Восприятие информации клавиатурой

Рассмотрим эту фазу относительно универсальной алфавитно-цифровой клавиатуры.

Восприятие информации клавиатурой существенно зависит от класса нажимаемой или отпускаемой клавиши. Клавиши обычной 101-клавишной клавиатуры делятся на следующие классы:

1. алфавитно-цифровые и знаковые клавиши. Сюда входят буквы латинского и русского алфавитов, знаки пунктуации, арифметических операций, операций сравнения, специальные клавиши Esc, Tab, Enter, Backspace;

1. функциональные клавиши от F1 до F12;

1. клавиши перемещения курсора Home, End, PageUp, PageDown, стрелки вниз, вверх, вправо, влево;

1. клавиши управления редактированием Ins, Del;

1. клавиши смены регистров и модификации кодов других клавиш Alt, Ctrl, Shift;

1. клавиши фиксации регистров CapsLock, ScrollLock, NumLock;

1. вспомогательные клавиши PrintScreen, GreyPlus, GreyMinus, Pause (Break).

Первичное восприятие и измерение

При нажатии клавиши замыкаются электрические контакты и вырабатывается непрерывный постоянный электрический сигнал, продолжительность которого определяется длительностью нажатия клавиши (на рисунке это отрезок между временем нажатия – t_н и временем от пускания – t_отп):

                 

Если (t_отп - t_н) > 0.5 секунды, сигнал дискретизируется по времени с дискретой Δt = 0.1 секунды (тогда получается, что клавиша нажималась неоднократно; задержка нажатой клавиши является частой ошибкой начинающего пользователя). Получается дискретный по времени сигнал:

При отпускании клавиши контакты размыкаются.

Контроллером клавиатуры генерируется скэн-код клавиши по следующему правилу: если клавиша нажимается, скэн-код равен ее порядковому номеру; если клавиша отпускается, скэн-код равен ее порядковому номеру, увеличенному на 128.

Сформированный скэн-код помещается в память клавиатуры (имеет размер до 20 символов).

После этого контроллер клавиатуры сообщает операционной системе о манипуляциях с клавиатурой. Операционная система обращается к памяти клавиатуры и выбирает скэн-код для последующего анализа.

Анализ

Операционная система анализирует скэн-код и переводит его в специальный двухбайтовый код. Структура этого кода и правила его назначения показаны в таблице:

                                       

Класс клавиш	Структура двухбайтового кода
	Вспомогательный байт	Главный байт
1	Скэн-код	ASCII-код
Shift+1	То же	ASCII-код+32
Остальные классы и их комбинации	"-"	0

Сочетание главного и вспомогательного байтов, когда главный байт содержит ноль, называется расширенным ASCII-кодом.

Распознавание

Отдельным кодам сопоставляются определенные функции, которые реализуются затем при нажатии этих клавиш. Так, например, для клавиш класса 1 – это функции отображения символов на экране дисплея и записи их кодов в промежуточную память клавиатуры. Таким образом, распознавания как такового не происходит, поскольку заранее определено соответствие между кодом клавиши (или комбинации клавиш) и соответствующей функцией.

Передача информации

Схема передачи информации с использованием средств информационной техники представлена на рисунке:

Здесь сокращения означают следующее:

ИС – источник сообщения. Он регистрирует (фиксирует) информацию на каком-либо носителе, в результате чего образуется сигнал. Может выполнять в целом первую фазу обращения информации, а также криптографическое кодирование. В роли ИС могут выступать сканеры, факсимильные аппараты, клавиатуры, компьютеры и т.д.

КИ – кодер источника. Выполняет эффективное кодирование информации в сигнале в случае необходимости. Данный элемент может отсутствовать в схеме.

КК – кодер канала. На него возложены функции помехозащитного кодирования, если передаваемый сигнал подвержен помехам.

У – уплотнитель сигнала. Способствует передаче нескольких сигналов по одной линии связи ЛС. Может отсутствовать в схеме. Уплотнение рассмотрено далее.

М – модулятор сигнала. Изменяет информационные характеристики сигналов-носителей, накладывая на него дискретный сигнал. Модуляция рассмотрена далее.

ЛС – линия связи – физическая среда (например, воздух, электрическое или магнитное поле) и технические средства в ней, который используются для передачи сигнала на расстояние.

ДМ – демодулятор. Выполняет выделение дискретного сигнала из сигнала-носителя. Имеет место в схеме только при наличии модулятора М.

В – устройство выделения уплотненного сигнала. Имеет место в схеме только при наличии уплотнителя У.

ДК – декодер канала. Выявляет и/или исправляет ошибки, допущенные при передаче сигнала по линии связи ЛС. Присутствует в схеме только при наличии кодера канала КК.

ДИ – декодер источника. Декодирует эффективные коды. Присутствует в схеме только при наличии кодера источника КИ.

ПС – получатель сообщения. В его роли может выступать компьютер, принтер, дисплей и т.д.

КС – канал связи.

Технически блоки модулятор (М) и демодулятор (ДМ) реализованы в одном устройстве, которое называется модем (МОдулятор-ДЕМодулятор).

Аналогично блоки кодеров (КИ и КК) и декодеров (ДИ и ДК) реализованы технически в одном устройстве, называемом кодек (КОдер-ДЕКодер).

Блоки уплотнитель У и блок выделения сигнала В образуют мультиплексор.

Модуляция и демодуляция сигнала

Модуляция -  изменение информативных параметров некоторых первичных физических процессов (сигналов), рассматриваемых как носители информации, в соответствии с передаваемой (включаемой и сигнал) информацией.

Виды модуляции связаны с типом сигнала-носителя. В современной информатике выделяют три его типа: фиксированный уровень, колебания, импульсы.

Демодуляция – восстановление величин, вызвавших изменение параметров носителей при модуляции. Выполняется на принимающей стороне при известных условиях модуляции на передающей стороне.

Фиксированный уровень

В качестве сигнала-носителя может выступать, например, значение напряжения:

Здесь t – время, U_н - нормальный уровень напряжения.

В этом случае возможна только прямая модуляция, при которой изменение уровня напряжения означает передачу того или иного сигнала.

Пример 1. Выполнить прямую модуляцию дискретного сигнала 0110₂.

Зададимся следующими модификациями напряжения U_н для передачи двоичной цифры: при уменьшении нормального уровня напряжения на ΔU_м передается двоичный 0, при увеличении нормального уровня на ту же величину передается двоичная 1. Для кодирования повторений цифр зададимся дискретой времени Δt, в течение которой передается одна цифра. Тогда получим результат, показанный на рисунке:

Колебания 

Этот вид сигнала-носителя представлен на рисунке:

Рисунок 1

Он характеризуется тремя информационными параметрами – амплитудой (имеет величину U_н на рисунке), частотой (1/(2Δt) на рисунке) и фазой (равна нулю), поэтому возможны три вида модуляции: амплитудная, частотная, фазовая.

Амплитудная модуляция

Связана с изменением амплитуды колебаний.

     

Пример 1. Выполнить амплитудную модуляцию для дискретного сигнала 0110₂, если сигналом-носителем является сигнал рисунка 1.

Зададимся модификациями амплитуды базового сигнала-носителя: пусть уменьшение амплитуды на величину ΔU_м означает передачу двоичного 0, а увеличение на ту же величину – передачу двоичной 1.

Тогда получим результат, показанный на рисунке 2:

                   Рисунок 2

Частотная модуляция

Связана с изменением частоты колебаний.

Пример 2. Выполнить частотную модуляцию для дискретного сигнала 0110₂. Сигнал-носитель представлен на рисунке 1.

Пусть увеличение колебаний в период времени T = 2Δt в 2 раза означает передачу двоичного 0, а увеличение в 3 раза – двоичной 1.

Тогда результат модуляции представлен на рисунке:

               _{Рисунок 3}

Фазовая модуляция

Передача дискретного сигнала связана со сменой фазы.

Пример 3. Выполнить фазовую модуляцию для дискретного сигнала 0110₂. Сигнал-носитель представлен на рисунке 1.

Пусть сдвиг по фазе на 90° означает передачу двоичной 1, отсутствие сдвига – двоичного 0. Тогда результат модуляции представлен на рисунке:

Импульсы        

Этот вид сигнала-носителя представлен на рисунке  1: 

     

       Рисунок 1

Аналогично колебаниям этот вид сигнала позволяет выполнять три вида модуляции: амплитудно-импульсную, частотно-испульсную, время-импульсную.

Амплитудно-импульсная модуляция

Передача дискретного сигнала связана с изменением амплитуды импульсов.

Пример 1. Выполнить амплитудно-импульсную модуляцию для дискретного сигнала 0110₂. Сигнал-носитель представлен на рисунке 1. Зададимся модификациями амплитуды базового сигнала-носителя: пусть уменьшение амплитуды импульса на величину ΔU_м означает передачу двоичного 0, а увеличение на ту же величину – передачу двоичной 1. Тогда результат модуляции представлен на рисунке:

Частотно-импульсная модуляция

Передача дискретного сигнала связана с изменением частоты импульсов.

Пример 2. Выполнить частотно-импульсную модуляцию для сигнала 0110₂. Сигнал-носитель представлен на рисунке 1.

Пусть увеличение частоты импульсов в период времени T  в 2 раза означает передачу двоичного 0, а увеличение в 3 раза – двоичной 1. Тогда результат модуляции представлен на рисунке:

Время-импульсная модуляция

Передача дискретного сигнала связана с изменением продолжительности импульса τ.

Пример 3. Выполнить время-импульсную модуляцию для сигнала 0110₂. Сигнал-носитель представлен на рисунке 1.

Пусть увеличение продолжительности импульса на время Δτ означает передачу двоичной 1, а уменьшение на ту же величину – передачу двоичного 0. Тогда результат модуляции представлен на рисунке:

Уплотнение сигнала и выделение уплотненного сигнала

Современные средства передачи информации часто бывают многоканальными, т.е. предназначенными для передачи нескольких сигналов. В этом случае все  сигналы передаются по общей линии связи путем уплотнения, или мультиплексирования, а затем разделяются на принимающей стороне.

Основными методами уплотнения и выделения сигнала являются:

1. частотный. Для уплотнения различным сигналам назначаются непересекающиеся участки частотной шкалы. Например, для передачи двух сигналов используются сигналы-носители с разными частотами (показаны на рисунке жирной и обыкновенной линией):

Тогда в простейшем случае возможны амплитудный и фазовый методы модуляции для собственно передачи дискретного сигнала. Для выделения нужного сигнала на приемной стороне полученный уплотненный сигнал разделяется частотными фильтрами, что позволяет «направить» разночастотные сигналы-носители разным получателям;

1. временной. Для уплотнения разные сигналы передаются только в определенные отрезки времени, например, для одного получателя сигнал передается от 6 часов утра до полудня, для другого – с полудня до 18 часов и т.д. Для синхронизации сигналов на передающей и принимающей стороне устанавливаются распределители, отсчитывающие время, отведенное под каждый сигнал, – это и есть выделение сигнала при данном методе;

1. кодовый. Для уплотнения каждому сигналу присваивается адрес получателя, указываемый специальным кодом. При выделении сигнала на принимающей стороне декодирующее устройство направляет сигналы согласно их адресам. Например, дискретный сигнал 0110₂ при таком методе уплотнения и двух возможных получателях с адресами 0 и 1 при пересылке его первому адресату будет иметь вид 00110₂, а при пересылке второму – 10110₂, где старший разряд – код адреса получателя сигнала.