении. В операционной среде Windows, подведя курсор с помощью мыши к изображению какой-либо кнопки, можно щелчком левой клавиши мыши имитировать нажатие клавиши «Enter». По статистике современный пользователь более 80% времени работы за компьютером пользуется мышью. Наиболее распространенная и дешевая мышь имеет две клавиши: левую, наиболее часто используемую, и правую, предназначенную для вызова вспомогательных функций. Довольно широко распространена мышь и с тремя клавишами, но средняя клавиша в среде Windows практически не используется. В последнее время пользуется популярностью модель мыши с колесиком, которое применяется для вертикальной прокрутки окна. Разработаны и другие варианты мышей, но они распространены значительно реже. Что касается эргономических вариантов изготовления, то их существует огромное множество.

Одной из важнейших характеристик мыши является ее разрешение. Разрешение мыши измеряется в dpi (dot per inch – количество точек на дюйм). Если мышь имеет разрешение 1500 dpi, и вы передвигаете ее на 1 дюйм вправо, то привод мыши получает через микроконтроллер информацию о смещении на 1500 единиц вправо. Драйвер мыши рассчитывает эту информацию и усредняет ее в зависимости от графического разрешения монитора для позиционирования курсора на экране монитора. При этом не имеет значение, двигалась мышь быстро или медленно. Нормальное разрешение мыши лежит в диапазоне от 200 до 900 dpi. Мышь с разрешением более 1000 dpi позволяет очень точно вести и позиционировать курсор, при этом точность, естественно, будет зависеть от выбранного разрешения экрана монитора.

Первые мыши конструктивно изготавливались чисто механическими, однако вследствие их ненадежности они давно уже не используются. До недавнего времени наиболее распространены были оптико-механические мыши, кинематическая схема которой приведена на рис.XV.2.

Рис. XV.2. Устройство оптико-механической мыши.

Основными элементами оптико-механической мыши являются:

1. Металлический шарик, покрытый сплошным резиновым слоем;

2. Два пластмассовых валика, фрикционно-связанные с шариком с помощью подпружиненного прижимного ролика, оси, которых расположены в одной плоскости под углом 90⁰ друг относительно друга;

3. Два диска с радиальными прорезями, насаженные на концах осей валиков;

4. Четыре светодиода (по два на каждую координату), являющиеся источниками света;

5. Четыре фотодатчика (фотодиода, фоторезистора или фототранзистора), также по два на каждую координату, воспринимающие световые импульсы, появляющиеся при вращении дисков с радиальными прорезями;

6. Набор микросхем (микроконтроллер) для первичной обработки сигналов от координатных фотодатчиков и клавиш мыши.

При перемещении мыши по коврику, шарик, который через небольшое отверстие соприкасается с ковриком, - вращается и передает вращение через валики дискам с прорезями. Прорези в дисках модулируют световой поток, вызывая последовательность электрических импульсов от фотоприемников, которые поступают в микроконтроллер. На каждой координате используются по две оптопары (светодиод – фотодиод) и, следовательно, от каждой координаты в микроконтроллер поступают по две последовательности импульсов. По порядку засвечивания фотодиодов микропроцессор определяет направление вращения, а пройденное расстояние рассчитывается по количеству импульсов, полученных от фотодиодов.

Постоянные проблемы с загрязнением шарика у оптико-механических мышей привели к разработке и производству в 1999 году так называемых оптических мышей, которые в последнее время получили подавляющее распространение. Внешне оптическая мышь или мышь с оптическим датчиком мало отличается оптико-механической. Только внизу, на месте резинового шарика, имеется прозрачное окошко, в котором светится светодиод. Внутренняя конструкция оптической мыши очень проста. Небольшая плата, на которой размещены микросхема контроллера мыши и оптический блок, состоящий из фотоприемника и мощного, обычно красного, светодиода (с 2004 года вместо светодиода стал использоваться малогабаритный полупроводниковый лазер), испускающего луч света под углом примерно в 30⁰ к плоскости дна мыши (см. рис.XV.3).

Рис.XV.3 Оптический блок бесконтактной оптической мыши.

Изображение небольшой области поверхности, куда падает луч лазера, попадает на оптическую матрицу фотоприемника (миниатюрную видеокамеру), откуда передается в специальный сигнальный микропроцессор (DSP). При этом фотоприемник в современных моделях оптических мышей, позволяет производить смену изображений с быстродействием до 6000 кадров в секунду. Сигнальный микропроцессор, на основе анализа изменений в последовательно поступающих изображениях, определяет траекторию перемещения мыши и вычисляет пройденное расстояние.

Поскольку при измерении перемещения мыши используется луч света, то оптическая мышь может работать на любой поверхности за исключением зеркальных и хорошо отполированных, на которых изменение изображений трудно различимо. В принципе даже не нужен непосредственный контакт корпуса мыши с какой-либо поверхностью. Фотоприемник реагирует на перемещение мыши до 2 см от поверхности. Когда мышь неподвижна, светодиод уменьшает свою яркость для экономии электроэнергии. Как только мышь сдвинется с места, яркость свечения светодиода резко увеличивается.

В последнее время получили распространение так называемые «безхвостные» мыши, которые не имеют проводных соединений между мышью и системной шиной компьютера. Эта связь у них осуществляется с помощью радио- или инфракрасного излучения. Они, конечно, более удобны в пользовании, но более дороги и требуют специальных интерфейсов. Поэтому они используются главным образом в ноутбуках.