Контроллеры портов ввода-вывода

Контроллер порта ввода-вывода (КПВВ) обеспечивает интерфейс между периферийным устройством, подключенным к порту КПВВ, и системной шиной.

Порты ввода-вывода делятся на два типа в зависимости от количества бит, проходящих за один такт передачи:

- параллельные, в которых за один такт проходит несколько бит (например, 8 или 16 бит);

- последовательные, в которых за один такт проходит один бит.

Наиболее распространенные порты ввода-вывода.

RS-232 (COM) – интерфейс обмена данными по последовательному коммуникационному порту (СОМ-порту). С помощью данного интерфейса осуществляется работа и подключение таких устройств, как внешний модем, мышь и т. д.

IEEE 1284 (Instute of Electrical and Electronic Engineers 1284; LPT) – стандарт, описывающий спецификации параллельных скоростных интерфейсов SPP (Standard Parallel Port – стандартный параллельный порт), EPP (Enhanced Parallel Port – улучшенный параллельный порт), ECP (Еxtended Capabilities Port – порт с расширенными возможностями). Параллельный порт IEEE 1284 (LPT-порт) используется для принтеров, внешних запоминающих устройств, сканеров.

USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) – универсальный последовательный интерфейс, пришедший на смену устаревшим портам RS-232 и IEEE 1284. Поддерживает технологию Plug and Play с возможностью «горячей» замены, то есть замены устройств без необходимости выключения или перезагрузки компьютера. Для адекватной работы интерфейса необходима операционная система, которая корректно с ним работает. Поддержка USB введена в Microsoft Windows 2000. К портам USB можно подключить до 127 устройств. Каждое устройство, подключенное непосредственно к порту, может работать в качестве разветвителя, то есть можно подключать к нему другие устройства. Скорость передачи через порт – 480 Мбит/с. Помимо данных, через порт подается электропитание. В настоящее время большинство ПУ подключаются через порт USB.

IEEE 1394 (FireWire, iLink) – перспективный последовательный интерфейс, использующийся для подключения цифровых видеоустройств (видеокамер). Через порт возможна передача видеоизображения со скоростью 100-400 Мбит/с. Поддерживает технологию Plug and Play.

PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association; PC Card) – порт, используемый в переносных компьютерах для подключения новых устройств к нему без вскрытия корпуса компьютера. Порт имеет разрядность данных/адреса – 16/26 бит, поддерживает автоконфигурирование, возможно подключение и отключение устройств в процессе работы компьютера. Существует много ПУ, разработанных для переносных компьютеров и использующих порт PCMCIA.

Периферийные устройства

Клавиатура

Клавиатура – это стандартное клавишное устройство ввода, предназначенное для ввода алфавитно-цифровых данных и команд управления. Клавиатуры имеют по 101-104 клавиши, размещенные по стандарту QWERTY (в верхнем левом углу алфавитной части клавиатуры находятся клавиши Q, W, E, R, T, Y).

Набор клавиш клавиатуры разбит на несколько функциональных групп:

- алфавитно-цифровые клавиши (буквы и цифры) предназначены для ввода знаковой информации и команд, которые набираются посимвольно;

- функциональные клавиши (F1-F12); функции клавиш зависят от конкретной, работающей в данный момент времени программы;

- клавиши управления курсором подают команды на передвижение курсора по экрану монитора относительно текущего изображения (стрелки, а также клавиши Page Up, Page Down, Home, End); курсор – экранный элемент, указывающий на место ввода знаковой информации;

- служебные клавиши используются для разных вспомогательных целей, таких как, изменение регистра, режимов вставки, образование сочетаний «горячих» клавиш и т. д. (Shift, Caps Lock, Enter, Ctrl, Alt, Esc, Del, Insert, Tab, BackSpace);

- клавиши дополнительной панели дублируют действие цифровых клавиш, клавиш управления курсором и некоторых служебных клавиш.

Клавиатура подсоединяется к системной шине через специальный контроллер, содержащий буфер ввода, где хранятся введенные символы до тех пор, пока они не будут затребованы.

Клавиатура имеет свойство повторения знаков, используемое для автоматизации процесса ввода. Оно состоит в том, что при продолжительном нажатии клавиши начинается автоматический ввод символа, связанного с этой клавишей.

Манипулятор типа «мышь»

«Мышь» предназначена для быстрого доступа к элементам интерфейса пользователя и инициирования на них событий с помощью кнопок. Обычно «мышь» имеет 2-3 кнопки.

Принцип работы «мыши» заключается в отслеживании перемещения корпуса «мыши» по поверхности и синхронизации перемещения по экрану монитора курсора.

Существует два типа «мышей». Внутри шариковых мышей находится шарик, вращающий два валика. Вращение валиков позволяет отследить перемещение «мыши». В основе оптических «мышей» лежит светодиод, посылающий световой сигнал и считывающий его отражение. При перемещении «мыши» посланный луч отражается под другим углом, что позволяет выявить направление движения «мыши».

Все перемещения «мыши» и нажатия ее клавиш (клики) рассматриваются как события, анализируя которые устанавливается, состоялось ли событие и в каком месте экрана в этот момент находится курсор «мыши».

Основной характеристикой «мыши» является разрешающая способность – насколько точно можно отследить самое мельчайшее перемещение «мыши». Измеряется в точках (dot) на дюйм (dpi – dots per inch).

Клавиатура и «мышь» подсоединяются к портам PS/2 или USB.

Принтеры

Печатающие устройства (принтеры) – это устройства вывода данных из ЭВМ и фиксирующие их на бумаге. Основными характеристиками принтеров являются разрешающая способность, скорость печати, объем установленной памяти и максимальный поддерживаемый формат бумаги.

Разрешающая способность или разрешение печати измеряется числом элементарных точек (dot), которые размещаются на одном дюйме (dpi). Например, разрешение 1440 dpi означает, что на длине одного дюйма бумаги размещается 1440 точек. Запись 720 ´ 360 dpi означает разрешение печати по горизонтали и вертикали соответственно. Чем больше разрешение, тем точнее воспроизводятся детали изображения, но при этом возрастает время печати.

Единицей измерения скорости печати информации служит число печатаемых страниц формата A4 (210 ´ 297 мм) в минуту (ppm – pages per minute).

Данные с ЭВМ хранятся во встроенной памяти принтера. Далее принтер уже самостоятельно печатает файл без участия ЭВМ. Такая печать называется фоновой. Если данные для печати полностью не помещаются в память принтера, ЭВМ ждет, пока принтер распечатает данные и освободит память, и вновь загружает следующий блок данных в память принтера.

Максимальный поддерживаемый формат бумаги для большинства принтеров A4 или A3 (297 ´ 420 мм).

Принтеры подключаются к ЭВМ через порты LPT или USB.

Рассмотрим три наиболее распространенных типа принтеров: 1) матричные; 2) струйные; 3) лазерные.

В матричных принтерах печать точек осуществляется тонкими иглами (pin). Между бумагой и иглой находится красящая лента. При каждом ударе иглы по ленте краска переносится на бумагу. Цвет изображения на бумаге определяется цветом красящей ленты. Каждая игла управляется собственным электромагнитом. Печатающая головка с иглами перемещается в горизонтальном направлении листа, и знаки в строке печатаются последовательно. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. Обычно матричные принтеры оснащены 9, 18 или 24 иглами.

Достоинства матричных принтеров:

- низкая стоимость принтера и расходных материалов для него (красящей ленты);

- низкая себестоимость копии;

- возможность одновременной печати нескольких копий с помощью копирки.

Недостатки матричных принтеров:

- невысокие качество и скорость печати;

- шум при печати.

Струйные принтеры в печатающем узле вместо иголок имеют тонкие трубочки – сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки красителя (чернил) («пузырьковая» технология). Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел (дюз). Технически процесс распыления выглядит следующим образом. 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. Объем выстреливаемой капли не превышает 1,5 пиколитра (1 пиколитр = 10^-10 литра). После «выстрела» чернильные пары конденсируются, в сопле образуется зона пониженного давления и в него всасывается новая порция чернил. Чернила каждого цвета находятся в своем картридже. Для создания цветного изображения используется обычно принятая в полиграфии цветовая схема CMYK, включающая четыре базовых цвета: Cyan – циан (оттенок голубого), Magenta – пурпурный, Yellow – желтый, blacK – черный. Сложные цвета образуются смешением цветов CMYK. В последнее время к базовой схеме добавляют 2-4 цвета для повышения правильности цветопередачи.

Основные достоинства струйных принтеров:

- высокое качество печати для принтеров с большим количеством сопел с разрешением до 720 ´ 1440 dpi; возможна печать фотографий;

- высокая скорость печати – до 10 страниц в минуту;

- бесшумность работы.

Основные недостатки струйных принтеров:

- использование хорошей бумаги, чтобы не растекались чернила;

- опасность засыхания чернил внутри сопла, что иногда приводит к необходимости замены печатающего узла;

- высокая стоимость расходных материалов, в частности, картриджей с чернилами.

В лазерных принтерах для создания сверхтонкого светового луча служит лазер. Лазер вычерчивает на поверхности предварительно заряженного электрически положительно светочувствительного фотобарабана контуры невидимого точечного электронного изображения. На барабан наносится красящий порошок (тонер). В тех точках барабана, на которые попал лазерный луч, меняется заряд, и к этим местам притягивается частицы тонера. Лист втягивается с лотка и ему передается электрический заряд. При наложении на барабан, лист притягивает к себе частицы тонера с барабана. Для фиксации тонера, лист снова заряжается и проходит между валами, нагретыми до 180 градусов. По окончании печати барабан разряжается, очищается от тонера и снова используется. В результате получаются отпечатки, не боящиеся влаги, устойчивые к истиранию и выцветанию.

Широко используются цветные лазерные принтеры. Цветная печать обеспечивается применением разноцветного тонера по цветовой схеме CMYK. В цветном лазерном принтере находится четыре печатных механизма, расположенные в ряд. Бумага последовательно проходит под каждым из четырех фотобарабанов, с которых на нее наносится тонер соответствующего цвета. При черно-белой печати цветные барабаны просто приподнимаются над поверхностью бумаги и не участвуют в печати.

Достоинства лазерных принтеров:

- высокая скорость печати – от 10 до 40 и выше страниц в минуту;

- скорость печати не зависит от разрешения;

- высокое качество печати до 2880 dpi;

- нетребовательность к качеству бумаги;

- низкая себестоимость копии (на втором месте после матричных принтеров);

- бесшумность.

Недостатки лазерных принтеров:

- высокая цена принтеров, особенно цветных;

- невысокое качество цветных изображений, напечатанных на цветных лазерных принтерах;

- высокое потребление электроэнергии.

Сканеры

Сканер – это устройство для ввода в ЭВМ информации с бумаги, слайдов или фотопленки.

Различают планшетные и ручные сканеры.

Принцип работы планшетных сканеров заключается в следующем. Сканируемый оригинал помещается на прозрачном неподвижном стекле. Вдоль стекла передвигается сканирующий сенсор с источником света. Оптическая система планшетного сканера проецирует световой поток, отражаемый от сканируемого оригинала, на сканирующий сенсор.

Применяются два типа сенсоров – CCD (Charge-Coupled Device) и CIS (Contact Image Sensor).

В ССD-сканерах используется система зеркал, установленная в специальной каретке. Зеркала передают отраженный от оригинала свет на параллельные линейки светочувствительных элементов (CCD-матрица). Каждая линейка принимает информацию о своем цвете – красном (Red), зеленом (Green) и синем (Blue).

В CIS-сканерах светочувствительный элемент находится в непосредственной близости от сканируемого документа, и система зеркал не применяется. Поэтому CIS-сканеры компактнее CCD-сканеров, однако глубина резкости и качество изображения уступает последним.

В сканирующем сенсоре уровни освещенности преобразуются в уровни напряжения и формируется аналоговый сигнал. Затем, после коррекции и обработки, аналоговый сигнал преобразуется в цифровой аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Цифровой сигнал поступает в ЭВМ, где данные, соответствующие изображению оригинала обрабатываются и преобразовываются под управлением драйвера сканера.

Скорость сканирования страницы формата A4 составляет 5-15 секунд.

В отличие от планшетного, пользователь сам двигает сканирующую головку ручного сканера по оригиналу. Ручные сканеры применяются в магазинах для считывания скан-кодов товаров.

Основными характеристиками сканеров являются разрешающая способность, скорость сканирования и максимальный поддерживаемый формат бумаги. Эти характеристики аналогичны характеристикам принтеров.

Сетевой адаптер

Для доступа ЭВМ к локальной сети используется специальная плата – сетевой адаптер, которая выступает в качестве физического соединения ЭВМ и канала связи. Сетевой адаптер выполняет следующие функции:

- подготовку данных, поступающих от ЭВМ, к передаче по каналу связи;

- передачу данных по каналу связи;

- прием данных из канала связи и перевод их в форму, понятную ЭВМ.

Каждый сетевой адаптер имеет уникальный физический адрес, записанный в него на стадии производства.

Модем

Модем – это устройство, предназначенное для подсоединения ЭВМ к обычной телефонной линии. Название происходит от сокращения двух слов – МОдуляция и ДЕМодуляция.

ЭВМ вырабатывает дискретные электрические сигналы (последовательности нулей и единиц), а по телефонным линиям информация передается в аналоговой форме, то есть в виде сигнала, уровень которого изменяется непрерывно, а не дискретно. Модемы выполняют цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразования. При передаче данных, модемы накладывают цифровые сигналы (рис. 8.4, б), полученные из ЭВМ, на непрерывную частоту телефонной линии (рис. 8.4, а) (модулируют ее), а при их приеме демодулируют информацию и передают ее в цифровой форме в ЭВМ.

Модуляция колебаний – это изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний по определённому закону. Различают амплитудную модуляцию (рис. 8.4, в), частотную модуляцию (рис. 8.4, г) и фазовую модуляцию (рис. 8.4, д).

Рис. 8.4. Виды модуляции

Модемы передают данные по обычным телефонным каналам со скоростью от 300 до 56 000 бит в секунду. Кроме того, современные модемы осуществляют сжатие данных перед отправлением, что сокращает время передачи данных.

По конструктивному исполнению модемы бывают трех видов:

1) встроенные модемы интегрированы в материнскую плату;

2) внутренние модемы вставляются в системный блок ЭВМ в один из слотов расширения материнской платы;

3) внешние модемы подключаются через один из коммуникационных портов, имеют отдельный корпус и собственный блок питания.

По аппаратной реализации модемы бывают двух типов.

1. Программные (software) модемы представляют собой плату, вставляемую в слот PCI и работающую под управлением ОС Windows. Поэтому такие модемы называют Win-модемы. В программных модемах часть их функций реализована не в виде микросхем, а заменена программой, которая выполняется центральным МП ЭВМ. Такая замена существенно удешевляет модем, но обусловливает некоторую дополнительную нагрузку на МП.

2. Аппаратные (hardware) модемы реализуют все процедуры передачи и приема средствами самого модема. Поэтому такие модемы несколько дороже, но более эффективны при работе со старыми телефонными линиями.

Факс-модемы позволяют отправлять и принимать факсимильные сообщения (факсы) и поддерживают возможность телефонного разговора через факс-модем.

Современные цифровые модемы формально модемами не явлются, так как не преобразуют цифровой сигнал в аналоговый и обратно. Они передают и принимают только цифровые сигналы.

ADSL-модемы позволяют передавать данные, используя телефонные линии. При этом остается возможность говорить параллельно по телефону. ADSL-модемы позволяют осуществлять передачу данных на скорости до 1 Мбит/с, а прием данных – до 7 Мбит/с.

Каждый сотовый телефон содержит модем для передачи данных в сетях сотовой связи. Также такие модемы выпускаются отдельными устройствами.

Таким образом, основными характеристиками модемов являются:

1) скорость передачи;

2) конструктивное исполнение: внутренний, внешний, встроенный;

3) способ подключения к ЭВМ в случае внутреннего и внешнего конструктивного исполнения: слот PCI, порт PCMCIA, порт USB;

4) сеть или технология, по которой модем осуществляет передачу.