Внешние устройства компьютера
2.8.1. Видеотерминалы. Видеотерминалы предназначены для оперативного отображения текстовой и графической информации и состоят из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера. Видеоконтроллеры входят в состав системного блока компьютера, а видеомониторы – это внешние устройства. Дисплеи классифицируются по нескольким разным параметрам, отражающих их назначение и возможности в конкретной компьютерной системе. Бывают дисплеи монохромные и цветные. Монохромный дисплей производит отображение в двух цветах – черном и белом или зелёном и черном. Цветной дисплей может воспроизводить все основные цвета и сотни оттенков.
Все персональные компьютеры используют мониторы следующих типов:
§ на основе электроннолучевой трубки (ЭЛТ);
§ на основе жидкокристаллических индикаторов (LCD, Liquid Crystal Display);
§ плазменные мониторы (PDP, Plasma Display Panels);
§ электролюминесцентные мониторы (FED, Field Emission Display);
§ самоизлучающие мониторы (LEP, Light Emission Plastics).
Основные характеристики дисплеев с точки зрения пользователя – это размер экрана и разрешающая способность. Персональные компьютеры оснащаются мониторами с размером экрана по диагонали 15, 17, 19, 21 и 22 дюйма. Разрешающая способность определяется числом пикселей (англ. pixel – picture element – элемент картинки) по горизонтали и вертикали. Стандартные значения разрешающей способности современных мониторов следующие: 800´600, 1024´768, 1800´1440, 2048´1536. Значение разрешающей способности определяет качество изображения на экране. Разрешающая способность определяет объём видеопамяти, которая содержит сведения о цвете каждого пикселя, задающего наиболее мелкую деталь изображения. Современные видеоконтроллеры для хранения цвета каждого пикселя расходуют 4 байта памяти, поэтому общий объём видеопамяти доходит до 128 Мбайт.
Ещё одной важной технической характеристикой дисплея является рабочая частота кадровой развертки; она влияет на утомляемость глаз при продолжительной работе на компьютере. Частота смены кадров связана с разрешающей способностью, именно чем выше разрешающая способность, тем меньше частота смены кадров.
Мониторы на основе ЭЛТ используют электронно-лучевые трубки, применяемые в обычных телевизионных приёмниках. Основной элемент такого монитора – электронно-лучевая трубка (см. рис. 2.13). Её передняя, обращённая к зрителю часть с внутренней стороны покрыта люминофором – специальным веществом, способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов. Люминофор наносится в виде набора точек трёх основных цветов: красного, зелёного и синего. Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам (см. рис. 2.14). Триада и образует пиксель – точку. Из этих точек формируется изображение. Расстояние между центрами пикселов называется точечным шагом монитора. Это расстояние существенно влияет на чёткость изображения. Чем меньше шаг, тем выше чёткость. Обычно в цветных мониторах шаг составляет 0.24 мм. При таком шаге глаз человека воспринимает точки триады как одну точку смешанного цвета. Современные мониторы могут отображать до 16 млн. оттенков цветов в каждой точке.
Перед экраном на пути электронов ставится маска – тонкая металлическая пластинка с большим количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечивает попадание электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета.
Жидкокристаллические мониторы представляют собой плоские панели с прозрачной жидкостью между ними. Панели разделены на крошечные сегменты, к каждому из которых подведены электроды. Под воздействием очень слабого электрического поля жидкость кристаллизируется и при этом меняется её прозрачность и коэффициент преломления световых лучей. Эти эффекты используются для формирования изображения.
В плазменных мониторах изображение формируется светом, выделяемом при газовом разряде в каждом пикселе экрана. Плазменная панель состоит из трёх стеклянных пластин, на одну из которых нанесены горизонтальные прозрачные проводники, на другую – вертикальные. Средняя третья пластина в местах пересечения проводников имеет сквозные отверстия, заполненные инертным газом: неоном или аргоном, который светится в ультрафиолете при подаче высокочастотного напряжения на проводники. Ультрафиолет вызывает свечение люминофора; так создаётся изображение на экране.
Электролюминесцентные мониторы состоят из двух пластин с нанесёнными на них прозрачными проводниками. На одной из пластин находится слой люминофора, светящийся при подаче напряжения на проводники и образующий пиксель в точке пересечения проводников.
Самоизлучающие мониторы используют матрицу пикселей из светодиодов, которые излучают свет при подаче на них напряжения. На сегодняшний день выпускаются лишь монохромные дисплеи, и ведётся разработка более совершенных моделей.
2.8.2. Устройства ручного ввода информации. Клавиатура компьютера – устройство для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Содержит стандартный набор клавиш печатающей машинки и некоторые дополнительные клавиши – управляющую клавишу, функциональные клавиши, клавиши управления курсором и малую цифровую клавиатуру. Типы клавиатуры различаются принципом формирования сигнала при нажатии клавиши. Наиболее распространённые клавиатуры имеют под каждой клавишей купол, выполненный из специальной резины, который при нажатии клавиши прогибается и замыкает контакт. У некоторых под нажатой клавишей находится магнит, который при нажатии клавиши проходит через катушку, наводя в ней ток самоиндукции.
Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер, который выполняет следующие функции:
§ последовательно опрашивает клавиши, считывая введённый сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши. Скан-код состоит из двух байт, байта собственно скан-кода и байта, определяющего какие дополнительные управляющие клавиши были нажаты. Это позволяет расширить возможности клавиатуры при задании управляющих комбинаций клавиш;
§ управляет световыми индикаторами клавиатуры;
§ проводит внутреннюю диагностику неисправностей;
§ осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры.
Клавиатура имеет встроенный буфер – промежуточную память малого размера, куда помещаются введённые символы. Работу клавиатуры поддерживают специальные программы “зашитые” в BIOS, а также драйвер клавиатуры.
Манипулятор типа “мышь” используется как дополнительное устройство ручного ввода графической информации. Современные графические операционные системы представляют пользователю графические объекты, размещённые на экране дисплея, обращение к которым производится с помощью движущегося по экрану специального знака – курсора. В отличие от клавиатуры, мышь не является стандартным органом управления, поэтому базовые средства ввода и вывода (BIOS) компьютера, размещённые в постоянном запоминающем устройстве, не содержат программных средств для обработки прерываний мыши. Мышь нуждается в поддержке специальной системной программы – драйвера мыши. Драйвер устанавливается либо при первом подключении мыши, либо при установке операционной системы компьютера. Мышь не имеет выделенного порта на материнской плате, для работы с ней используется один из стандартных портов, средства для работы с которыми имеются в составе BIOS. В отличие от клавиатуры мышь не может напрямую использоваться для ввода знаковой информации – её принцип управления является событийным. Перемещения мыши и щелчки её кнопок являются событиями с точки зрения её программы-драйвера. Анализируя эти события, драйвер устанавливает, когда произошло событие и в каком месте экрана в этот момент находился курсор. Эти данные передаются в прикладную программу, с которой работает пользователь в данный момент. По ним программа может определить команду, которую имел в виду пользователь, и приступить к её исполнению.
Мышь конструктивно представляет собой электронно-механическое устройство. В портативных компьютерах мышь вмонтирована в корпус и представляет собой площадку с сенсорами, которые отслеживают движение пальца по площадке и силу его давления и в зависимости от этого перемещают курсор по экрану. Такие устройства называются трекпойнтами или трекпадами. Механически мышь состоит из резинового шарика и двух роликов, расположенных под прямым углом друг к другу. Вращение шарика и роликов преобразуется в вертикальную и горизонтальную составляющую движения курсора по экрану. Электронная или оптическая мышь использует принцип обработки отражённых световых импульсов от поверхности перемещения.
2.8.3. Устройства печати. Огромную роль при выводе информации играют разнообразные печатающие устройства – принтеры. В процессе эволюции принтеры прошли большой путь от устройств, имитирующих работу пишущих машинок, до высокоскоростных лазерных принтеров. Принтеры весьма разнообразны по принципу действия и качеству воспроизведения изображения, по размеру бумаги, на которой они могут его воспроизводить, а также возможности печати цветных или только чёрно-белых изображений и скорости печати.
Основной характеристикой принтера, определяющей качество получаемого документа, является разрешающая способность, измеряющаяся числом элементарных точек (dots), помещающихся на одном дюйме – dots per inch (dpi). Чем выше разрешающая способность, тем точнее воспроизводятся детали изображения. Современные принтеры обеспечивают изображение от 200 до 2880 dpi. Другой не менее важной характеристикой является производительность принтера, которая измеряется количеством страниц, изготовляемых принтеров в минуту – page per minute (ppm). Чаще всего производительность указывается для формата А4.
Матричные принтеры. Изображение в них формируется из точек, которые получаются путем удара тонкой иглы по красящей ленте, прижимаемой в момент удара к бумаге. Число игл доходит до 24. Каждая игла управляется отдельным магнитом, а головка, содержащая иглы, движется горизонтально вдоль листа. Разрешающая способность матричных принтеров невелика – 200¸360 dpi. Скорость печати составляет около 2 ppm. Достоинство матричных принтеров – дешевизна расходных материалов, недостаток – низкая скорость печати и шум при работе.
Струйные принтеры являются самыми распространёнными. Печатающая головка такого принтера вместо иголок содержит миниатюрные сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие дозированные капли красителя. Число сопел в головке может доходить до 64. Качество печати получается очень высокое. Достоинства – высокое разрешение (от 300 до 1200 dpi), высокая скорость печати (до 10 ppm), бесшумность работы. Основным недостатком является высокая стоимость расходных материалов.
Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать с наивысшим разрешением и скоростью. Один из основных узлов лазерного принтера – вращающийся барабан, на внешней поверхности которого нанесён специальный светочувствительный материал. Луч лазера оставляет на поверхности барабана картину, соответствующую формируемому изображению. Затем на барабан наносится специальный мелкодисперсный порошок – тонер, частицы которого фиксируют картину, оставленную лучом лазера. К барабану прижимается лист бумаги, на которую переходит тонер. Наконец, тонер закрепляется на бумаге с помощью высокой (до 200°С) температуры.
Лазерные принтеры могут обеспечить и цветную печать. Она получается нанесением на барабан порошков разных цветов. Такие принтеры дороги, но обеспечивают высокое качество и скорость печати и бесшумны в работе.
Плоттеры или графопостроители – очень дорогие устройства, используемые для вывода графической информации. Могут работать с бумагой большого формата (А1). Плоттеры делятся на два больших класса: векторные и растровые. В векторных плоттерах пишущий узел (перо) перемещается относительно бумаги сразу по вертикали и горизонтали, вычерчивая непрерывные кривые в любом направлении. В растровых плоттерах пишущий узел перемещается только в одном направлении, и изображение формируется строка за строкой из последовательных точек.
2.8.4. Устройства поддержки безбумажных технологий. Для перевода бумажных документов в электронные копии используются устройства, называемые сканерами. Сканеры бывают чёрно-белые и цветные. Чёрно-белые сканеры могут считывать штриховые и полутоновые изображения, которые могут иметь до 256 градаций серого цвета. В цветных сканерах сканируемое изображение освещается последовательно тремя основными цветами: красным, зелёным и голубым. Разрешающая способность сканеров доходит до 1600 dpi. Скорость сканирования измеряется в миллиметрах в секунду или в секундах, затрачиваемых на сканирование одной страницы.
Конструктивно сканеры делятся на три типа: ручные, планшетные и роликовые. Ручные – самые дешёвые, обеспечивают за один проход ширину сканирования 105 мм. Всё изображение сканируется за несколько проходов. Планшетные сканеры наиболее распространены. В них сканирующая головка движется относительно неподвижного листа-оригинала, который помещается на прозрачное стеклянное основание. Скорость сканирования составляет 2¸10 секунд на одну страницу формата А4. Роликовые сканеры используются для пакетной обработки листовых документов. В них подача очередного листа происходит автоматически.
2.8.5. Устройства обработки звуковой информации. Звуковая карта – это периферийное устройство, которое ещё недавно было редким, а теперь стало почти стандартным. Звуковая карта поддерживает качество записи и воспроизведения звуковой информации и работает в трёх основных режимах: создание, запись и воспроизведение звуковых сигналов. В режиме создания звуковая карта действует как музыкальный инструмент, синтезирующий сложный звуковой сигнал. Для синтеза используется два метода: метод частотной модуляции и таблично-волновой метод (см. раздел 1.7). В режиме записи карта принимает звук от внешнего источника и производит его оцифровку, т. е. преобразует его из аналоговой формы в цифровую. Качество оцифрованного и воспроизводимого сигнала зависит от технических параметров звуковой карты.
2.8.6. Устройства для соединения компьютеров в сеть. К глобальной сети Internet компьютеры подключаются по обычной телефонной или специальной выделенной линии с помощью устройства, которое называется модем (МОДулятор+ДЕМодулятор). Цифровые данные, поступающие в модем из компьютера, преобразуются в нём путём модуляции в специальный непрерывный сигнал. Модем-приёмник осуществляет обратное преобразование сигнала. Скорость передачи данных современными модемами составляет 33600¸56000 бит/с и осуществляется по протоколу передачи данных модема. Модем конструктивно может быть выполнен как отдельное устройство или как внутреннее устройство, расположенное на материнской плате.
Сетевые карты применяются когда компьютеры объединяются в сеть, для которой прокладывается специальный кабель и используются специальные платы расширения – сетевые карты. Скорость передачи данных по сети через сетевые карты достигает 10¸100 Мбит/с. Каждая сетевая карта имеет свой уникальный адрес, который однозначно определяет адрес локального компьютера в сети. Она преобразует данные, поступающие к ней от компьютера, в специальные пакеты-кадры, пересылает их адресату и отвечает за надёжность доставки. В состав сетевой карты обычно включается специализированный процессор, обеспечивающий высокоскоростную аппаратную поддержку всех её функций.
С учётом рассмотренной в разделах 2.1-2.8 функциональной организации персонального компьютера блок-схема компьютера, отражающая основные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, может быть такой, как представлено на рис. 2.15.
* Леонардо да Винчи (1452 - 1519) – итальянский ученый и инженер.
** Блез Паскаль (1623 – 1662) – французский математик.
*** Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646 – 1716) – немецкий математик.
**** Чарльз Бэббидж (1792 - 1871) – английский математик.
***** Байрон (???? - ????) – английский поэт.
****** Джон Моучли (???? - ????) и Преспер Эккерт (???? - ????) – американские инженеры и математики.
******* Сергей Александрович Лебедев (1902 – 1974) – советский математик.
* Стив Возняк (р. ????) и Стив Джобс (р. ????) – американские инженеры и предприниматели.
* Джон фон Нейман (1903 – 1957) – американский математик.