Первые ЭВМ не отличались высоким уровнем интерактивности. Работа с ними происходила в пакетном режиме и состояла из загрузки в машину пакета перфокарт с задачей и получения результата вычислений в виде распечатки. Если все шло нормально, то вмешательство оператора в процесс вычисления не требовалось. Соответственно, не требовалось и каких-то особенных средств для общения с машиной. Как правило, они были представлены перфосчитывателем, печатающим устройством и контрольной панелью, с которой могли осуществляться запуск и остановка программы, а также ее отладка простейшими средствами. Однако вычислительная техника развивалась и с появлением диалогового режима работы возникла необходимость в более удобных средствах общения между человеком и компьютером. Первым и главным из таких средств была и остается клавиатура, впервые появившаяся в 1960 году на компьютере PDP-1 фирмы DEC.
Что касается компьютеров IBM PC и совместимых, то с технической точки зрения их клавиатура с 1981 года до сегодняшних дней изменилась очень мало. Оригинальная клавиатура PC имела 83 клавиши, интерфейс применяемый для ее связи с компьютером, был однонаправленным, т.е. данные могли передаваться только из клавиатуры в машину. По этой причине на клавиатурах IBM PC отсутствовали светодиоды-индикаторы режимов работы. Эти светодиоды появились на клавиатуре PC AT вместе с возможностью управлять параметрами набора текста, такими как скорость повтора символов при удержании клавиши. Также на AT-клавиатурах появилась дополнительная восемьдесят четвертая клавиша SYSREQ.
Эта модель выпускалась относительно недолго и в 1986 году была заменена привычной для всех 101/102-х клавишной клавиатурой. Ее интерфейс остался прежним, как и ее предшественники, эта клавиатура подключалась к системному блоку ПК кабелем с пятиштырьковым разъемом DIN. В 1987 году с выходом первых машин семейства PS/2 IBM изменила форму клавиатурного разъема, однако сигналы, передаваемые им, остались прежними. Этот клавиатурный интерфейс до сих пор является стандартным, к современному компьютеру вполне возможно подключить клавиатуру AT 1984 года (с помощью переходника DIN -> PS/2) и они замечательно будут работать вместе. Хотя сегодня PS/2-разъем плавно уходит в прошлое, уступая место USB-интерфейсу.
Дальнейшие усовершенствования клавиатуры касаются добавления дополнительных клавиш, вслед за 102-клавишной появилась 105-клавишная клавиатура. От 102-клавишной она отличается наличием двух кнопок «ÿ» (Win) и кнопки «3» (Menu). В настоящее время практически на всех моделях клавиатур присутствуют клавиши управления электропитанием (Power, Wake Up и Sleep). Также иногда встречается клавиша «Fn», с ее помощью обычно регулируется скорость автоповтора; кроме того, на портативных компьютерах эта клавиша позволяет эмулировать полноценную 105-клавишную клавиатуру, работая, как клавиша-модификатор.
Протокол обмена данными между клавиатурой и ПК не ограничивает количество клавиш ста девятью, поэтому сегодня широко распространены мультимедийные клавиатуры, количество клавиш на которых часто превышает 120.
Мышь была изобретена в 1964 году американским инженером Дугласом Энгельбартом и выпущена на рынок компанией «Xerox» в начале 70-х годов. Первым компьютером, продававшимся вместе с мышью, стал в 1981 году Xerox 8010 Star Information System.
Рисунок 12. Первая «мышь»
Изначальная конструкция датчика перемещения мыши, изобретённой Энгельбартом, состояла из двух перпендикулярных колес, выступающих из корпуса устройства. При перемещении мыши колеса крутились каждое в своем измерении. Такая конструкция имела много недостатков и довольно скоро была заменена шаровым приводом. В шаровом приводе движение мыши передается на выступающий из корпуса гуммированный стальной шарик (его вес и резиновое покрытие обеспечивают хорошее сцепление с рабочей поверхностью). Два прижатых к шарику ролика снимают его движения по каждому из измерений и передают их на датчики, преобразующие эти движения в электрические сигналы. Основной недостаток шарового привода — загрязнение шарика и снимающих роликов, приводящее к заеданию мыши и необходимости в периодической её чистке. Несмотря на недостатки, шаровой привод долгое время доминировал, успешно конкурируя с альтернативными схемами датчиков. В настоящее время шаровые мыши полностью вытеснены оптическими мышами второго поколения.
Существовало два варианта датчиков для шарового привода. Контактный датчик представляет собой текстолитовый диск с лучевидными металлическими дорожками и тремя контактами, прижатыми к нему. Такой датчик достался шаровой мыши «в наследство» от прямого привода. Основными недостатками контактных датчиков является окисление контактов, быстрый износ и невысокая точность. Поэтому со временем все мыши перешли на бесконтактные оптопарные датчики. Оптронный датчик состоит из двойной оптопары — светодиода и двух фотодиодов (обычно — инфракрасных) и диска с отверстиями или лучевидными прорезями, перекрывающего световой поток по мере вращения.
Рисунок 13. Оптико-механический датчик
При перемещении мыши диск вращается, и с фотодиодов снимается сигнал с частотой, соответствующей скорости перемещения мыши. Второй фотодиод, смещённый на некоторый угол или имеющий на диске датчика смещённую систему отверстий/прорезей, служит для определения направления вращения диска (свет на нём появляется/исчезает раньше или позже, чем на первом, в зависимости от направления вращения). Оптические датчики призваны непосредственно отслеживать перемещение рабочей поверхности относительно мыши. Исключение механической составляющей обеспечивало более высокую надёжность и позволяло увеличить разрешающую способность детектора.
Первое поколение оптических датчиков было представлено различными схемами оптопарных датчиков с непрямой оптической связью — светоизлучающих и воспринимающих отражение от рабочей поверхности светочувствительных диодов. Такие датчики имели одно общее свойство — они требовали наличия на рабочей поверхности (коврике) специальной штриховки (перпендикулярными или ромбовидными линиями). В некоторых моделях мышей эти штриховки выполнялись красками, невидимыми в обычном свете (такие коврики даже могли иметь рисунок). Недостатками таких датчиков обычно называют:
необходимость использования специального коврика и невозможность его замены другим. Кроме всего прочего, коврики разных оптических мышей часто не были взаимозаменяемыми и не выпускались отдельно;
необходимость определённой ориентации мыши относительно коврика, в противном случае мышь работала неправильно;
чувствительность мыши к загрязнению коврика (ведь он соприкасается с рукой пользователя) — датчик неуверенно воспринимал штриховку на загрязнённых местах коврика;
высокую стоимость устройства.
В СССР и России оптические мыши первого поколения, как правило, встречались только в зарубежных специализированных вычислительных комплексах.
Оптические мыши второго поколения сделаны на базе микросхемы, содержащей фотосенсор и процессор обработки изображения. Удешевление и миниатюризация компьютерной техники позволили уместить всё это в одном элементе за доступную цену. Фотосенсор периодически сканирует участок рабочей поверхности под мышью. При изменении рисунка процессор определяет, в какую сторону и на какое расстояние сместилась мышь. Сканируемый участок подсвечивается светодиодом (обычно — красного цвета) под косым углом.
Рисунок 14. Оптический датчик II поколения
Предполагалось, что такой датчик позволит оптической мыши работать на произвольной поверхности, однако скоро выяснилось, что многие продаваемые модели (в особенности первые широко продаваемые устройства) не так уж и безразличны к рисункам на коврике. На некоторых участках рисунка графический процессор способен сильно ошибаться, что приводит к хаотичным движениям курсора, абсолютно неадекватным реальному перемещению. Для склонных к таким сбоям мышей необходимо подобрать коврик с иным рисунком или вовсе с однотонным покрытием.
Отдельные модели также склонны к детектированию мелких движений при нахождении мыши в состоянии покоя, что проявляется дрожанием курсора на экране, иногда с тенденцией сползания в ту или иную сторону.
Кнопки — основные элементы управления мыши, служащие для выполнения основных манипуляций: выбора объекта и т. п. Количество кнопок на мыши ограничивает концепция их использования вслепую. Таким образом, можно сделать две или три полноценные кнопки для использования параллельно с перемещением мыши по столу — под указательный, средний и безымянный пальцы (для трех кнопок). Крайние кнопки называют по положению - левая (под указательный палец правши), правая и средняя, для трёхкнопочной мыши.
Долгое время двух- и трёхкнопочные концепции противостояли друг другу (кстати, компьютеры фирмы Apple до недавнего времени вообще комплектовались исключительно однокнопочными манипуляторами). Двухкнопочные мыши поначалу лидировали, так как на их стороне, кроме простоты (три кнопки проще перепутать), удобства и отсутствия излишеств, было программное обеспечение, которое едва загружало две кнопки. Но, несмотря ни на что, трёхкнопочные мыши никогда не прекращали продаваться, пока противостоянию не пришёл конец.
Противостояние двух- и трёхкнопочных мышей закончилось после появления прокрутки экрана (скролла), новой популярной возможности. На двухкнопочной мыши появилась небольшая средняя (третья) кнопка (для включения и выключения скроллинга, и по совместительству — средняя кнопка), которая сразу трансформировалась в колесо прокрутки, нажатие на которое работает как средняя кнопка. Трёхкнопочные же мыши объединили среднюю кнопку с колёсиком. Apple же пришла к двухкнопочной мыши своим путем. Изначально посчитав излишней даже вторую кнопку, и до последнего времени Apple строила все свои интерфейсы под однокнопочную мышь. Приняв стандарт USB, компьютеры Macintosh окунулись в мир многокнопочных мышей.
Первые мыши подключались к компьютерам IBM PC через последовательный коммуникационный интерфейс RS-232 (последовательные мыши; разъемом DB25F, и позднее DB9F) и с помощью своего адаптера (шинные мыши – bus mouse). В компьютере PS/2 фирма IBM предусмотрела для мыши специальный порт (с разъемом mini-DIN, точно таким же, как и для клавиатуры). Позднее, разъемы клавиатуры и мыши PS/2 были включены в современный стандарт корпусов — ATX. Такие мыши используются до сих пор, постепенно уступая свои позиции интерфейсу USB. Ещё одним интерфейсом, через который можно подключить мышь, является универсальный беспроводной радиоинтерфейс Bluetooth, который поддерживается на многих платформах.
Внешние интерфейсы
Однако перечень периферии, подключаемой к компьютеру, не ограничивается монитором, клавиатурой и мышью. Некоторым устройствам для работы не требуется все многообразие возможностей, предлагаемых современными системными шинами, им достаточно всего лишь нескольких проводников для передачи данных в машину, причем этот класс устройств достаточно обширен и включает в себя принтеры, сканеры, графопостроители, устройства внешней памяти и т.п. Для таких «нетребовательных» устройств в ПК предусмотрено несколько простых универсальных интерфейсов, представляющих стандартные способы подключения.
Последовательный порт – COM (от слова communication) – двунаправленный последовательный интерфейс, предназначенный для обмена байтовой информацией. Последовательный потому, что информация через него передаётся по одному биту, бит за битом (в отличие от параллельного порта). Наиболее часто для последовательного порта персональных компьютеров используется стандарт RS-232C (был разработан в 1969 году). Ранее последовательный порт использовался для подключения терминала, позже для модема или мыши. Сейчас он используется для соединения с источниками бесперебойного питания, для связи с аппаратными средствами разработки встраиваемых вычислительных систем.
Хотя некоторые другие интерфейсы компьютера — такие как Ethernet, FireWire и USB — также используют последовательный способ обмена, название «последовательный порт» закрепилось за портом, имеющим стандарт RS-232C, и предназначенным изначально для обмена информацией с терминалом.
Рисунок 15. Разъем последовательного порта
Наиболее часто используются D-образные разъёмы: 9- и 25-контактные, (DB-9 и DB-25 соответственно). Раньше использовались также DB-31 и круглые восьмиконтактные DIN-8. Максимальная скорость передачи обычно составляет 115200 бод.
В настоящее время в персональных компьютерах всё ещё встречается данный вид интерфейса, несмотря на значительное вытеснения другими портами: PS/2 (подключение мыши и клавиатуры).
COM-порты в операционной системе Windows это именованные каналы для передачи данных, называемые обычно COM1,COM2 и т.д. по порядку обнаружения драйверов соответствующих устройств. Например, для обмена информации через Bluetooth многие драйверы представляются операционной системе как COM-порт, и резервируют похожее имя.
Параллельный порт – LPT (Line Printer Terminal) – международный стандарт параллельного интерфейса для подключения периферийных устройств персонального компьютера. В основе данного стандарта лежит интерфейс Centronics и его расширенные версии (ECP, EPP). Базовый интерфейс Centronics является однонаправленным параллельным интерфейсом, содержит характерные для такого интерфейса сигнальные линии (8 для передачи данных, строб, линии состояния устройства).
Рисунок 16. Разъем параллельного порта
Стандарт позволяет использовать интерфейс в нескольких режимах:
· SPP (Standard Parallel Port) — однонаправленный порт, полностью совместим с интерфейсом Centronics.
· Nibble Mode — позволяет организовать двунаправленный обмен данными в режиме SPP путём использования управляющих линий (4 бит) для передачи данных от периферийного устройства к контроллеру. Исторически это был единственный способ использовать Centronics для двустороннего обмена данными.
· Byte Mode — редко используемый режим двустороннего обмена данными. Использовался в некоторых старых контроллерах до принятия стандарта IEEE 1284 (серия стандартов для совместимых параллельных интерфейсов).
· EPP (Enhanced Parallel Port) — разработчики - компании Intel, Xircom и Zenith Data Systems — двунаправленный порт, со скоростью передачи данных до 2Мб/сек.
· ЕСР (Extended Capabilities Port) — разработчики - компании Hewlett-Packard и Microsoft, в дополнение появились такие возможности, как наличие аппаратного сжатия данных, наличие буфера и возможность работы в режиме DMA.
В основном параллельный порт используется для подключения к компьютеру принтера, сканера и других внешних устройств, однако может применяться и для других целей (организация связи между двумя компьютерами, подключение каких-либо механизмов телесигнализации и телеуправления). Название «LPT» получил от наименования стандартного устройства принтера «LPT1» (line printer terminal) в операционных системах семейства MS-DOS.
Окончательная стандартизация параллельного порта совпала с началом внедрения шины USB. По этой причине развитие стандарта IEEE-1284 было остановлено.
USB – Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина, предназначенная для периферийных устройств. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Для высокоскоростных устройств лучше применять FireWire. USB-кабель представляет собой две витые пары: по одной паре происходит передача данных в каждом направлении (дифференциальное включение), а другая пара используется для питания периферийного устройства (+5 В). Благодаря встроенным линиям питания, обеспечивающим ток до 500 мА, USB часто позволяет применять устройства без собственного блока питания (если эти устройства потребляют ток не более 500 мА). К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств через цепочку концентраторов (они используют топологию "звезда"). В отличие от многих других стандартных типов разъемов, для USB характерны долговечность и механическая прочность.
Стандарт разработали семь компаний: Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom. Летом 1996 года на рынке появились первые компьютеры с портами USB. Технические характеристики:
· высокая скорость обмена — 12 Мбит/с
· максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена — 3 м
· низкая скорость обмена — 1,5 Мбит/с
· максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена — 5 м
· максимальное количество подключённых устройств (включая разветвители) — 127
· возможно подключение устройств с различными скоростями обмена
· напряжение питания для периферийных устройств — 5 В
· максимальный ток потребления на одно устройство — 500 мА
USB 2.0 отличается от USB 1.1 только большей скоростью и небольшими изменениями в протоколе передачи данных для режима Hi-speed (480Мбит/сек). Существуют три скорости работы устройств USB 2.0:
· Low-speed 10—1500 Кбит/c (используется для интерактивных устройств: клавиатуры, мыши, джойстики)
· Full-speed 0,5—12 Мбит/с (аудио/видео устройства)
· Hi-speed 25—480 Мбит/с (видео устройства, устройства хранения информации)
На самом деле, хотя в теории скорость USB 2.0 может достигать 480Мбит/с, устройства типа жёстких дисков и вообще любых носителей информации в реальности никогда не достигают такой скорости обмена по шине, хотя и могут развивать её. Это можно объяснить достаточно большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, другая шина, FireWire, хотя и обеспечивает максимальную скорость в 400Мбит/с, что на 80Мбит/с меньше чем у USB, в реальности позволяет достичь больших скоростей обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации.
USB OTG (аббр. от On-The-Go) — дальнейшее расширение спецификации USB 2.0, предназначенное для лёгкого соединения периферийных USB-устройств друг с другом без необходимости подключения к ПК. Например, цифровой фотоаппарат можно подключать к фотопринтеру напрямую, если они оба поддерживают стандарт USB OTG. Этот стандарт возник из-за резко возросшей в последнее время необходимости надёжного соединения различных USB-устройств без использования ПК. В данной спецификации устройства обходятся без персонального компьютера, т.е. выступают как одноранговые приемопередатчики (на самом деле только создаётся такое ощущение. В действительности же устройства определяют, кто из них будет мастер-устройством, а кто подчиняемым. А одноранговым интерфейс USB быть не может).
В настоящее время USB является основным внешним интерфейсом ПК.
IEEE 1394 (FireWire, i-Link) — последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами. Компания Apple продвигает стандарт под торговой маркой FireWire. Компания Sony продвигает стандарт под торговой маркой i.LINK.
В 1986 году члены Microcomputer Standards Committee (Комитет по Стандартам Микрокомпьютеров) приняли решение объединить существовавшие в то время различные варианты последовательной шины (Serial Bus). В 1992 году разработкой интерфейса занялась Apple, а в 1995 году был принят стандарт IEEE 1394. Основные особенности этого стандарта таковы:
· Различная скорость передачи данных — 100, 200 и 400 Мбит/с (800, 1600Мбит/с IEEE 1394b)
· Гибкая топология — равноправие устройств, допускающее различные конфигурации
· Высокая скорость — возможность обработки мультимедиа-сигнала в реальном времени
· Открытая архитектура — отсутствие необходимости использования специального программного обеспечения
· Наличие питания прямо на шине (маломощные устройства могут обходиться без собственных блоков питания). До полутора ампер и напряжение от 8 до 40 вольт.
· Подключение до 63 устройств.
Шина IEEE 1394 может использоваться с:
· Компьютерами
· Аудио и видео мультимедийными устройствами
· Принтерами и сканерами
· Жёсткими дисками, массивами RAID
· Цифровыми видеокамерами и видеомагнитофонами
Устройства IEEE 1394 организованы по трехуровневой схеме – Transaction, Link и Physical: Transaction Layer - маршрутизация потоков данных с поддержкой асинхронного протокола записи-чтения. Link Layer - формирует пакеты данных и обеспечивает их доставку. Physical Layer - преобразование цифровой информации в аналоговую для передачи и наоборот, контроль уровня сигнала на шине, управление доступом к шине.
Связь между шиной PCI и Transaction Layer осуществляет Bus Manager. Он назначает вид устройств на шине, номера и типы логических каналов, обнаруживает ошибки.
Данные передаются кадрами длиной 125 микросекунд. В кадре размещаются временные слоты для каналов. Возможен как синхронный, так и асинхронный режимы работы. Каждый канал может занимать один или несколько временных слотов. Для передачи данных устройство-передатчик просит предоставить синхронный канал требуемой пропускной способности. Если в передаваемом кадре есть требуемое количество временных слотов для данного канала, поступает утвердительный ответ и канал предоставляется.
IEEE 1394a. Первоначально интерфейс позиционировался для передачи видеопотоков. Также он пришёлся по нраву и производителям внешних накопителей, обеспечивая высокую пропускную способность для современных высокоскоростных дисков. Сегодня многие системные платы, а так же почти все современные модели ноутбуков поддерживают этот интерфейс. Скорость передачи данных — 100, 200 и 400 Мбит/с, длина кабеля до 4,5 м.
IEEE 1394b (800 Мбит/сек, 1600 Мбит/сек). В 1394b появляются новые скорости — 800 и 1600 мегабит в секунду (возможно, и 3200 Мбит/сек), и увеличивается максимальная длина кабеля до 50, 70 и даже до 100 метров.
Изменились используемые кабели и разъёмы. В 1394b могут применяться даже простые UTP кабели 5 категории, но только на скоростях до 100 Мбит/сек. Для достижения максимальных скоростей на максимальных расстояниях предусмотрено использование оптики (fiber optics), пластмассовой — для длины до 50 метров, и стеклянной — для длин до 100 метров.
Рисунок 17. Разъемы FireWire
Существуют три вида разъёмов для FireWire:
4pin (IEEE 1394a без питания) стоит на ноутбуках и видеокамерах. Два провода для передачи сигнала (информации) и два для приема.
6pin (IEEE 1394a). Дополнительно два провода для питания.
9pin (IEEE 1394b). Дополнительные провода для приема и передачи информации.