Тема 6. 2. Средства интерфейса пользователя

Для связи компьютера с пользователем (то есть организации интерфейса пользователя) применяются видеоадаптер, управляющий видеомонитором, клавиатура и графический манипулятортипа «мышь» (mouse).

Видеоадаптер представляет собой устройство сопряжения компьютера с видеомонитором и чаще всего выполняется в виде специальной платы расширения, вставляемой в системную шину или локальную шину компьютера. При этом изображение, формируемое на экране монитора, хранится в видеопамяти, входящей в состав видеоадаптера.

Видеопамять представляет собой оперативную память, которая, хотя и не является, по сути, системной памятью, рассматривается процессором как часть системной памяти с адресами А0000 — BFFFF(всего 128 Кбайт). То есть с этой памятью процессор может взаимодействовать как с системной оперативной памятью: писать информацию в любую ячейку и читать информацию из любой ячейки. Но одновременно эта же память постоянно сканируется (то есть последовательно опрашивается) самим видеоадаптером для формирования растрового изображения на экране монитора. То есть доступ к этой памяти имеют как процессор, так и
видеоадаптер.

Скорость обмена с видеопамятью — довольно важный параметр, он влияет на удобство работы с компьютером и часто определяет крут задач, который может им выполняться. Поэтому для видеопамяти используют самые быстродействующие микросхемы. Кроме того, применяют специальные архитектурные решения, позволяющие облегчить разделение доступа к памяти со стороны процессора и видеоадаптера. Например, в случае двухпортовой памяти VRAM— VideoRAM. к каждой се ячейке одновременно могут получить доступ (с записью или чтением) как процессор, так и сам адаптер. Отметим, что в старых видеоадаптерах для снижения искажений изображения на экране во время перезаписи содержимого памяти использовалось
обращение к памяти со стороны центрального процессора только в периоды
кадрового и строчного гасящего импульсов (когда электронный луч монитора гасится при переходе к следующей строке экрана или к следующему кадру). Все современные видеоадаптеры могут работать в двух основных режимах: текстовом (символьном, алфавитно-цифровом) и графическом.

В текстовом режиме видеопамять имеет начальный адрес В8000, а в графи-
ческом – А0000.

В текстовом режиме на экран можно выводить только отдельные символы, причем только в определенные позиции на экране. При этом в видеопамяти хранятся исключительно коды выводимых символов (8-разрядные) и коды атрибутов символов (8-разрядные). То есть каждой символьной позиции на экране соответствует два байта памяти. К атрибутам символа
относятся яркость, цвет, мерцание как символа, так и его фона. Для преобразования содержимого памяти в видеосигнал точечного изображения применяется так называемый знакогенератор. Он может представлять собой ПЗУ, в котором записано построчное растровое изображение каждого символа. При этом чем больше точек растра отводится по изображение символа, тем он качественнее, но тем больше места занимает на экране. Преимущества текстового режима — это простота управления экраном и малый объем требуемой памяти. Примером его использования является программа начального запуска BIOS.

В графическом режиме в видеопамяти хранится описание каждой точки на экране монитора Каждой точке соответствует несколько бит памяти (используется ряд: I, 4, 8, 16, 24 бит на одну точку). При этом, соответственно, каждая точка может иметь 2ⁿ состояний, где n — количество битов, а под состоянием понимается цвет и яркость точки. При одном бите точка может быть белой или черной, при 4 битах она может иметь 16 цветов, при 8 битах — 256, при 16 битах — 65 536, а при 24 битах — 16 777 216 цветов и оттенков. Здесь же отметим, что
общее количество точек на экране в современных компьютерах выбирается из ряда 640 (по горизонтали) х 480 (по вертикали). 800x600, 1024x768. 1280x1024, 1600x1200. Отсюда нетрудно рассчитать требуемый для полного экрана объем видеопамяти.

Понятно, что для полного обновления такого большого объема памяти требуется значительное время даже при быстрой видеопамяти и быстром процессоре. В роли ограничивающего фактора будет выступать темп обмена по системной шине. Поэтому именно видеоадаптеры первыми стали размещать на локальной шине VLBили на шине PCI, а позднее — на выделенной шине AGP. Другое направление ускорения формирования изображения — совершенствование принципов обмена с компьютером. Первые видеоадаптеры были рассчитаны на
то.чтобы все манипуляции с изображением проводил сам центральный процессор компьютера. Принципиально иной подход — использование графического сопроцессора. При этом центральный процессор только даст команды на формирование изображения, а сопроцессор, расположенный на плате видеоадаптера, сам уже выполняет всю обработку, расчеты и формирование объектов на экране, что дает большое увеличение скорости формирования изображений.
Промежуточный вариант — это применение так называемых графических ускорителей, то есть узлов, выполняющих наиболее трудоемкие операции по формированию изображений, но центральный процессор при этом не освобождается полностью от управления видеопамятью.

В настоящее время наиболее распространены два стандарта дисплеев:

• SVGA (SuperVGA), который поддерживает максимальное разрешение 1024x768 точек (стандартным считается 800x600 точек) в 16- и 256- цветных режимах при максимальном объеме видеопамяти 4 Мбайт. Кроме того, предусмотрено использование двухпортовой памяти и 16- разрядной шины данных и ряд других новшеств.

• XGAи XGA-2 (extendedGraphicsArray) — эти стандарты предложены в 1990 и 1992 г.г. компанией IBM. Основным режимом считается разрешение 1024x768 точек при 256 цветах (XGA) или при 64К цветах (XGA-2). Отличительная особенность — использование быстродействующего графического сопроцессора и наличие возможности управлять системной шиной, что позволяет выполнять видеооперации без участия центрального процессора. Так же, как и в SVGA, используется двухпортовая оперативная память, причем она располагается в адресном пространстве компьютера в последних адресах полной 4-гигабайтной области, на которые обычно никто не претендует. В XGA-2, в отличие
от XGA, используется только прогрессивная (сплошная), а не чересстрочная развертка изображения на экране монитора, что обеспечивает малые мерцания. Оба стандарта поддерживают полную совместимость с SVGA.

• UVGA (UltraVGA) — основным разрешением считается 1280x1024 точек.

• UXGA- разрешение 1600х 1200 точек, XVGA- 1280x768 точек.

Для подключения к компьютеру клавиатуры применяется специальный интерфейс с последовательной передачей информации. Это позволяет использовать для присоединения клавиатуры всего два двунаправленных провода (линия данных и тактовый сигнал). Обмен информацией идет 11-битовыми посылками, включающими 8 разрядов данных и служебную
информацию (то есть стартовый бит, бит четности и столовый бит).

Принцип работы клавиатуры довольно прост. Он сводится к постоянному сканированию (последовательному опросу) всех клавиш (обычно применяется 101-клавишная клавиатура) и к пересылке в компьютер номера нажатой клавиши (8-битного скэн-кода), причем как при ее нажатии, так и при отпускании. При отпускании клавиши ее скэн-код предваряется посылкой кода F0. Если клавиша удерживается длительное время, то через заданный интервал посылки ее скэн-кодов повторяются с заданной частотой. Если одновременно нажимается более одной клавиши, то повторяется посылка кода только последней из нажатых клавиш.

При получении скэн-кода контроллером 8042 он формирует сигнал запроса аппаратного прерывания IRQ1. Это приводит к вызову программы обработки нажатия клавиши, находящейся в BIOS. Служебные клавиши (Shift,Ctrl, Alt) и переключающие клавиши (CapsLock,Insert,NumLock) обрабатываются специальным образом, а в случае нажатия символьных клавиш их скэн-коды преобразуются в коды соответствующих символов и помешаются в буфер клавиатуры. Буфер клавиатуры — это 16-байтная область памяти, организованная по принципу FIFO«первый вошел — первый вышел», в которой хранятся колы нажатых клавиш до тех пор, пока их сможет обработать программа.

Современные клавиатуры персональных компьютеров имеют 101 или 102 клавиши. Имеются «расширенные» модели с количеством клавиш до 122 и «усеченные» модели с количеством клавиш около 90,применяемые в портативных компьютерах типа ноутбук.

Начиная с компьютера PCAT, клавиатура может не только передавать информацию, но и принимать ее. Эта возможность используется для пересылки в клавиатуру команд, устанавливающих режимы ее работы (например, скорость повтора ввода символов при удерживаемой клавише или временная задержка перед повтором).

Компьютерная мышь, служащая для управления курсором, подключается к компьютеру через стандартный последовательный интерфейс RS-232С. Для передачи компьютеру информации о перемещении мыши используется 3-байтовый формат. Два байта при этом содержат информацию о перемещении мыши по вертикали и по горизонтали, а один байт — о состоянии кнопок мыши. Передача ведется только в одном направлении (от мыши к компьютеру) со скоростью 1200 бит/с. Перемещение измеряется в специальных единицах cpi
(countsperinch), равных примерно 0,005 дюйма (0,13 мм).

Стоит отметить, что мышь, как правило, питается от системного блока компьютера. для чего задействованы неиспользуемые сигнальные.линии разъема интерфейса RS-232C,так как собственно напряжения питания на разъем не выведены. Именно поэтому мышь присоединяется к компьютеру четырехпроводным кабелем, хотя для информации хватило бы и двухпроводного.Сейчас используется также подключение мыши через интерфейс RS/2, похожий на RS-232C, но не совместимый с ним.

Внешняя память компьютера представляет собой дисковые накопители информации — встроенный накопитель на жестком диске (винчестер) и накопитель на сменных гибких лисках (дискетах). В обоих случаях магнитные диски хранят информацию в виде намагниченных концентрических дорожек (цилиндров) на магнитном покрытии, разбитых на сектора. Диск в накопителе постоянно вращается, а запись и чтение информации производятся перемещаемыми вдоль радиуса диска магнитными головками. Благодаря постоянному прогрессу технологии производства накопителей, развитию технологии магнитных покрытий и магнитных головок, емкость винчестеров повысилась до нескольких десятков гигабайт, а емкость дискет — до сотен мегабайт (правда, стандартным пока считается объем дискеты 1,44 Мбайт).

Важный параметр любого дисковода — это его быстродействие, которое определяется, с одной стороны, достижимой скоростью записи/чтения информации.а с другой — временем позиционирования (то есть установки в нужное положение) магнитной головки дисковода. Немаловажно и быстродействие интерфейса, осуществляющего связь компьютера с накопителем, а также применяемые способы организации обмена информацией.

В настоящее время наиболее распространены два стандартных интерфейса для винчестеров:

• IDE (IntegratedDriveElectronics) — интерфейс для дисковых накопителей, официальное название — ATA (ATAttachment). Именно этот интерфейс применяется в качестве основного в персональных компьютерах. Скорость обмена может достигать 133 Мбайт/с.

• SCSI (SmallComputerSystemInterface) — малый компьютерный системный интерфейс. В принципе, он используется и для подключения других устройств (например, сканеров), но основное его применение — для дисководов. Как правило, данный интерфейс изначально включается в структуру только некоторых серверов, а для его реализации в персональных компьютерах необходима дополнительная плата расширения (кстати,
довольно дорогая). Скорость обмена может достигать 320 Мбайт/с.

Сравнение этих двух интерфейсов (SCSIи IDE) показывает, что в однопользовательских автономных системах гораздо эффективнее применял» IDE, а в многопользовательских и многозадачных системах выгоднее становится SCSI. Стоит также отметить, что установка SCSIсложнее и дороже, чем IDE. Кроме того, при использовании винчестера с интерфейсом SCSIв качестве сетевого диска могут возникнуть проблемы. Преимуществом SCSIявляется большее
количество максимально подключенных дисководов и возможность одновременного выполнения ими подаваемых команд. А что касается скорости обмена, то она в основном определяется не пропускной способностью интерфейса, а другими параметрами, в частности скоростью используемой системной шины. Поэтому точно сказать, дисковод с каким интерфейсом будет
работать быстрее, в общем случае невозможно. К тому же в случае IDEреальная скорость очень сильно зависит от схемотехнических решений, использованных изготовителем дисководов.

Для ускорения обмена с дисками широко применяется кэширование, принцип которого близок к принципу кэширования оперативной памяти. Точно так же кэширование диска позволяет за счет использования более быстрой электронной памяти, чем дисковая память, существенно увеличил, среднюю скорость обмена с диском. Здесь принципиально важны несколько моментов:

• в большинстве случаев каждое следующее обращение к диску будет обращением к следующему по порядку блоку информации на диске;

• для позиционирования головки требуется заметное время (порядкамиллисекунды);

• искомый сектор на диске может не оказаться под головкой после ее установки, и потребуется ждать его прихода.

Все это приводит к тому, что оказывается гораздо выгоднее содержать в оперативной памяти (дисковой кэш-памяти) копию часта диска и обращаться на диск только в том случае, если нужной информации нет в кэш-памяти. Для обменас кэш-памятью, как и в случае оперативной памяти, используются методы WriteThrough (WT) и WriteBack (WB). Так как винчестер — это блочно-ориентированное устройство (размер блока равен 512 байт), то данные передаются
в кэш блоками. При заполнении кэш-памяти в нее переписываются не только необходимые в данный момент блоки, но и следующие за ними (метод «чтение вперед».ReadAhead),дальнейшее обращение к которым наиболее вероятно.Кэш-память диска обычно располагается на
плате специального кэш-контроллера дисковода, и ее объем может достигать 16 Мбайт.

Для сопряжения с компьютером дисковода для гибких дисков (флоппи-дисков, дискет) традиционно применяется специальный интерфейс SA-400, разработанный в начале 70-х годов. Контролер присоединяется к дисководу 34-проводным кабелем, причем к одному контроллеру обычно присоединяется до двух дисководов (теоретически их может быть четыре). На каждом
накопителе, как правило, имеется четыре перемычки DSO—DS3 (DriveSelect) для выбора номера данного дисковода. Данные по интерфейсу передаются в последовательном коде в обоих направлениях (по разным проводам). Скорость передачи данных для дискеты емкостью 1,44 Мбайт составляет 500 Кбит/с. Как и контроллер жестких дисков, контроллер гибких дисков в современных компьютерах установлен на системной плате (для старых моделей компьютеров выпускались специальные платы расширения).

В новых компьютерах стал стандартным дисковод на оптических компакт-дисках (CD-ROM). На этих дисках информация хранится в виде зон с разными степенями отражения света от поверхности диска. Вместо множества концентрических дорожек на поверхности диска (как у магнитного диска, винчестера), в случае компакт-диска применяется всего одна спиральная
дорожка. Для чтения информации применяется миниатюрный лазер. Диски имеют диаметр 5 дюймов и стандартный объем 780 Мбайт. Скорость обмена информацией с компакт-дисками сейчас составляет от 2,4 Мбайт/с (для дисководов со скоростью 16х) до 3.6 Мбайт/с (для дисководов со скоростью 52х). Используются интерфейсы IDFи SCSI. На компакт-диск записываютсяне только данные, но и звук, а также изображение. Существуют компакт-диски
с возможностью однократной записи или многократной перезаписи информации с компьютера.

 

 

Переферийные устройства

Человек взаимодействует с информационными системами главным образом через устройства ввода-вывода (input-output devices). Прогресс в области информационных технологий достигается не только благодаря возрастающей скорости процессоров и емкости запоминающих устройств, но также за счет совершенствования устройств ввода и вывода данных. Устройства ввода-вывода называются также периферийными устройствами (peripheral devices).

Среди периферийных устройств, подключаемых к персональному компьютеру, можно выделить в качестве первостепенных для ввода данных клавиатуру и мышь, для отображения результатов выполнения программ и просмотра мультимедийных приложений - видеомонитор. Необходимым устройством для вывода информации является принтер. Значительно расширяет возможности ввода текстовой и графической информации использование в составе системы сканера.