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.