Принцип действия клавиатуры

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4

УСТРОЙСТВА ВВОДА ИНФОРМАЦИИ в ПК –клавиатура и мышь

Цель работы

Цель работы состоит в изучении принципов работы клавиатуры ПК, а также в управлении параметрами клавиатуры и мыши средствами Windows .

Основные сведения

Клавиатура – это устройство, предназначенное для ввода информации от пользователя в компьютер.
Обычная стандартная клавиатура для персонального компьютера имеет больше чем 100 клавиш, среди которых алфавитно-цифровые, функциональные, бухгалтерские и другие клавиши.
С помощью алфавитно-цифровых клавиш пользователь может вводить цифры, буквы и знаки препинания. В России чаще всего используются русская и английская раскладка. Однако пользователь в настройках системы компьютера может выбрать любую клавиатурную раскладку – от китайской до арабской. Если же на клавишах клавиатуры не нарисовано всех необходимых символов выбранной вами раскладки, ситуацию можно исправить, приобретя специальные клавишные наклейки.
Верхний ряд клавиатуры составляют функциональные клавиши – от F1 до F12. С помощью функциональных клавиш или их комбинаций с другими клавишами можно управлять компьютером, например, открывать окно помощи, окно проводника, включать и выключать компьютер.
В правой части клавиатуры размещены так называемые бухгалтерские клавиши – с изображением цифр и математических знаков, использование которых ускоряет набор числовой информации и работу с ней. Также бухгалтерские клавиши выполняют функцию управления курсором.

Основные параметры современных клавиатур

Механизм клавиш. Определяет в первую очередь стоимость клавиатуры, а также тактильность (осязательное ощущение).

Для механических клавиатур возможен выбор с кликом или без. Клик означает четкое осязание нажатия клавиши (сопровождаемое звуком), что многим нравится.

Тактильные параметры.

К тактильным параметрам относятся жесткость клавиш и длина хода.

Жесткость клавиш определяется силой нажатия на клавишу.

Средней длиной хода клавиши считается 3.5 мм. Для тех, кто бегло набивает текст, предпочтительнее более короткий ход.

Оба параметра определяются вкусом пользователя и осмысленно выбираются только после накопления личного опыта. В первый раз достаточно пробежаться по клавиатуре в магазине.

Еще один тактильный параметр - клик. Клавиатуры бывают с кликом пли без. В буквальном переводе click — щелчок. Точный перевод — тактильный (т. с. осязательный) барьер, появляющийся на середине нажатия и со щелчком преодолеваемый (откуда название). Реализуется дугообразной тонкой пластиной под клавишей, которая «рывком» прогибается.

Клик позволяет точно чувствовать, что клавиша нажата, и не пропускать буквы при быстром наборе. Клик нравится многим пользователям.

Обычно клик встречается у механических клавиатур, так как мало изменяет их стоимость, но иногда встречается и у клавиатур других типов.

Форм-фактор определяющих клавиш (обе Shift,. Backspace и Enter). Когда эти клавиши имеют удобные форму и расположение, то работа облегчается.

Клавиша Enter может иметь следующие формы: прямую, L-образную и Г-образную (надо сделать зеркальное отражение букв L и Г относительно вертикали, чтобы получить истинную форму клавиши. Enter). L-образная форма является самой удобной, потому что по большой Enter можно попадать, не глядя на нее.

Раскладка кириллицы. Есть две раскладки кириллицы, одна из которых более удобна.

Раскладка (т. е. расположение букв на клавишах) кириллицы бывает двух типов: Windows (распознается по расположению буквы Е в левом верхнем углу) и машинописная (распознается по расположению буквы Е в правом нижнем углу).

Машинописная раскладка, согласно названию, повторяет клавиши пишущей машинки. Windows-раскладка появилась в ОС Windows. По сравнению с машинописной в нее были внесены небольшие, но очень эффективные усовершенствования. Например, очень редко используемая буква Е была перенесена в далекий угол, а на ее место поместили клавишу с часто используемыми точкой и запятой. В машинописной раскладке они вынесены на верхний ряд и вводятся через верхний регистр. Странно то, что более совершенную раскладку разработала зарубежная компания.

Некоторые производители наносят только русскую раскладку, некоторые наносят обе, предоставляя пользователю выбор.

У кириллицы встречается два цвета (буквы находятся в правом нижнем углу клавиш): красный (у большинства производителей) и темный. Во втором случае кириллица путается с латиницей даже тогда, когда последняя нанесена светлым двойным контуром.

Эргономичностъ клавиатуры. Так называемые эргономичные клавиатуры существенно меньше утомляют пользователя, хотя занимают больше места и стоят дороже.

Наличие подставки для рук. Подставки снижает утомление и улучшает внешний вид.

Группы дополнительных клавиш. Это мо ут быть интернетовские, мультимедийные и другие группы клавиш. Ускоряют работу, позволяя меньше переключаться на мышь и обратно. Расположение клавиш сна должно быть таким, чтобы случайно их не зацепить.

Интерфейс.Связан с развитием системных плат. Говоря об интерфейсе, имеют в виду проводные клавиатуры. Используются следующие интерфейс:

- PS/2.. Представляет собой тонкий круглый разъем — 6-контактный miniDIN. Такой же используется для PS/2 мыши, и,чтобы их не перепутать, в спецификации РС'99 для этих штекеров предусмотрена различная цветовая раскраска: фиолетовый — для клавиатуры и зеленый — для мыши.

- USB. Может использоваться со всеми более-менее новыми системными платами, так как в последних есть USB порты и поддержка в BIOS. Разъем — плоской, прямоугольной

формы.USB-интерфейс является более современным и предоставляет больше возможностей, обладает большей пропускной способностью, чем порты старых типов.

Принцип действия клавиатуры

Принцип действия клавиатуры поясняется на рис. 1. Независимо от то­го, как механически реализован процесс нажатия клавиш, сигнал при нажа­тии клавиши регистрируется контроллером клавиатуры (например, 8049) и передается в виде так называемого скэн-кода на материнскую плату. Скэн-код — это однобайтовое число, младшие 7 бит которого представляют иден­тификационный номер, присвоенный каждой клавише. На материнской плате PC для подключения клавиатуры также используется специальный контроллер. Для PC типа AT обычно применяется микросхема универсального периферийного интерфейса (Universal Peripheral Interface, UPI) 8049.

Когда скэн-код поступает в микросхему (8049), то инициализи­руется аппаратное прерывание (IRQ 1), процессор прекращает свою работу и выполняет процедуру, анализирующую скэн-код. Данное прерывание об­служивается специальной программой, входящей в состав ROM BIOS. При поступлении скэн-кода от клавиш <Alt>, <Ctrl> или <Shift>, <CapsLock> изменение статуса записывается в RAM. Во всех остальных случаях скэн-код трансформируется в код символа (так называемые коды ASCII или рас­ширенные коды). При этом обрабатывающая процедура сначала определяет установку клавиш и переключателей, чтобы правильно получить вводимый код ("а" или "А"). Затем введенный код помещается в буфер клавиатуры, представляющий собой область памяти, способную запомнить до 15 вводи­мых символов, пока прикладная программа не может их обработать. Буфер организован по принципу FIFO (первый вошел — первый вышел).

Рис.1

Примечание

Каждая клавиша генерирует два типа скэн-кодов: код нажатия, когда клавиша нажимается, и код освобождения, когда клавиша отпускается. Для PC класса AT используется одна и та же цепочка битов для кодов нажатия и кодов освобождения, но коды освобождения состоят из двух байтов, первый из которых всегда ра­вен 0F0H. Для PC XT-генерации код освобождения на 128 больше кода нажатия (седьмой бит 7 равен 1). Например, 7-битовый скэн-код клавиши <В> равен 48 или 110000 в двоичной системе счисления. Когда клавишу нажимают, на кон­троллер клавиатуры поступает код 10110000, а когда отпускают — код 00110000.

Контроллер 8049 отвечает не только за генерирование скэн-кодов, но и не­обходим для выполнения функций самоконтроля и проверки нажатых кла­виш в процессе загрузки системы. Процесс самоконтроля отображается однократным миганием трех индикаторов LED клавиатуры во время выпол­нения программы POST. Таким образом, неисправность клавиатуры выявля­ется уже на стадии загрузки PC.

Контроллер на материнской плате может не только принимать, но и переда­вать данные, чтобы сообщить клавиатуре различные параметры, например, частоту повтора нажатой клавиши и др.

В табл. 1-2 представлены примеры скэн-кодов, которые соответствуют наиболее распространенной в настоящее время клавиатуре со 102 клавишами.

Шестнадцатеричные скэн-коды функциональных клавиш

Таблица 1

Шестнадцатеричные скэн-коды клавиш ввода данных

Таблица 2

Таким образом, процесс обработки клавиатурного ввода (рис.2) обеспечивают два микроконтроллера: один находится на материнской плате компьютера, второй встроен в саму клавиатуру.

Рис.2

Как видно на схеме, все горизонтальные линии матрицы клавиш подключены через резисторы к источнику питания. Встроенный чип клавиатуры имеет два порта – выходной и входной. Первый подключен к вертикальным (Y0–Y5) линиям матрицы, а второй – к горизонтальным (X0–X4).

Клавиатурный контроллер работает по следующему алгоритму. Устанавливая по очереди на каждой из вертикальных линий уровень напряжения, соответствующий логическому нулю, клавиатурный микро­компьютер непрерывно оценивает состояние горизонтальных линий – независимо от активности на центральном процессоре.

Если ни одна клавиша не нажата, уровень напряжения на всех горизонтальных линиях соответствует логической единице. Как только осуществляется нажатие, соответствующие клавише вертикальная и горизонтальная линии замкнутся. Когда процессор установит на вертикальной линии значение логического нуля, уровень напряжения на горизонтальной линии также будет соответствовать логическому нулю.

Если на одной из горизонтальных линий появится уровень логического нуля клавиатурный процессор зафиксирует нажатие на клавишу. Он отправит в компьютер (через внутренний 16-байтовый буфер) запрос на прерывание и номер клавиши в матрице (он называется скан-кодом – это случайное значение, выбранное компанией IBM еще тогда, когда она создавала первую клавиатуру для ПК). Обмен данными с компьютером повторится, когда ранее нажатая клавиша будет отпущена.

Скан-код однозначно связан с клавиатурной распайкой и не зависит напрямую от обозначений, нанесенных на поверхность клавиши. Но программе нужен не порядковый номер нажатой клавиши, а соответствующий символу на этой клавише ASCII-код. Важно понимать, что этот код не полностью зависит от скан-кода, ведь одной и той же клавише может быть присвоено несколько значений. Это зависит в том числе и от состояния других клавиш (например, кнопка 0 используется и для ввода символа), когда она нажата вместе с кнопкой) и системных настроек. Именно это позволяет варьировать раскладку клавиатуры (то есть порядок расположения клавиш на ней).

Все преобразования скан-кода в ASCII-код выполняются программными средствами. Как правило, данные функции берут на себя соответствующие модули BIOS. Для кодирования символов кириллицы эти модули расширяются клавиатурными драйверами (сейчас они включены в состав операционных систем).

Схема (рис.3) поясняет работу котроллера клавиатуры.

Г-генератор тактовых импульсов; СЧ- счетчик; С – селектор.

Рис.3. Простейшая структура клавиатуры

Дешифратор последовательно опрашивает состояние ключей, расположенных в столбцах X матрицы клавиатуры. Если какая-либо клавиша нажата, то сигнал через замкнутый контакт поступает на соответствующую горизонтальную шину Y и через селектор (регистр) поступает на вход ПЛМ (ПЗУ). Сигналы с дешифратора и селектора образуют адресный вход ПЛМ (ПЗУ), в ячейках которой записаны коды символов (их младшие разряды). Код символа записывается в выходной регистр. Старшие разряды кода определяются содержимым специального регистра, изменяющего своё значение только при нажатии клавиши изменения регистров (Shift, Alt и др.).

Мышь

Мышью называется двухмерный аналоговый манипулятор, подключаемый к персональному компьютеру и снабженный одной, двумя или тремя кнопками на верхней крышке и, возможно, колесиком.

Мышь работает вместе с экраном, управляя перемещением по нему курсора (указателя). Самые популярные —двухкнопочные мыши. Например, одна кнопка может использоваться для запуска функции, а вторая для ее отмены. В графических системах одна может включать световой карандаш, а вторая - выключать его. Имеются мыши с дополнительными устройствами для скроллинга (скроллинг - это прокрутка вверх, вниз, влево или вправо большого изображения, например текста (или WEB-страницы), не умещающегося целиком на экране). Встречаются мыши и с двумя колесиками, каждое из них «заведует» скроллингом по одной из осей. Некоторые мыши снабжаются дополнительной кнопкой сбоку корпуса под большим пальцем. Эту кнопку можно перепрограммировать для выполнения различных действий. Первые мыши имели механическую конструкцию. В ней использовался маленький шар, который выступал через нижнюю поверхность устройства и вращался по мере его перемещения по поверхности. Механические перемещения (линейные или угловые) преобразуются в двоичные коды. Так например, механическая мышь (рис.4) содержит шарик, который вращается при перемещении устройства по плоской поверхности.

Рис.4

В этой схеме:

1. Шарик управления

2. Окно для размещения шарика

3. Контактирующий ролик, обеспечивающий перемещение курсора вдоль осей х и у на экране монитора.

4. Источник направленного света.

5. Шаговый диск

6. Фотоэлемент

7. Электрические импульсы на выходе фотоэлемента.

8. Кнопки управления

9. Блок управления манипуляторов и блок связей манипулятора с компьютером.

Принцип работы.

При перемещении мыши по горизонтальной поверхности, вращается шарик управления и передает вращение одному из контактирующих валиков оси х или у. Вместе с валиков вращается шаговый диск. При вращении он закрывает доступ световому потоку на фотоэлемент (фотодиод, фототранзисторили фоторезистор). Такой режим создает на выходе фотоэлемента группу электрических импульсов, которые поступают на блок управления манипулятора. Таким образом, вращение шарика преобразуется в углы поворота шагового диска по осям X и Y и фиксируются двумя счетчиками. Поскольку расстояние, пройденное мышью, пропорционально этим углам, то коды счетчиков определяют положение мыши на поверхности. Эти же коды, переданные в процессор, управляют положением маркера на экране монитора.

Кроме счетчиков мышь содержит кнопки, информация от которых также включается в состав кода, передаваемого в процессор.

К минусам механических мышей можно отнести тот факт, что для их работы требуется пространство (обычно места на рабочих столах всегда не хватает). Кроме того, механические части часто ломаются. Мыши имеют тенденцию к собиранию грязи, что приводит к уменьшению надежности их функционирования. Поэтому это устройство необходимо периодически чистить, хотя оно как будто работает на чистой поверхности стола. Дешевизна и простота механических мышей сделала их самыми распространенными устройствами.

Альтернативой механической мыши является оптическая мышь.

В современной оптической мыши используется совершенно иной принцип (рис.5).

Рис.5

В этой схеме:

1. Поверхность столы.

2. Корпус манипулятора.

3,4. Кнопки управления.

5. Источник направленного монохромного света.

6. Окно в корпусе манипулятора, для подсветки поверхности стола.

Принцип работы.

В оптической мыши для сканирования поверхности используется миниатюрная видеокамера, работающая со скоростью 1500 снимков в секунду. Для подсветки поверхности применяется светодиод. Преобразованный в двоичный код кадры поверхности стола записываются в память манипулятора.

Процессор последовательно выбирает кадры из памяти, сравнивают их между собой и на основе сравнения вычисляет маршрут перемещения курсора на экране монитора вдоль оси х и у. Процессор также отслеживает сигнал поступающий с кнопок управления. Через блок связи передается все данные в ПК.

Отсутствие движущихся частей и высокая точность – достоинства этого метода.

Качество мыши определяется ее разрешением, которое измеряется количеством точек или отсчетов на дюйм (1 дюйм = 25,4 мм). Если мышь имеет разрешение 1000 отсчетов/дюйм и передвигается на один дюйм, то электронная схема формирует 1000 импульсов (обычное разрешение оптической мыши – порядка 400 отсчетов/дюйм). Драйвер мыши, получив эту информацию, усредняет ее в зависимости от графического разрешения монитора и соответственно позиционирует курсор на его экране.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: