Телекоммуникации и Информатика и вычислительная техника Ульяновск 2007 2
 Скачать 1.77 Mb.
|
|
8.4. Внешние устройства Устройства ввода Клавиатура — это устройство, с помощью которого осуществляется ввод данных, команд и управляющих воздействий в ПК. На клавишах нанесены буквы латинского и национального алфавитов, десятичные цифры, математические, графические и специальные служебные символы, знаки препинания, наименования некоторых команд, функций и т. д. Блок клавиатуры содержит контроллер клавиатуры, состоящий из буферной памяти и схемы управления. Он подключается к системной плате с помощью проводного интерфейса (линии интерфейса используются для передачи тактовых импульсов, данных, напряжения питания +5 В, последний — земля. Для клавиатур существует несколько вариантов интерфейсов стандартный разъем DIN, разъем PS/2, инфракрасный порт (IrDA), интерфейс USB. Контроллер клавиатуры осуществляет сканирование (опрос) состояния клавиш 172 буферизацию (временное запоминание) кодов клавиш на время между двумя соседними опросами клавиатуры со стороны МП; преобразование с помощью программируемых системных таблиц (драйвера клавиатуры) кодов нажатия клавиш (кодов) в коды ASCII; тестирование (проверку работоспособности) клавиатуры при включении ПК. При нажатии и отпускании клавиши на клавиатуре в буферную память контроллера клавиатуры поступает код нажатия или отпускания (соответственно, 0 или 1) в седьмой бит байта и номер клавиши или ее код в остальные 7 битов. При поступлении любой информации в буферную память посылается запрос на аппаратное прерывание, инициируемое клавиатурой. При выполнении прерывания код преобразуется в код ASCII, и оба кода (код и код) пересылаются в соответствующее поле ОЗУ ПЭВМ. Контроллер клавиатуры организует и автоматическое повторение клавишной операции если клавиша нажата более 0,5 сто генерируются повторные коды нажатия клавиши через регулярные интервалы так, как если бы вы клавишу нажимали повторно. Графический манипулятор мышь Мышь (mouse) представляет собой электронно-механическое устройство, с помощью которого осуществляется дистанционное управление курсором на экране монитора. При перемещении манипулятора типа мышь по столу или другой поверхности на экране монитора соответствующим образом передвигается и курсор. Принцип работы мыши основан на преобразовании вращательного движения шарика по двум осям через оптический или электрический конвертор в серию цифровых сигналов импульсов, пропорциональных скорости передвижения. В настоящее время выпускаются мыши с интерфейсами СОМ, PS/2, USB и IrDA. Мыши с интерфейсом IrDA (инфракрасный порт) бесшнуровые и передают сигналы на приемник, подключенный к компьютеру, с помощью лучей инфракрасного диапазона. Сканеры Сканер — это устройство ввода в компьютер информации непосредственно с бумажного документа. Это могут быть тексты, схемы, рисунки, графики, фотографии и другая информация. Сканер, подобно копировальному аппарату, создает копию изображения бумажного документа, ноне на бумаге, а в электронном виде — формируется электронная копия изображения. Светочувствительный датчик сканера с определенной частотой производит замеры интенсивности отраженного оригиналом света. Разрешающая способность сканера прямо пропорциональна частоте замеров. В процессе сканирования устройство выполняет преобразование величины интенсивности в двоичный код, который передается в ЭВМ для дальнейшей обработки. Разрешающая способность сканеров измеряется в количестве различаемых точек на дюйм изображения и составляет от 75 дои более. Основные характеристики сканеров оптическое разрешение — определяется как количество светочувствительных элементов в сканирующей головке, поделенное на ширину рабочей области. Выражается в точках на дюйм интерполяционное программное, логическое) разрешение – произвольно выбранное разрешение, для получения которого драйвер сканера рассчитывает недостающие точки разрядность (глубина цвета — определяет степень подробности информации об отсканированной точке изображения. Чем больше разрядов (битов) используется для представления отдельной точки изображения, тем более подробна информация о ней. Дигитайзеры Дигитайзер (digitaizer), или графический планшет, — это устройство, главным назначением которого является оцифровка изображений. Он состоит из двух частей основания планшета) и устройства целеуказания пера или курсора, перемещаемого по поверхности основания. При нажатии на кнопку курсора его положение на поверхности планшета фиксируется и координаты передаются в компьютер. Дигитайзер может быть использован для ввода рисунка, создаваемого пользователем, в компьютер пользователь водит пером-курсором по планшету, но изображение появляется не на бумаге, а фиксируется в графическом файле. Устройства вывода Дисплей (монитор устройство визуального отображения текстовой игра- фической информации без ее долговременной фиксации. Для обозначения этого типа устройств с учетом функций, выполняемых ими в ПК, в английском языке используются как синонимы термины monitor display, monitor, video monitor, video display. Соответственно в русском переводе также в качестве синонимов используется ряд терминов, таких как монитор, видеомонитор, видеодисплей. Мониторы бывают алфавитно-цифровые и графические, монохромные и цветного изображения. В современных ПЭВМ в качестве устройств отображения информации наиболее широкое распространение получили цветные графические дисплеи на базе элек- тронно-лучевых трубок, газоразрядные и жидкокристаллические дисплеи. Дисплей на базе электронно-лучевой трубки. Основной элемент такого дисплея – электронно-лучевая трубка (риса принцип его работы аналогичен принципу работы телевизора. Формирование изображения производится на внутренней поверхности экрана, покрытого слоем люминофора — вещества, светящегося под воздействием электронного луча, генерируемого специальной электронной пушкой и управляемого системами горизонтальной и вертикальной развертки. Люминофор наносится в виде наборов точек трех основных цветов красного, зеленого и синего. Эти цвета называют основными, потому что их сочетаниями (в различных пропорциях) можно представить любой цвет спектра. Рис. 8.7. Схема электронно-лучевой трубки Покрытие из люминофора Маска Электронные пучки Электронные пушки Стеклянная колба корпуса ЭЛТ Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам (рис. 8.8). Рис. 8.8. Пиксельные триады Триада образует пиксель (от англ. pixel – picture element – элемент картинки) — точки, из которых формируется изображение. Расстояние между центрами пикселей называется точечным шагом монитора. Это расстояние существенно влияет на четкость изображения. Чем меньше шаг, тем выше четкость. В современных цветных мониторах шаг составляет 0,24 мм и менее. При таком шаге глаз человека воспринимает точки триады как одну точку сложного цвета. На противоположной стороне трубки расположены три (по количеству основных цветов) электронные пушки. Все три пушки нацелены на один и тот же пик- сель, но каждая из них излучает поток электронов в сторону своей точки люминофора. Чтобы электроны беспрепятственно достигали экрана, из трубки откачивается воздуха между пушками и экраном создается высокое электрическое напряжение, ускоряющее электроны. Перед экраном на пути электронов ставится маска – тонкая металлическая пластина с большим количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечивает попадание электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета. Величиной электронного тока пушек и, следовательно, яркостью свечения пик- селей управляет сигнал, поступающий с видеоконтроллера. Количество отображенных строк в секунду называется строчной частотой развертки, а частота, с которой меняются кадры изображения, называется кадровой частотой развертки. Кадровая частота развертки должна быть такой, чтобы глаз человека не замечал последовательной смены кадров. Ассоциация видеоэлектронных стандартов (VESA — Video Electronics Standards Association) рекомендует частоту не ниже 75 кадров в секунду. 176 Синхросигналы строчной и кадровой разверток, а также сигналы управления яркостью лучей формируются видеоконтроллером, часто называемым видеокартой, или видеоадаптером. Основным компонентом видеокарты (рис. 8.9) является память, где хранятся передаваемые процессором числа, характеризующие каждый пиксель монитора. Цифроаналоговые преобразователи преобразуют эти числа в аналоговые сигналы, необходимые для работы монитора. Для ускорения процесса обработки ви- деоданных и разгрузки при этом центрального процессора ЭВМ современные видеокарты имеют свой собственный видеопроцессор. ЦАП для красного ЦАП для зеленого ЦАП для синего Видеопроцессор Шинный интерфейс Внутренняя шина видеокарты Видеопамять Синхронизация и управление Красный Зеленый Синий Рис. 8.9. Структура видеоконтроллера Минимальный размер видеопамяти определяется количеством цветов и разрешающей способностью монитора. Так, для представления на мониторе 16,7 млн цветов (цвет каждого пикселя задается разрядным числом) с разрешающей способностью пикселей необходимый объем видеопамяти равен 0,9 Мбайт, при разрешающей способности 800 600 пикселей – 1,4 Мбайт. Газоразрядные и жидкокристаллические дисплеи Такие дисплеи часто называют панелями. Газоразрядную панель образуют два плоскопараллельных стекла, между которыми размещены миниатюрные газоразрядные элементы. В инертном газе газоразрядного элемента под действием управляющих сигналов, формируемых микропроцессором устройства синхронизации и подаваемых на прозрачные электроды одного или обоих стекол, возникает разряд с ультрафиолетовым излучением. Это излучение вызывает свечение нанесенного на переднее или заднее стекло люминофора одного цвета черно-белой панели или люминофоров красного, зеленого или синего цветов цветной панели. Основой жидкокристаллической панели служат также две плоскопараллельные стеклянные пластины. На одну из них нанесены прозрачные горизонтальные и вертикальные токопроводящие электроды. В местах их пересечения укреплены пленочные транзисторы, два вывода которых соединены с электродами на стекле, а третий образует обкладку конденсатора. Вторую пластину конденсатора представляет прозрачный металлизированный слой на второй стеклянной пластине, расположенной параллельно первой на расстоянии, измеряемом микронами. Между пластинами помещено органическое вещество (жидкий кристалл, поворачивающее под действием электрического поля плоскость поляризации проходящего через него света. С двух сторон панели укреплены поляроидные пленки (поляризующие, плоскости поляризации которых повернуты на 90° относительно друг друга. Растр телевизионного изображения формируется сигналами, генерируемыми устройством синхронизации и подаваемыми на электроды стеклянных пластин. При подаче на эти электроды напряжения в точке их пересечения конденсатор заряжается и возникает электрическое поле между соответствующими обкладками конденсатора. В зависимости от величины напряжения изменяется угол поляризации жидкого кристалла между обкладками конденсатора. При отсутствии напряжения и соответственно электрического поля жидкий кристалл поворачивает угол поляризации света от лампы подсветки на 90°, в результате чего свет свободно проходит через поляроид- ные пленки. В зависимости от напряжения на обкладках конденсатора угол поляризации может изменяться от 90° до 0°, а прозрачность ячейки панели — от максимальной до непропускания света. Панель цветного дисплея содержит красный, зеленый и синий светофильтры, образующие триаду элемента разложения изображения. Плоские панели имеют преимущества перед вакуумными кинескопами потех- ническим параметрам, экологической безопасности и сроку службы. Экран современных жидкокристаллических мониторов (панелей) сразрешением 1280 1024 имеет до 5 млн точек, каждая из которых управляется собственным транзистором. Такие мониторы занимают в 2—3 раза меньше места, чем мониторы с ЭЛТ, во столько же раз легче, потребляют гораздо меньше электроэнергии и не излучают электромагнитных волн, воздействующих на здоровье людей. Принтеры Печатающие устройства (принтеры) — это устройства вывода данных из компьютера, преобразующие коды и битовые последовательности в соответствующие им символы и фиксирующие их на бумаге. Матричные принтеры В матричных принтерах изображение формируется из точек ударным способом. В игольчатых ударных) матричных принтерах печать точек осуществляется тонкими иглами, ударяющими бумагу через красящую ленту. Каждая игла управляется собственным электромагнитом. Печатающий узел перемещается в горизонтальном направлении листа, и знаки в строке печатаются последовательно. Многие принтеры выполняют печать как при прямом, таки при обратном ходе. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. Достоинства матричных принтеров низкая стоимость расходных материалов для него, возможность одновременной печати нескольких копий. Недостатки невысокие качество и скорость печати, а также шум при печати. Струйные принтеры Струйные принтеры в печатающей головке вместо иголок имеют тонкие трубочки сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки красителя (чернил. Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел (дюз. Технически процесс распыления состоит в том, что в стенку сопла встроен электрический нагревательный элемент, температура которого при подаче электрического импульса резко возрастает за 5–10 мкс. Все чернила, находящиеся в контакте с нагревательным элементом, мгновенно испаряются, что вызывает резкое повышение давления, под действием которого чернила выстреливаются из сопла на бумагу. После выстрела чернильные пары конденсируются, в сопле образуется зона пониженного давления ив него всасывается новая порция чернил. Технологии термической пузырьковой печати придерживается большинство фирм-производителей принтеров, в том числе Canon, Hewlett-Packard, Lexmark и т. д. Лазерные принтеры Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать с наивысшим разрешением и скоростью. В них применяется электрографический способ формирования изображений. Выпускаются лазерные принтеры двухосновных модификаций лазерные и светодиодные. В лазерных принтерах для создания сверхтонкого светового луча, вычерчивающего на поверхности предварительно заряженного светочувствительного барабана контуры невидимого точечного электронного изображения, служит лазер. В светодиодных принтерах роль источника лазерного луча выполняет светодиодная панель. С засвеченных на поверхности барабана лучом лазера или светодиодами точек стекает электрический заряд. После проявления электронного изображения порошком красителя (тонера, налипающего на разряженные участки, выполняется печать — перенос тонера с барабана на бумагу и закрепление изображения на бумаге разогревом тонера до его расплавления. Достоинства лазерных принтеров высокая скорость печати, высокое качество печати, бесшумность. Недостаток лазерных принтеров – большое потребление электроэнергии и значительная стоимость расходных материалов. 8.5. Системные и периферийные шины ПЭВМ Все каналы передачи данных, применяемые в ПК, можно условно разделить на две группы – внутренние (шины) и внешние (интерфейсы. Шины данных применяются для соединения компонентов системной платы и подключения плат расширения, а интерфейсы – для подключения внешних относительно системной платы или ПК в целом устройств накопителей, устройств ввода-вывода, коммуникационного оборудования и др. Системные шины Шина (bus) – совокупность линий связи, по которым информация передается одновременно. Под основной, или системной, шиной обычно понимается шина между процессором и подсистемой памяти. Шины характеризуются разрядностью и частотой. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, то есть максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает. Основные характеристики системных шин представлены в таблице 8.3. Таблица 8.3 Характеристика Шина ISA EISA MCA VLB PCI AGP Разрядность шины для данных и адреса (бит) 16 / 24 32 / 32 32 / 32 32 / 32 64 / 64 32 / 32 64 / 64 32 / 32 64 / 64 Рабочая частота (МГц) 8 8–33 10–20 до до 66 66 / 133 Пропускная способность (Мбайт/с) 16 33 76 132 132 / 264 / 528 528 / 1056 / 2112 Число подключаемых устройств (HIT ) 6 15 15 4 10 1 Разрядность или ширина шины (bus width) – количество линий связи в шине, то есть количество битов, которое может быть передано по шине одновременно. Тактовая частота шины (bus frequency) – частота, с которой передаются последовательные биты информации по линиям связи. Шина расширения ISA (Industry Standard Architecture – промышленная стандартная архитектура) – использовалась в первом компьютере IBM PC и позволяла добавлять в систему различные устройства. Шина PC/XT – разрядная шина данных и разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц, имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память (каналы DMA – Direct Memory Access). Шина адреса ограничивала адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт. Использовалась с МП 8086, 8088. Шина PC/AT разрядная шина данных и разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота 8 МГц (16 МГц, имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала. Использовалась в МП 80286, совместима и с микропроцессором тактовой частотой больше 66 МГц. Благодаря разрядной шине адреса адресное пространство увеличилось с 1 Мбайт до 16 Мбайт. Пропускная способность шины данных равна 5,5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования. Шина EISA (Extended ISA) – разрядная шина данных и разрядная шина адреса создана как функциональное и конструктивное расширение ISA. Адресное пространство шины 4 Гбайт, работает на частоте 8–10 МГц. Улучшена система прерываний, поддерживается Bus Mastering – режим единоличного управления шиной со стороны любого из устройств на шине. Имеет систему арбитража для управления доступом устройств к шине. Обеспечивается автоматическое конфигурирование системы и управление DMA. Шина поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях. Шина MCA (Micro Channel Architecture) – разрядная шина, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10–20 МГц. Шина МСА используется не очень широко из-за несовместимости плат адаптеров ISA с МСА. Шина VLB (VL-bus, VESA Local является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и жестким диском, платами мультимедиа, сетевым адаптером. Разрядность шины для данных – 32 бита, для адреса – 30, реальная скорость передачи данных по VLB – 80 Мбайт/с. Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, соединение внешних компонентов самый распространенный и универсальный интерфейс для подключения различных устройств. Шина PCI допускает подключение до 10 устройств, имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП от 80486 до современных. Тактовая частота PCI – 33 МГц, разрядность – 32 разряда для данных и 32 разряда для адреса, теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в битовом варианте – 264 Мбайт/с. Конфигурация системы с шиной PCI показана на рис. 8.10. Конструктивно разъем шины на системной плате состоит из двух следующих подряд секций по 64 контакта. С помощью этого интерфейса к материнской плате подключаются видеокарты, звуковые карты, модемы, контроллеры SCSI и другие устройства. Как правило, на материнской плате имеется несколько разъемов PCI. Шина PCI, хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения. Шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима сними) при наличии шины подключаются не непосредственно к МПа к самой шине PCI (через интерфейс расширения. Благодаря такому решению шина является независимой от процессора (в отличие от VLB) и может работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами. Таким образом, загрузка шины процессора существенно снижается. Например, процессор работает с системной памятью или с кэш- памятью, а в это время посети на жесткий диск записывается информация. 182 Процессор Внешний кэш Шина процессора (быстродействующая) Контроллер памяти шины Графический адаптер Сетевой адаптер ОЗУ Контроллер SCSI Слот ввода-вывода Интерфейс шины расширения Слот ввода-вывода Локальная шина Шина ISA/EISA или МСАI Рис. Конфигурация системы с шиной PCI Шина AGP (Accelerated Graphics Port – ускоренный графический порт) – интерфейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали AGP, имеющей выход непосредственно на системную память. Шина AGP может работать с частотой системной шины до 133 МГц и обеспечивает высокую скорость передачи графических данных. Ее пиковая пропускная способность в режиме четырехкратного умножения AGP4x (передаются 4 блока данных за один такт) имеет величину 1066 Мбайт/с, а в режиме восьмикратного умножения AGP8x – 2112 Мбайт/с. По сравнению с шиной PCI, в шине AGP устранена мультиплексированность линий адреса и данных и усилена конвейеризация операций чтения-записи, что позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций. Конфигурация системы с шиной AGP показана на рис. 8.11. 183 Контроллер SCSI Слот ввода-вывода Сетевой адаптер Локальная шина PCI Процессор Внешний кэш Шина процессора (быстродействующая) Контроллер памяти шины ОЗУ Шина Графический адаптер Локальный фрейм-буфер Рис. 8.11. Конфигурация системы с шиной AGP Шина AGP имеет два режима работы DMA и Execute. В режиме DMA основной памятью является память видеокарты. Графические объекты хранятся в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память карты. Обмен ведется большими последовательными пакетами. В режиме Execute системная память и локальная память видеокарты логически равноправны. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4 Кбайт, в этом режиме для обеспечения приемлемого быстродействия предусмотрен механизм, отображающий последовательные адреса фрагментов на реальные адреса 4-килобайтовых блоков в системной памяти Express – новая архитектура соединения компонентов, введенная под эгидой PCI SIG, известная и под названием 3GIO (3-Generation Input-Output, ввод/вывод го поколения. Здесь шинное соединение устройств с параллельным интерфейсом заменено на двухточечные последовательные соединения с использованием коммутаторов. Спецификация PCI Express регламентирует последовательное соединение типа точка-точка. Масштабирование происходит увеличением не частоты, а числа каналов – PCI Express может состоять из 1, 2, 4, 8, 16 или 32 линий, данные передаются по обоим фронтам сигнала. Пропускная способность PCI Express достигает Гбайт/с в канальной конфигурации. Характеристика современных шин представлена в таблице 8.4. Таблица 8.4 Кол-во линий Частота, МГц Бит затакт Пропускная способность, Гбайт/с AGP 3.0 32 66 8 2,1 HI 2.0 16 266 2 1,06 HT16x16 32 800 2 6,4 MuTIOL 16 133 4 1,2 PCI бит 32 33 1 133 PCI 64 бит 64 66 1 533 PCI Express бит 32 250 2 1,6 PCI-X 64 133 1 1,06 PCI-X 2.0 64 133 2,4 2,1–4,2 Тенденция перехода на последовательные шины еще ярче просматривается в интерфейсах для внешних устройств и накопителей. Для подключения периферийного оборудования применяются интерфейсы USB 2.0 и Fire Wire (IEEE 1394) – пропускная способность 480 и 400 Мбит/с. Периферийные интерфейсы Периферийные шины IDE (Integrated Drive Electronics), ATA (AT Attachment – подключаемый к AT), EIDE (Enhanced IDE), SCSI (Small Computer System Interface), SATA используются чаще всего в качестве интерфейса только для внешних запоминающих устройств. Обычный метод обмена с жестким диском IDE – это программный ввод-вывод, при котором процессор, используя команды ввода-вывода, считывает или записывает данные в буфер жесткого диска, что отнимает какую-то часть процессорного времени. Ввод-вывод путем прямого доступа к памяти идет под управлением самого жесткого диска или его контроллера в паузах между обращениями процессора к памяти, что экономит процессорное время, но несколько снижает максимальную скорость обмена. Существует много модификаций и расширений интерфейсов ATA/IDE. Есть интерфейсы АТА с различными номерами, Fast ATA, Ultra ATA и EIDE. Есть также интерфейсы, поддерживающие протоколы ATAPI, DMA и т. д. |