Устройства ввода/вывода данных

Устройства ввода и вывода (ввода/вывода) являются обязательными элементами любой ЭВМ, поскольку имен­но они обеспечивают взаимодействие пользователя с вы­числительной системой.

С одной стороны, пользователь вводит команды или данные в компьютер через устройства ввода для их обработки, с другой стороны, вычислительная система выдает пользователю результаты своей работы посредством уст­ройств вывода.

Все устройства ввода/вывода ПК относятся к перифе­рийным устройствам, т. е. подключаемым к микропроцес­сору через системную шину и соответствующие контроллеры. С развитием вычислительной техники существенное развитие получили и устройства ввода/вывода. На сегодняшний день существуют целые группы устройств (например устройства местоуказания, мультимедиа), которые обеспе­чивают эффективную и удобную работу пользователя.

К основным устройствам ввода относятся клавиатура, мышь, сканер, джойстик, трекбол, графический планшет.

Клавиатура предназначена для ввода алфавитно-циф­ровых данных и команд управления в интерактивном ре­жиме взаимодействия ПК и пользователя. Клавиатура — стандартное средство ПК, поэтому для реализации ее ос­новных функций не требуется наличие специальных сис­темных программ (драйверов). Необходимое программное обеспечение для работы с клавиатурой находится в микро­схеме постоянной памяти в составе базовой системы ввода-вывода BIOS. Стандартная клавиатура включает от 101 до 104 клавиш, размещенных по стандарту QWERTY (в верх­нем левом углу алфавитной части клавиатуры находятся клавиши Q, W, E, R, T, Y). Клавиши клавиатуры разбиты на несколько функциональных групп:

• алфавитно-цифровые;

• функциональные;

• управления курсором;

• служебные;

• клавиши дополнительной панели.

Алфавитно-цифровые клавиши (русские и латинские символы, цифры, специальные символы) используются для ввода знаковой (символы алфавита) информации и команд, которые набираются по буквам, при этом каждая клавиша может работать в двух режимах (регистрах). Переключе­ние между нижним регистром (ввод маленьких символов) и верхним регистром (ввод больших символов) осуществля­ется при нажатии клавиши <Shift> (нефиксированное пе­реключение) или с помощью клавиши <Caps Lock> (фик­сированное переключение).

Группа функциональных клавиш включает двенадцать клавиш с обозначением F1-F12, расположенных в верх­ней части клавиатуры. Функции этих клавиш зависят отработающей в текущий момент времени программы, а в некоторых случаях и от операционной системы.

Клавиши управления курсором (Т, ->, -I, <-) подают ко-яды на передвижение курсора по экрану монитора относительно текущего изображения. Курсором называется экранный элемент, указывающий на место ввода знаковой формации. К этой группе, помимо указанных клавиш, относятся клавиши <Page Up> и <Page Down>, прокручивающие текст на страницу вверх или вниз соответственно, а также клавиши <Ноте> и <End>, устанавливающие кур­сор на начало и конец строки соответственно.

Служебные клавиши используются для разных вспо­могательных целей, таких как изменение регистра, вклю­чение режима вставки, образование комбинаций «горя­чих» клавиш и т. д. К этой группе относятся такие клави­ши, как <Shift>, <Enter>, <Ctrl>, <Alt>, <Esc>, <Del>, <Ins>, <Backspace> и др.

Группа клавиш дополнительной панели дублирует дей­ствие цифровых клавиш, клавиш управления курсором и некоторых служебных клавиш. Основное назначение — ввод чисел, поэтому клавиши размещены в порядке, удоб­ном для такой работы. Переход в режим дублирования клавиш управления курсором и наоборот осуществляется нажатием на клавишу <Num Lock>.

Манипулятор «мышь» — наиболее распространенный манипулятор, позволяющий перемещать указатель (кур­сор мыши) по экрану дисплея и указывать им на опреде­ленные объекты на экране (т. е. вводить в компьютер ко­ординаты выбранной точки на экране). Наиболее просты механические мыши, в основании которых имеется ша­рик, вращающийся при перемещении мыши по ровной поверхности. Более дорогой и сложной, но более точной и надежной является оптическая мышь, перемещающаяся на планшете, покрытом сеткой линий (отражающих или поглощающих свет). Для работы с мышью требуется на­личие специальной системной программы — драйвера. Драйвер манипулятора устанавливается при его подклю­чении или при загрузке операционной системы. Разные модели манипуляторов для IBM PC могут иметь две или три кнопки. В последнее время появились мыши, исполь­зующие вместо средней кнопки колесо (мыши NET Scroll).

Трекбол — устройство, по принципу работы аналогич­ное мыши, но в отличие от нее устанавливаемое стационарно. Шарик трекбола, как правило, встраивается в клавиатуру и приводится в движение ладонью руки. Трекбол обычно используют в портативных компьютерах — ноутбуках, поскольку он не нуждается в гладкой рабочей по­верхности.

Джойстик — манипулятор, выполняемый в виде ры­чажка (ручки) на массивном основании. Управляющие сигналы вырабатываются движениями ручки и нажатием кнопок (подобных кнопке мыши), расположенных на ней. Джойстики чаще всего используют для управления объек­тами в компьютерных играх.

Графический планшет (дигитайзер — от англ. digital] zer— «оцифровыватель») — планшет, покрытый сеткой пьезоэлементов — элементов, вырабатывающих электри­ческий ток при механическом воздействии. Дигитайзеры, как правило, используются для ввода карт или планов в ЭВМ. Для этого на графическом планшете размещается лист с изображением, и надавливанием по контуру изо­бражения в компьютер вводятся координаты точек.

Устройства ввода мультимедиа не нашли широкого применения из-за низкой производительности ПК, поэто­му среди них остановимся только на сканере.

Сканер — это устройство оптического ввода, предна­значенное для ввода в ПК черно-белых или цветных изо­бражений, а также для считывания текста с бумажного носителя для последующей обработки. Сканированные оригиналы оцифровываются и после ввода в ПК обрабаты­ваются с помощью специального программного обеспече­ния (например, для распознавания текста — программа Fine Reader), а затем сохраняются в виде текстового для графического файла. Сканеры подразделяются на план­шетные и ручные.

В планшетных сканерах оригинал помещается на стек­ло, под которым перемещается оптико-электронное считывающее устройство. В барабанных сканерах протягивается барабаном мимо неподвижного считывающего устройства. Барабанные сканеры не позволяют скопировать книги, переплетенные брошюры и т. п. Ручной сканер плавно перемещается вручную по поверхности ори­гинала.

Основными характеристиками сканеров являются раз­решающая способность и глубина цвета.

разрешающая способность. Сканер воспринимает лю­бой объект как набор отдельных точек (пикселей). Плот­ность пикселей (количество на единицу площади) назы­вается разрешающей способностью сканера и измеряется в dpi (количество точек на дюйм). Качество сканирова­ния зависит от оптической разрешающей способности (оп­ределяется количеством светочувствительных элементов матрицы на дюйм) и механической разрешающей способ­ности (определяется дискретностью движения светочув­ствительного элемента или системы зеркал относительно листа). Существуют черно-белые и цветные сканеры. Со­временные цветные сканеры поддерживают глубину цве­та до 32 разрядов (т. е. цвет одного пикселя кодируется 32-разрядным двоичным словом) при разрешающей спо­собности 1200 dpi.

К основным устройствам вывода относятся монитор и принтер.

Монитор (дисплей) — так же, как и клавиатура, яв­ляется обязательным элементом ПК, предназначенным для вывода на экран текстовой и графической информации. Соответственно монитор может работать в двух режимах: текстовом и графическом. В текстовом режиме экран раз­бивается на знакоместа, на каждое из которых выводит­ся один из 256 символов таблицы стандарта ASCII. В гра­фическом режиме на экран выводятся изображения по пикселям. По принципу формирования изображения наи­более распространенными являются мониторы на электрон­но-лучевой трубке — CRT (Cathode-Ray Tube) и жидко­кристаллические мониторы на тонкопленочных транзи­сторах — TFT-LCD (Thin-Film Transistor Liquid-Crystal Display).

Монитор с электронно-лучевой трубкой подобен те­левизору и включает электронно-лучевую трубку, блок питания и блок управления лучом.

Электронно-лучевая трубка представляет собой элек­тронно-вакуумное устройство в виде стеклянной колбы, в горловине которой находится электронная трубка. Изобра­жение на экране монитора формируется из множества рас­положенных рядами светящихся точек-пикселей. Точки высвечиваются в результате удара электронного луча о внут­реннюю поверхность экрана, на которую нанесен фосфорес­цирующий состав — люминофор (в цветных мониторах люминофорные триады с красным, зеленым и синим излуче­нием, из комбинации которых формируется требуемый цвет). Электронный луч, управляемый системой отклоне­ния, обегает экран строку за строкой слева направо, сверху вниз, причем делает это десятки раз в секунду, благодаря чему изображение устойчиво для человеческого глаза.

В основе LCD-мониторов лежит технология формиро­вания изображения с помощью жидких кристаллов. Жид­кие кристаллы представляют собой молекулы, которые могут перетекать как жидкость. Эти молекулы пропуска­ют свет, но под действием электрического заряда изменя­ют ориентацию.

Монитор на жидких кристаллах отличается безблико­вым плоским экраном и более низкой мощностью потреб­ляемой энергии по сравнению с CRT-монитором.

Выводом изображения на экран монитора управляет специальное устройство — видеоадаптер (видеокарта). Видеоадаптер представляет собой плату расширения, ко­торую вставляют в определенный слот материнской пла­ты (в современных ПК это слот AGP или PCI). Видеоадап­тер полностью управляет выводом изображения на экран монитора. Для этого он оснащен видеопамятью и собст­венным процессором. Монитор как периферийное устрой­ство подключается к системной шине ПК через один из разъемов видеоадаптера.

Сформированное изображение до вывода на экран хра­нится в видеопамяти видеоадаптера. Требуемый объем ви­деопамяти зависит от заданной разрешающей способности и палитры цветов, поэтому для работы в режимах с высо­кой разрешающей способностью и полноцветной гаммой нужно как можно больше видеопамяти.

разрешающая способность определяется количеством пикселей по горизонтали и вертикали, например 640x480, 800x600, 1024x768, 1600x1200 и т. д. Соотношение коли­чества пикселей по горизонтали и вертикали отражает со­отношение геометрических размеров экрана монитора, в данном случае 4:3. Палитра цветов — это множество цве­тов, которые способна отображать видеосистема, она оп­ределяется количеством битов двоичного слова, которое используется для кодировки одного оттенка цвета. В цвет­ных мониторах для кодировки цвета используется от 4 до 32 бит.

Требуемый минимальный объем видеопамяти опреде­ляется произведением количества пикселей по горизонта­ли на количество пикселей по вертикали (разрешающая способность) и на количество байтов двоичного слова, ко­торым кодируется палитра цветов. Объем видеопамяти для мониторов MDA, CGA, EGA, VGA, SVGA и PGA изменяет­ся от 128 Кб до 128 Мб.

Помимо разрешающей способности и палитры цветов к основным параметрам мониторов и видеоподсистемы в целом относятся размер монитора, частота кадровой раз­вертки, параметры безопасности.

Размер монитора. Экран монитора измеряется по диагонали в дюймах (1 дюйм = 2,54 см). Стандартные раз­меры: 14, 15, 17, 19 и 21 дюйм. Наиболее распростране­ны мониторы с диагональю 15 и 17 дюймов. Для работы с графикой предпочтительны мониторы размером 19— 21 дюйм.

Частота кадровой развертки показывает частоту пол­ного обновления изображения на экране. Частота регене­рации измеряется в герцах (Гц). Чем больше частота, тем менее заметно мерцание экрана и соответственно меньше Усталость глаз. Минимально допустимой считается часто­та в 75 Гц, нормальной — 85 Гц, комфортной — 100 Гц и больше.

Параметры безопасности. По оценке специалистов, наиболее опасное воздействие на пользователя ПК ока­зывает электромагнитное излучение мониторов, которое можно снизить за счет использования различного рода защитных фильтров: сеточных, пленочных, металлизированных и пр. Следует также помнить, что при работе щ ПК расстояние до экрана монитора должно быть не мень­ше 50 см.

Принтер — устройство вывода текста и графики на печать. По способу нанесения красителя на бумагу разли­чают следующие виды принтеров: матричные, струйные лазерные.

В матричном принтере изображение выводится на бумагу с помощью специальной движущейся головки, в которой содержится несколько (9, 24 или 48) иголок, на­носящих удары по листу бумаги через красящую ленту. Матричные принтеры с небольшим количеством иголок имеют разрешение на уровне 140-200 dpi (точек на дюйм), более качественные — 24-игольчатые — до 360 dpi. Игол­ки, расположенные в печатающем узле, управляются элек­тромагнитом. Во время продвижения печатающего узла по строке на бумаге появляются отпечатки символов, состоя­щие из точек. В памяти принтера хранятся коды отдель­ных символов. Эти коды определяют, какие иголки следу­ет активизировать для печати определенного символа.

Матричные принтеры, несмотря на все свои недостат­ки (низкую скорость печати, высокий уровень шума, низ­кое качество печати графики и текста и др.), находят при­менение в различных организациях (в банках, пунктах обмена валюты, паспортно-визовых службах и др.) для пе­чати финансовых и отчетных документов из-за высокой надежности печати от фальсификации. В матричных прин­терах краска «вбивается» иголками в бумагу, и поэтому подделать такой документ сложнее.

В струйных принтерах красящее вещество (чернила) из специальной емкости выдувается на бумагу с помощью системы капиллярных распылителей, число которых в среднем от 16 до 400, а в некоторых моделях цветных струй­ных принтеров и более 400. Струйные принтеры использу­ют два метода распыления чернил: пьезоэлектрический метод (фирма Epson) и метод газовых пузырьков (Hewlett Packard).

Цветная печать выполняется путем смешивания раз­ных цветов в определенных пропорциях, поэтому принтеры оснащаются картриджами с разными цветами чернил. Печатающий узел проходит по одному месту листа несколь­ко раз, нанося нужное количество чернил разного цвета. После смешивания чернил на листе появляется участок нужного цвета. Струйные принтеры обладают высоким качеством печати черного текста и цветной графики до 3600x1200 dpi, благодаря чему позволяют печатать полно­цветные фотографии. Основной недостаток струйных прин­теров заключается в высокой стоимости печати.

Лазерные принтеры являются самыми перспектив­ными принтерами, обеспечивающими высокое качество (черно-белой) печати при низкой стоимости. Элемента­ми лазерного принтера являются источник света (лазер), светочувствительный барабан (фотобарабан), красящий порошок (тонер) и блок термического закрепления тоне­ра. В лазерных принтерах реализован метод электрофо­тографической печати. Под воздействием света на соот­ветствующих участках фотобарабана скапливается элек­трический заряд. Источник света — лазер мощностью несколько десятков милливатт с длиной волны 700-800 нм, который точечно наэлектризовывает барабан со светочувствительным покрытием. Для того чтобы по­крыть всю область печати по ширине листа, луч отклоня­ется подвижной оптической системой, состоящей из линз ^и зеркал. Частицы тонера прилипают к заряженным уча­сткам барабана, после этого барабан контактирует с лис­том бумаги, электрический заряд которого противополо­жен заряду барабана. В результате частицы тонера пере­ходят на бумагу. В блоке термического закрепления тонер закрепляется на бумаге под воздействием температуры и Давления.

При цветной печати изображение формируется смешиванием тонеров разного цвета за 4 прохода листа через пе­чатающий механизм. При каждом проходе на бумагу на­носится определенное количество тонера одного цвета. Цветной лазерный принтер является сложным электрон­ным устройством с 4 емкостями для тонера, оперативной памятью, процессором и жестким диском, что соответст­венно увеличивает его габариты и стоимость, именно по­этому цветная лазерная печать пока не находит широкого применения.

Преимущества монохромной лазерной печати по срав­нению со струйной заключаются в более высоком качестве печати текста, стойкости отпечатков к воздействию влаги и света, низкой стоимости печати, а также более высокой скорости печати.

Плоттер (графопостроитель) — устройство для выво­да чертежей на бумагу. Их используют в проектных ин­ститутах, конструкторских бюро и т. п. Устройство плот­теров аналогично устройству струйных принтеров, только они значительно больше по размерам. По конструкции плоттеры делятся на планшетные и рулонные. В планшет­ных плоттерах материал, на который идет вывод, фикси­руется, а печатающий узел перемещается в двух направле­ниях — по осям X и Y. В рулонных плоттерах бумага пере­мещается в вертикальном направлении, а печатающий узел — в горизонтальном направлении. Более высокое ка­чество вывода графической информации обеспечивают планшетные плоттеры.

Устройства связи предназначены для приема и пере­дачи (ввода и вывода) информации между двумя и более ПК. В зависимости от целого ряда параметров (типа ли­нии связи, вида подключения, удаленности ПК и др.) ис­пользуются различные устройства связи.

Модем (модулятор-демодулятор) — устройство, преоб­разующее информацию к виду, в котором ее можно пере­давать по телефонным линиям связи. Модемы выполняют цифроаналоговое преобразование цифровых сигналов ПК для их передачи по телефонной линии связи или аналогово-цифровое преобразование аналоговых сигналов связи в цифровые сигналы для обработки в ПК. Модемы передают данные по обычным телефонным каналам со скоростью до 56 000 бит в секунду. Также модемы осуще­ствляют сжатие данных перед отправлением, поэтому их минимальная скорость может превышать максимальную ско­рость модема.

Сетевой адаптер (сетевая плата) — электронное уст­ройство, выполненное в виде платы расширения (адаптер может быть интегрирован в системную плату) с разъемом для подключения к линии связи. Сетевой адаптер исполь­зуется для подключения ПК к локальной компьютерной сети.