Общение с компьютером, или Как работают устройства ввода

Компьютер – машина, способная выполнять указанную, четко сформулированную последовательность операций. Эти машины плотно вошли в нашу обыденную жизнь, заменив человека практически во всех сферах. Однако, даже общаясь с компьютером каждый день, многие до конца не понимают, как работает система.

«Мозг» компьютера

Если хорошо подумать, то по строению и по способу работы это изобретение вполне похоже на человека. Как и человек, компьютер может получать, обрабатывать и хранить информацию, а также на основе заранее подготовленных алгоритмов делать выводы. Сердце любого вычислительного устройства, от калькулятора до стационарного компьютера, – процессор. На вид он представляет собой кремневую пластинку с вживленными транзисторами. Чип или кристалл процессора, сторона которого равна 2,5 сантиметрам, может содержать миллионы транзисторов.

В этом процессор походит на упрощенную модель человеческого мозга, через который проходит около 200 миллионов нервов. В структуру нервной ткани входит нейрон - клетка, способная принимать, кодировать, хранить и передавать информацию. К тому же нервы, как провода, проводят по телу человека электрический ток, а вернее электрические импульсы, без которых мышцы просто не будут сокращаться. На этом принципе основана работа компьютера. Процессор включает в себя шины адресов и данных, регистры, счетчик команд, кеш, арифметико-логическое и математическое устройство. Давайте попробуем разобраться!

Что такое шина?

Передача данных между процессором и любым другим оперативным блоком осуществляется посредством шины. Она состоит из многочисленных сигнальных линий, различных по протоколу передачи данных и электрических характеристик, объединенных по назначению (передача данных или адресов). Разрядность, способ передачи данных, пропускная способность, тип и количество поддерживаемых устройств, протокол работы, назначение (внутреннее или интерфейсная) – все это различные характеристики разных шин. Различают два вида: шину передачи данных или адресов. К тому же все их можно разделить на 3 группы: шины типа «процессор-память», шины ввода-вывода и системные шины.

Типы шин компьютера

Для связи центрального процессора с кэш-памятью или основной памятью машины используется шина типа «процессор-память». Интенсивный обмен данными процессора с памятью требует наибольшей пропускной способности данного элемента. В машинах на базе процессора Pentium пропускная способность такой детали может составлять 66-800 МГц. В отдельных случаях эти функции может выполнять системная шина. Взаимодействие устройств ввода/вывода с процессором обеспечивается шинами scsi или pci.

Устройство ввода или вывода не требует высокой скорости. Линий в шинах ввода/вывода в разы меньше, чем в той же процессорной, но это не ухудшает работу компьютера. В некоторых моделях с целью снижение стоимости машины используют всего одну общую «системную» шину. Она объединяет функции обеих, притом ничуть не теряя в производительности. Количество линий в системной шине может достигать нескольких сотен, а их совокупность можно условно разбить на 3 функциональные группы: шину адресов, шину данных и шину управления. К последней относят линии, питающие системные модули.

Кодирование информации

Вся информация в системе компьютера обрабатывается и передается в виде электрических импульсов. Вот только человек неспособен воспринимать электрические сигналы как информацию, поэтому для общения с компьютером используется двоичный код, хорошо понятный машине, для кодирования поступающей информации и таблицы перекодировки для представления пользователю набора нулей и единиц, путем сравнения, в буквах и цифрах. Всего выделяют 4 основные таблицы кодирования: ДКОИ-8, ASCII, CP1251, Unicode. Каждой букве, цифре, знаку препинания присваивается определенный номер. Во время перекодировки информации система сравнивает букву с данными таблицы и представляет ее как последовательность электронных импульсов. На выводе происходит обратная процедура сравнения из цифры в букву по таблице. Важно использовать одну таблицу при работе с текстом. В противном случае на выходе будут получаться не слова, а набор иероглифов, что объясняется различием набора цифр, присваиваемых символу, в разных таблицах. Для перехода из одной таблицы в другую используют конвертеры.

Устройства ввода

Теперь что касается устройств ввода/вывода информации. Компания IBM, разработавшая первый персональный компьютер, использовала принцип «открытой архитектуры», что позволило разделить основные компонующие системы с целью замены отдельных частей в случае поломки. При этом основные схемы, а также алгоритмы работы, IBM предоставила в общий доступ. Со временем технологии развивались, позволяя совершенствовать и создавать новые устройства ввода/вывода информации. Все внешние, или, как их еще называют, периферийные устройства можно разделить на 3 группы. К первой группе относят устройства ввода информации в ПК: манипуляторы, клавиатура, микрофоны, камеры и т. д. Устройства ввода преобразуют информацию в понятный для машины двоичный код. Ко второй группе относят устройства вывода информации: мониторы, динамики, наушники и т. д. В третьей группе состоят устройства, которые служат одновременно для ввода и вывода информации. К этой группе относятся дисководы, съемные накопители, модемы. Система находит внешнее устройство по адресу (возможно, по группе адресов), которых в компьютере зарезервировано около тысячи.

Принцип работы клавиатуры

Рассмотрим принцип работы элементарного устройства ввода – клавиатуры. Оказывается, она тоже оснащена процессором. Но процессор клавиатуры, состоящий всего лишь из одной микросхемы, способен выполнять только элементарные задачи, а именно отслеживать замыкание электрической цепи и отправлять номер нажатой клавиши в центральный компьютер, где уже происходит обработка и составляется вывод согласно заложенной программе.

Принцип работы манипулятора

Самый распространенный манипулятор – мышь – работает чуть сложнее. Мышки делятся на 3 типа по принципу действия: механические, оптико-механические и оптические. Рассмотрим принцип работы каждой из них.

Механические мыши

При перемещении по поверхности стола механического манипулятора приводится в движение каучуковый шар. С шаром соприкасаются 2 ролика, расположенных перпендикулярно относительно друг друга. За шариками расположены детекторы, улавливающие и передающие на плату с электронной схемой (элементарным процессором) движение шариков. В зависимости от полученных данных рассчитываются координаты и передаются на центральный процессор. В настоящие время механические манипуляторы как таковые почти полностью вышли из употребления вследствие быстрого износа каучукового шара, из-за чего частенько курсор просто переставал двигаться.

Оптические манипуляторы

На смену механическим пришли оптические мыши. Каучукового шарика в них нет. Вместо него установлены 2 фотодатчика, состоящих из светодиода (фотопередатчика) и фотоэлемента (фотоприемника). Один светодиод излучает красный свет, в то время как другой излучает инфракрасный. Фотоэлементы настроены так, что каждый принимает только свой свет. При перемещении манипулятора свет отражается, притом изменяется его интенсивность в зависимости от приближения или отдаления от линии коврика. Изменение интенсивности света свидетельствует о перемещении манипулятора по оси X или Y. Датчики считывают и передают данные на плату мыши, откуда сигнал поступает в центральный процессор.

Оптико-механические мышки

Оптические мышки изнашиваются в разы медленнее, однако везде есть свое «но». Использовать оптическую крайне неудобно на гладкой поверхности. В этом случае гораздо эффективней будет использовать оптико-механическую мышь. Как и механическая, она оснащена шариком сравнительно большого размера, к которому плотно прижаты ролики, расположенные под углом в 90 градусов относительно друг друга с двумя фотодатчиками (светодиод – фотодиод) по разные стороны диска с прорезями.

В зависимости от направления движения мыши приводится в действие один или оба ролика сразу. Каждый из двух датчиков фокусирует скорость движения своего ролика и отправляет их на плату мыши, где высчитываются координаты, которые затем отправляются в центральный процессор.