Аппаратные, програмные и пользовательские интерфейсы информационных систем

     Содержание 

Введение 

Аппаратный  интерфейс

Понятие интерфейса пользователя 

Виды интерфейсов 

Командный интерфейс 

Графический интерфейс 

Простой графический интерфейс 

WIMP - интерфейс 

Речевая технология 

Биометрическая технология 

Семантический (общественный) интерфейс 

Типы интерфейсов 

Методы и средства разработки пользовательского интерфейса 

Стандартизация пользовательского интерфейса 

Список литературы 

      Введение

     Как известно, процесс проникновения  информационных технологий практически  во все сферы человеческой деятельности продолжает развиваться и углубляться. Помимо уже привычных и широко распространенных персональных компьютеров, общее число которых достигло многих сотен миллионов, становится все больше и встроенных средств вычислительной техники. Пользователей всей этой разнообразной вычислительной техники становится все больше, причем наблюдается развитие двух вроде бы противоположных тенденций. С одной стороны, информационные технологии все усложняются, и для их применения, и тем более дальнейшего развития, требуется иметь очень глубокие познания. С другой стороны, упрощаются интерфейсы взаимодействия пользователей с компьютерами. Компьютеры и информационные системы становятся все более дружественными и понятными даже для человека, не являющегося специалистом в области информатики и вычислительной техники. Это стало возможным прежде всего потому, что пользователи и их программы взаимодействуют с вычислительной техникой посредством специального (системного) программного обеспечения - через операционную систему. Операционная система предоставляет интерфейсы и для выполняющихся приложений, и для пользователей.

      Аппаратный  интерфейс

     В компьютерной системе два участника  – программное и аппаратное обеспечение. Программное обеспечение – это  все программы, установленные на компьютере, а аппаратное обеспечение  – узлы и оборудование, которые  находятся внутри системного блока  или подключены снаружи.

     Взаимосвязь между участниками компьютерной системы называют интерфейсом. Взаимодействие между различными узлами – это  аппаратный интерфейс, взаимодействие между программами – программный  интерфейс, а взаимодействие между  аппаратурой и программами –  аппаратно-программный интерфейс.

     В компьютере аппаратный интерфейс обеспечивают изготовители оборудования. Они следят за тем, чтобы все узлы имели одинаковые разъемы и работали с одинаковыми  напряжениями. Согласование между программным  и аппаратным обеспечением выполняет  операционная система.

     Аппаратный порт — специализированный разъём в компьютере, предназначенный для подключения оборудования определённого типа. Обычно портами называют разъёмы, предназначенные для работы периферийного оборудования, существенно разделённого от архитектуры компьютера (например, сетевые разъёмы не называют портами, так же, как не называют портами разъёмы PCI/ISA/AGP/VLB/PCI-E-шин, разъёмы для оперативной памяти и процессора). К аппаратным портам относят:

     Параллельный порт

     Последовательный порт

     USB-порт

     PATA/SATA

     IEEE 1394 (FireWire)

     PS/2

     Параллельный порт

     IEEE 1284 (порт принтера, параллельный порт, англ. Line Print Terminal, LPT) — международный стандартпараллельного интерфейса для подключения периферийных устройств персонального компьютера.

     В основном используется для подключения  к компьютерупринтера, сканера и других внешних устройств (часто использовался для подключения внешних устройств хранения данных), однако может применяться и для других целей (организация связи между двумя компьютерами, подключение каких-либо механизмов телесигнализации и телеуправления).

     В основе данного стандарта лежит  интерфейс Centronics и его расширенные  версии (ECP, EPP).

     Название  «LPT» образовано от наименования стандартного устройства принтера «LPT1» (Line Printer Terminal или Line PrinTer) в операционных системах семейства MS-DOS.

     Интерфейс Centronics и стандарт IEEE 1284

     Параллельный  порт Centronics — порт, используемый с 1981 года в персональных компьютерах фирмы IBM для подключения печатающих устройств, разработан фирмой Centronics Data Computer Corporation; уже давно стал стандартом де-факто, хотя в действительности официально на данный момент он не стандартизирован.

     Изначально  этот порт был разработан только для  симплексной (однонаправленной) передачи данных, так как предполагалось, что порт Centronics должен использоваться только для работы с принтером. Впоследствии разными фирмами были разработаны дуплексные расширения интерфейса (byte mode, EPP, ECP). Затем был принят международный стандарт IEEE 1284, описывающий как базовый интерфейс Centronics, так и все его расширения. 

     Разъемы

     Порт  на стороне управляющего устройства (компьютера) имеет 25-контактный 2-рядный разъём DB-25-female («мама») (IEEE 1284-A). Не путать с аналогичным male-разъёмом («папа»), который устанавливался на старых компьютерах  и представляет собой 25-пиновый COM-порт. На периферийных устройствах обычно используется 36-контактный микроразъем ленточного типаCentronics (IEEE 1284-B), поэтому кабели для подключения периферийных устройств к компьютеру по параллельному порту обычно выполняются с 25-контактным разъёмом DB-25-male на одной стороне и 36-контактным IEEE 1284-B на другой (AB-кабель). Изредка применяется AC-кабель с 36-контактным разъемом MiniCentronics (IEEE 1284-C).

     Существуют  также CC-кабели с разъёмами MiniCentronics на обоих концах, предназначенные  для подключения приборов в стандарте IEEE 1284-II, который применяется редко.

     Длина соединительного кабеля не должна превышать 3 метров. Конструкция кабеля: витые  пары в общем экране, либо витые  пары в индивидуальных экранах. Изредка  используются ленточные кабели.

     Для подключения сканера, и некоторых  других устройств используется кабель, у которого вместо разъема (IEEE 1284-B) установлен разъем DB-25-male. Обычно сканер оснащается вторым интерфейсом с разъемом DB-25-female (IEEE 1284-A) для подключения принтера (поскольку обычно компьютер оснащается только одним интерфейсом IEEE 1284). Схемотехника сканера построена таким образом, чтобы при работе с принтером  сканер прозрачно передавал данные с одного интерфейса на другой.

     Физический  интерфейс

     Базовый интерфейс Centronics является однонаправленным параллельным интерфейсом, содержит характерные для такого интерфейса сигнальные линии (8 для передачи данных, строб, линии состояния устройства).

     Данные  передаются в одну сторону: от компьютера к внешнему устройству. Но полностью  однонаправленным его назвать нельзя. Так, 4 обратные линии используются для контроля за состоянием устройства. Centronics позволяет подключать одно устройство, поэтому для совместного очерёдного использования нескольких устройств  требуется дополнительно применять  селектор.

     Скорость  передачи данных может варьироваться  и достигать 1,2 Мбит/с. 

     Фирменные расширения

     Большинство фирменных расширений первоначального  интерфейса впоследствии было стандартизировано  индустрией, каковой процесс завершился принятием серии стандартов IEEE-1284.

     Однако, следует отметить, что полного  соответствия между этим стандартом и предшествующими ему фирменными расширениями нет. Наиболее известными фирменными расширениями являются оные от фирмы Hewlett-Packard. Это Bitronics, обеспечивающий двустороннюю передачу информации (применяется прежде всего для снятия расширенной информации о состоянии принтера) и протокол мультиплексирования шины от HP, предназначенный для того, чтобы подключать к одному LPT-порту множество устройств по схеме «цепочка». На основе этого протокола были разработаны стандарты 1284.3-2000 и 1284.4-2000, но полной совместимости достигнуто не было.

     В результате некоторые очень старые устройства от HP могут не вполне корректно работать с портами, сконфигурированными в режим IEEE-1284. Подавляющее большинство современной техники не испытывает такой проблемы. 
 
 

     Режимы  работы

     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.

     EPP (Enhanced Parallel Port) — разработан компаниями Intel, Xircom и Zenith Data Systems — двунаправленный порт, со скоростью передачи данных до 2МБайт/сек.(1991)

     ЕСР (Extended Capabilities Port) — разработан компаниями Hewlett-Packard и Microsoft — в дополнение появились такие возможности, как наличие аппаратного сжатия данных, наличие буфера и возможность работы в режиме DMA.

     Стандарт  IEEE-1284

     Стал  результатом длительной борьбы за обеспечение  совместимости. Он включает в себя формальное описание всех вышеперечисленных режимов  работы (до его принятия не было никакого формального документа, позволяющего при соблюдении его рассчитывать на корректную работу устройства во всех возможных конфигурациях). 

     Стандарт  включает в себя следующие документы:

     IEEE 1284—1994: Standard Signaling Method for a Bi-directional Parallel Peripheral Interface for Personal Computers — двунаправленная передача данных

     IEEE 1284.1-1997: Transport Independent Printer/System Interface- a protocol for returning printer configuration and status — стандартизованный метод получения информации о состоянии принтера

     IEEE 1284.2: Standard for Test, Measurement and Conformance to IEEE 1284 (not approved) — тестирование на соответствие стандарту (так и не был принят)

     IEEE 1284.3-2000: Interface and Protocol Extensions to IEEE 1284-Compliant Peripherals and Host Adapters- a protocol to allow sharing of the parallel port by multiple peripherals (daisy chaining) — протокол и схема к одному порту многих устройств, объединённых в «цепочку» (позволяет выбрать нужное устройство и работать с ним).

     IEEE 1284.4-2000: Data Delivery and Logical Channels for IEEE 1284 Interfaces — allows a device to carry on multiple, concurrent exchanges of data — протокол одновременной передачи информации многим устройствам (позволяет работать одновременно с несколькими устройствами в цепочке).

     В настоящее время стандарт IEEE-1284 не развивается. Окончательная стандартизация параллельного порта совпала  с началом внедрения интерфейса USB, который позволяет подключать также и комбинированные аппараты (сканер-принтер-копир) и обеспечивает более высокую скорость печати и надёжную работу принтера. Также, альтернативой параллельному интерфейсу является сетевой интерфейс Ethernet. 
 
 

     Последовательный  порт

     Последовательный порт (англ. Serial port), серийный порт или COM-порт (произносится «ком-порт», отангл. Communication port) — двунаправленный последовательный интерфейс, предназначенный для обмена битовой информацией.

     Последовательным  данный порт называется потому, что  информация через него передаётся по одному биту, бит за битом (в отличие от параллельного порта). Хотя некоторые другие интерфейсы компьютера — такие как Ethernet, FireWireи USB — также используют последовательный способ обмена, название «последовательный порт» закрепилось за портом, имеющим стандарт RS-232C.

     Назначение

     Наиболее  часто для последовательного  порта персональных компьютеров  используется стандарт RS-232C. 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 разработкивстраиваемых вычислительных систем, спутниковыми ресиверами, а также с приборами систем безопасности объектов.

     С помощью COM-порта можно соединить  два компьютера, используя так  называемый «нуль-модемный кабель» (см. ниже).

     Разъемы

     На материнских платах ведущих производителей (например, Intel) или готовых системах (например, IBM, Hewlett-Packard, Fujitsu Siemens Computers) для последовательного порта принято следующее условное обозначение:

     Наиболее часто используются стандартизированные в 1969 году D-образные разъёмы: 9-ти и 25-ти контактные, (DE-9 и DB-25 соответственно). Раньше использовались также DB-31 и круглые восьмиконтактные DIN-8. Максимальная скорость передачи, в обычном исполнении порта, составляет 115 200 бод

     Актуальность

     Широко распространённый в IBM PC-совместимых компьютерах, последовательный порт в настоящее время морально устарел (Спецификация PC99 - один из примеров попытки избавиться в современных материнских платах от наследия старых интерфейсов), но ещё нередко присутствует на современных компьютерах и используется в промышленном и узкоспециальном оборудовании. В настоящее время в IBM PC-совместимых компьютерах активно вытесняется интерфейсом USB, в Macintosh — FireWire.

     Программный доступ к COM – порту

     UNIX

     COM-порты  в операционной системе Unix (Linux) — это файлы символьных устройств. Обычно эти файлы располагаются в каталоге/dev и называются

     ttyS0, ttyS1, ttyS2 и т. д. в Linux

ttyd0, ttyd1, ttyd2 и т. д. (или ttyu0, ttyu1, ttyu2 и т. д. начиная с версии 8.0) в FreeBSD

     ttya, ttyb, ttyc и т. д. в Solaris

     ttyf1, ttyf2, ttyf3 и т. д. в IRIX

     tty1p0, tty2p0, tty3p0 и т. д. в HP-UX

     tty01, tty02, tty03 и т. д. в Digital Unix

     ser1, ser2, ser3 и т. д. в QNX 

     Для программного доступа к СОМ-порту  необходимо открыть на чтение/запись соответствующий файл и сделать  вызовы специальных функций tcgetattr (для  того, чтобы узнать текущие настройки) и tcsetattr (чтобы установить новые настройки). Также может потребоваться сделать  вызовы ioctl с определенными параметрами. После этого при записи в файл данные будут отправляться через порт, а при чтении программа будет получать уже принятые данные из буфера СОМ-порта.

     Windows

     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. Следует также отметить, что организация взаимодействия по последовательному порту с точки зрения программирования реализуется значительно легче, чем другие способы.^{[источник не указан 694 дня]} 

     Для каждого порта в реестре имеется  раздел. Эти разделы имеют такие  имена: HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Serial\Parameters\Serial10000

где последнее  значение “Serial10000” - уникальный номер  для каждого нового добавленного в систему COM-порта, для второго  – “Serial10001” и т.д

     Для связи с устройствами, поддерживающими Bluetooth, некоторым программам (например, к таким программам относятся: программа, которая синхронизирует список контактов  с мобильным телефоном; программа, которая извлекает координаты GPS из GPS-приемника) на компьютере пользователя требуется COM-порт.

     К программам, использующим COM-порты для  поддержки связи с помощью  технологии беспроводного подключения Bluetooth, непосредственно разработанных  фирмой Microsoft, относятся:

     HotSync, используемый в ручных компьютерах

     ActiveSync, используемый в карманных ПК

     Microsoft Streets and Trips 2002

     OS/2

     Имеющийся драйвер COM.SYS поддерживает только 4 COM-порта, каждый из которых должен иметь свою линию прерываний. Для обслуживания COM-портов с общей линией прерывания необходимо воспользоваться драйвером SIO 

     USB (англ. Universal Serial Bus — «универсальная последовательная шина», произносится «ю-эс-би») — последовательный интерфейспередачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. Символом USB являются четыре геометрические фигуры: большой круг, малый круг, стрелка и квадрат, расположенные на концах древовидной блок-схемы.

     Разработка  спецификаций на шину USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB.

     Для подключения периферийных устройств  к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА).

     К одному контроллеру шины USB можно  подсоединить до 127 устройств по топологии «звезда», в том числе и концентраторы. На одной шине USB может быть до 127 устройств и до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого.

     В настоящее время широко используются устройства, выполненные в соответствии со спецификацией USB 2.0. Недавно появились  устройства, работающие на шине USB 3.0.

     Предварительные версии

     USB 0.7: спецификация выпущена в ноябре 1994 года.

     USB 0.8: спецификация выпущена в декабре 1994 года.

     USB 0.9: спецификация выпущена в апреле 1995 года.

     USB 0.99: спецификация выпущена в августе 1995 года.

     USB 1.0 Release Candidate: спецификация выпущена в ноябре 1995 года.

     USB 1.0

     Спецификация  выпущена 15 января 1996 года.

     Технические характеристики:

     два режима передачи данных:

     режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) — 12 Мбит/с

     режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) — 1,5 Мбит/с

     максимальная  длина кабеля для режима с высокой  пропускной способностью — 5 м ^[1]

     максимальная  длина кабеля для режима с низкой пропускной способностью — 3 м ^[1]

     максимальное  количество подключённых устройств (включая  размножители) — 127

     возможно  подключение устройств, работающих в режимах с различной пропускной способностью к одному контроллеру USB

     напряжение  питания для периферийных устройств  — 5 В

     максимальный  ток, потребляемый периферийным устройством  — 500 мА

     USB 1.1

     Спецификация  выпущена в сентябре 1998 года. Исправлены проблемы и ошибки, обнаруженные в  версии 1.0. Первая версия, получившая массовое распространение.