Ретро ПК на 80486 - механическая клавиатура, мышь на COM-порт, VGA монитор

Рассказ о классических устройствах ввода/вывода информации для персональных компьютеров (ПК, PC) 90-х годов - клавиатура от IBM, трехкнопочная мышь "Witty mouse", VGA мониторы, схемы переходников, история. Сборка ПК на 80486.

Это шестая статья из серии.

Предыдущие части:

1. Ретро ПК на 80486 - история, особенности микропроцессоров 486.
2. Ретро ПК на 80486 - материнская плата с VLB, SIMM память и кеш-память L2
3. Ретро ПК на 80486 - контроллер FDD/HDD/COM/LPT, жесткие и гибкие диски, дисководы 5.25, 3.5, ZIP
4. Ретро ПК на 80486 - видеокарта для VLB, история звуковых адаптеров, Creative Sound Blaster
5. Ретро ПК на 80486 - блок питания стандарта AT, модуль управления с индикатором частоты ЦПУ

В этой части будут рассмотрены устройства ввода (клавиатура и мышь) и вывода (мониторы), без которых не сможет полноценно функционировать мой экспериментальный компьютер на основе процессора 80486.

Содержание этой статьи:

1. Клавиатура для компьютера, с чего все начиналось
2. Механическая клавиатура IBM model M2
3. Переходник mini-DIN (PS/2) - DIN
4. Что такое компьютерная мышь, немного истории
5. Классическая мышь "Witty Mouse" и ее устройство
6. Переходник DB-25 в DB-9 (для COM-порта)
7. Компьютерные мониторы с ЭЛТ
8. Мониторы на основе жидких кристаллов (LCD)
9. 12-дюймовый XGA дисплей NCR
10. В завершение

Кроме обзора самих экспонатов, которые оказались у меня в наличии, также расскажу краткую историю возникновения подобных устройств, о том как они функционируют.

Разъемы для подключения у стареньких клавиатур и манипуляторов "мышь" не всегда могут подойти под имующуюся сборку ретро-ПК. Поэтому также расскажу как самостоятельно изготовить некоторые необходимые переходники для разъемов DIN, PS/2 и COM.

Ну что же, начнем....клац...клац...клац...клавиатура!

Клавиатура для компьютера, с чего все начиналось

Клавиатура - специализированное устройство с массивом символьных клавиш, нажатие на которые генерирует какое-то действие или же сигнал, соответствующий символу на нажатой клавише.

Родоначальниками практически всех устройств ввода текстовой информации и символов с применением клавиш можно заслужено считать механические и електро-механические печатающие машинки (TypeWriters), первые из которых появились еще в конце 15-го столетия.

Рис. 1. Портативная печатная машинка Hermes 3000 (1968-й год выпуска, Швейцария). Автор фото: Homeros 29 at nl.Wikipedia. Источник: en.wikipedia.org.

Такие машинки содержали клавиатуру, при нажатии на клавиши которой по бумаге ударяли выдвигающиеся рычажки, на кончиках которых были вылиты отпечатки нужного набора символов.

Перед бумагой была протянула полоска красящей ленты. Кончики рычажков с символами били по этой ленте и она окрашивала оттиск нужного символа на бумаге. Вот так вкратце работали механические печатные машинки.

Более близкими родственниками компьютерных клавиатур, которым последние обязаны своей раскладкой клавиш и спецификой применения, можно считать телетайпы/телепринтеры (teletype, TTY) и клавишные перфораторы (Keypunch) из 1830-40х годов.

Это были устройства, которые позволяли передавать набранные на них комбинации из данных по разным каналам (через двупроводную связь, по радио).

Рис. 2. Телепринтер Siemens T-37 со снятым верхним кожухом (1933-й год, Германия). Автор фото: Philipp Hachtmann. Источник: en.wikipedia.org.

Телетайпный узел состоит из двух частей:

1. Похожее на печатную машинку устройство для ввода информации, содержащее набор клавиш с разными символами;
2. Небольшой электро-механический принтер, позволяющий печатать на бумажной ленте.

     УЗЕЛ А          линия связи       УЗЕЛ Б
[Устройство ввода] <-------------> [Устройство ввода]
    [Принтер]                         [Принтер]

Набираемая на клавиатуре информация преобразовывается в электрические сигналы, а для ее воспроизведения на ответной стороне применяется принтер.

Для обмена данными между двумя телетайпами на некоторой дистанции было достаточно двух проводников. Все символы были закодированы для надежного обмена с помощью электрических сигналов.

Из режимов передачи данных, используемых в телетайпной связи, можно выделить следующие:

1. от одного оператора - к другому (point - to - point);
2. от одного оператора - к нескольким (point - to - multipoint).

Клавиатура для PC - электронное алфавитно-цифровое многоклавишное устройство ввода информации, один из важнейших компонентов компьютерной системы. Клавиатура нашла свое применение в компьютерах уже примерно в 1970-х годах.

Кстати, аббревиатуру "TTY" (teletype) до сих пор можно встретить в UNIX-подобных системах, ею обозначают физические и псевдо-терминалы (файлы устройств вида "/dev/ttyXX") для взаимодействия с операционной системой и ее ПО в текстовом режиме (консоль).

Рис. 3. Клавиатура компьютера Compucolor II (на процессоре 8080A), 1980-й год. BYTE-02-1980.

Схема, по которой расположены клавиши на клавиатуре называется "раскладкой клавиатуры". Каждой из клавиш назначены соответствующие их нажатиям символы и функции.

Если клавиша привязана к вводу нескольких различных символов, то для выбора нужного используются комбинации совместно с другими клавишами (модификаторами).

Наиболее распространенной латинской раскладкой клавиатуры для английского языка сейчас является - QWERTY (ЙЦУКЕН). Она берет свое начало еще со времен печатающих машинок 18-го столетия, ее клавиши расположены в три ряда.

Автором идеи по такому расположения клавиш был американский изобретатель, журналист, издатель и политик - Кристофер Лэтем Шоулз (Christopher Latham Sholes).

Рис. 4. QWERTY раскладка клавиатуры для компьютера.

Зачем клавиши с раскладкой QWERTY разбросаны по клавиатуре именно так, а не например по порядку, как в алфавите? - это нужно для равномерного распределения наиболее часто используемых клавиш по каждой из сторон, для того чтобы при наборе текста были наиболее сбалансировано задействованы обе руки.

Клавиатуры выпускались для разных типов компьютеров и эволюционировали по мере распространения и наращивания их функционала.

Основными типами компьютерных клавиатур можно считать следующие:

• Расширенная клавиатура Windows - 104 клавиши;
• Расширенная клавиатура - 101 клавиша;
• Клавиатура PC и XT - 83 клавиши;
• Клавиатура AT - 84 клавиши.

Механическая клавиатура IBM model M2

Для ретро-экспериментов мне удалось заполучить достаточно неплохо сохранившийся экземпляр механической клавиатуры - IBM Model M2.

"Model M" - знаменитая серия механических клавиатур, которые изготавливались компанией IBM начиная с 1984-го года и часто поставлялась в комплекте с компьютерами IBM PC.

"Model M2" - это продолжение линейки этих устройств, в моем случае уже изготовленное по заказу IBM американской компанией Lexmark International (основана в 1991-м году).

Вот как выглядит эта винтажная клавиатура:

Рис. 5. Классическая механическая клавиатура IBM Model M2, изготовленная компанией Lexmark International.

Корпус выполнен из прочного пластика белого цвета. Вес клавиатуры "IBM model M2" - более чем на 1кг меньше чем у "IBM model M" и составляет примерно 900 грамм. У "model M" размер был побольше, а также внутри использовалась большая, изготовленная из стали фигурная плата.

Крышечки клавиш (keycaps) у "model M" были изготовлены из PBT (Polybutylene Terephthalate) пластика, к особенностям которого можно отнести следующие факты:

• Способен выдержать температуру до 150° C;
• Устойчив к растворяющим веществам;
• Выдерживает значительный механические нагрузки;
• Не желтеет со временем так быстро как ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) пластик;
• Заметно медленнее по сравнению с ABS затирается и начинает отдавать блеском.

Мне не удалось найти информацию используется ли такой PBT пластик у Model M2. Но по сохранившемуся почти у всех таких клавиатур внешнему виду (фото с легкостью ищется в интернете) можно судить что тут скорее всего PBT а не ABS!

Надписи на клавишах нанесены методом сублимационной печати (sublimation print), когда под воздействием высоких температур краска проникает вглубь пластиковой поверхности крышечки клавиши.

Таким образом, чтобы стереть надписи на таких клавишах придется убрать не малый верхний слой.

Рис. 6. Клавиатура для компьютера.

В правом верхнем углу можно видеть отделение с индикаторами режимов, роль которых исполняют светодиоды. Там же расположен по своему оригинальный и узнаваемый логотип компании IBM синего цвета.

В самом верхнем ряду размещены функциональные клавиши: F1 - F12. Они не имеют статически закрепленного за ними символа или значения и могут используются в разных программах по разному.

Ниже идет ряд цифровых клавиш, а под ними - раскладка из алфавитных. По бокам указанных наборов клавиш и возле пробела расположены специальные клавиши - модификаторы (Shift, Alt, Ctrl, Caps Lock). К этой же группе относятся и Num Lock (на цифровой клавиатуре справа) и Scroll Lock.

Правее расположен набор клавиш для управления курсором, а также цифровая клавиатура. Над клавишами со стрелочками (позиционирование курсора) расположены блоки специализированных клавиш - Ins, Home, Del, End, PgUp, PgDn, Print Screen и Pause. Еще одна очень важная клавиша из этого набора заброшена в верхний левый угол - это Esc.

На более современных клавиатурах можно встретить и другие клавиши, например: Win (со значком окошка), Application (значок меню), Fn (дополнительная клавиша-модификатор) и т.д.

Несколько интересных фактов о некоторых клавишах:

• Break/Pause - использовалась еще во времена телепринтеров, когда нужно было временно прервать связь. Позже эта клавиша нашла свое применение в MS-DOS для приостановки выполнения программ и игр. Например я сам иногда еще использую эту клавишу для приостановки вывода экрана инициализации (POST) при загрузке компьютера, чтобы записать версию BIOS и различные данные об аппаратном обеспечении.
• Esc - сокращение от "escape", что означает "выход". В MS-DOS служила для выхода из игр, прекращения выполнения программ. В современных ОС с графическим интерфейсом позволяет закрывать диалоговые окна, прекращать активные операции и много всего другого.
• Enter - что с англ. означает "вход". Одна из основных и часто используемых клавиш на клавиатуре. Отвечает за подтверждение действий, ввод символа перевода строки. Что в текстовом что в графическом окружении без нее не обойтись.
• Num Lock - от "Numbers Lock", что означает "зафиксировать цифры". Служит для переключения цифровой клавиатуры между двумя режимами: a) управление курсором и позицией на странице b) ввод цифр и знаков. Также эту клавишу-триггер часто используют для быстрой проверки того не "подвисла" ли система (нажатие клавиши должно изменить состояние одноименного индикатора "Num Lock").

IBM model M2 - механическая! Она выполнена на основе кнопок с замыкающимися контактами. Особенность таких клавиш еще в том, что они дают ощущение "обратного отклика", когда для нажатия на клавишу необходимо некоторое усилие и при ее срабатывании слышен характерный щелчок. Это не мало важно для метода "слепой печати" (без необходимости смотреть на клавиатуру).

Работает такая хитрая механика на основе пружинки (spring), которая изгибается (bucking) под воздействием приложенной к клавише (Key) силы (Force):

Рис. 7. Конструкция механической клавиши IBM model M2, buckling spring. (на основе иллюстрации из wikipedia.org).

Крышечка клавиши как бы накрывает канал к механике, благодаря такой конструкции попавший между клавишами мусор не помешает функционированию контактов, он просто туда не попадет. Такие механические клавиатуры очень надежны и показали себя как достаточно устойчивые к загрязнению.

Отдельно стоит упомянуть об оформлении клавиш и самого корпуса клавиатуры.

Рис. 8. Вид на клавиатуру IBM model M2 и ее клавиши в профиль с боковой стороны.

Если посмотреть на корпус в профиль, то вы увидите образно говоря треугольник со сглаженными углами. При установке на ровную поверхность (стол) верхняя часть клавиатуры находится немножко выше чем нижняя.

На днище клавиатуры есть еще выдвижные ножки, что позволит еще больше поднять верх ее дальнюю часть, для удобства.

Рис. 9. Классическая клавиатура IBM model M2 - вид снизу.

Дизайн клавиш по своему уникальный, это вам не просто кнопочка в форме кубика. Все сделано для того чтобы пальцы ложились на клавиши равномерно и под правильным углом. Поверхность клавиш выполнена в виде "лодочки", нажатия на них приятные и точные.

Служебные клавиши окрашены в серый цвет - это удобно для их быстрого визуального определения, а также делает эту клавиатуру более нарядной, выглядит привлекательно.

Сверху на колпачках клавиш "F" и "J" есть небольшие выступы. Аналогичные выступы можно встретить и на современных клавиатурах.

Это сделано чтобы указанные клавиши можно было определить на ощупь даже с закрытыми глазами и после этого правильно расположить пальцы рук на клавиатуре для последующей "слепой печати".

Как было сказано выше, нажатие на клавиши сопровождается ощущаемым усилием с отдачей и характерным механическим щелчком.

Хотите послушать как это работает? - вот небольшое видео:

Из-за своей шумности в работе такие клавиатуры мало подходят к использованию там, где важна тишина - например, в медицинских учреждениях и библиотеках.

Звучание нажатия отдельных клавиш, если прислушаться, может заметно отличаться. Издаваемый звук зависит не только от расположения клавиши (возле края корпуса, посередине и т.п.), но и от ее формы, размера, упругости пружинки, степени изношенности механизма скольжения и других факторов.

Поэтому не будет шуткой если сказать, что по аудио-записи набора какой-то информации на такой клавиатуре, можно с не малой долей вероятности (с учетом частотности букв в словах разных языков, цифр, их чередования и т.д.) попробовать восстановить вводимую информацию.

Касательно электронного устройства, то внутри все контакты клавиш соединены в виде матрицы (сетка), а она уже подключена к контроллеру клавиатуры, который выполнен в виде небольшой внутренней печатной платы со специализированной микросхемой.

Этот контроллер не просто определяет какая клавиша нажата и как долго, он также позволяет определить нажатые нескольких клавиш одновременно.

К нему еще подключены три светодиода - индикаторы, которые нужны для отображения состояния клавиш-модификаторов: Caps Lock, Num Lock и Scroll Lock.

А еще этот контроллер следит за тем, чтобы было подавлено такое явление как "дребезг контактов", что особенно актуально для механических клавиш.

Стоит упомянуть и о встречающейся проблеме с компонентами у model M2 - на плате могут быть установлены не очень качественные конденсаторы, которые со временем утратят свои свойства и приведут к неработоспособности контроллера клавиатуры.

Поэтому, если вам попалась такая модель IBM model M2 и при подключении с заведомо исправным кабелем и материнской платой она не работает (например светится индикатор Scroll Lock и не реагирует на нажатие одноименной клавиши) - не стоит ее сразу же утилизировать.

Попробуйте заменить электролитические конденсаторы на платке контроллера. При разборке будьте осторожны, пластиковые клипсы на корпусе можно легко сломать. Также можно поискать видео по разборке корпуса для данной модели.

Скан-код клавиши - точный указатель координаты нажатой клавиши в сетке (матрице) из клавиш. Другими словами - это уникальный номер, закрепленный за клавишей на клавиатуре.

Например:

• Esc - 110;
• Enter - 43;
• Space - 61;
• Num Lock - 90;
• и т.д.

Подключается IBM model M2 неотключаемым кабелем через 6-контактный разъем mini-DIN. Аббревиатура "DIN" расшифровывается как "Deutche Industrie Norm" - индустриальный стандарт Германии.

Рис. 10. Неотсоединяемый кабель в клавиатуре IBM model M2.

Разъем mini-DIN часто еще называют PS/2. Это из-за того, что он использовался в компьютерах PS/2 для подключения клавиатуры (1987 год). Такие же разъемы позже использовались также для подключения еще одного устройства ввода - мыши.

На более новых материнских платах можно было встретить по два разъема PS/2. Бывало что перепутав местами подключенные клавиатуру и мышь оба устройства становились неработоспособными, но их контроллеры при этом не выходили из строя. Это потому что расположение линий питания и сигналов у них одинаковые, а вот протоколы передачи данных отличаются.

На материнских платах стандарта AT (Baby-AT) для подключения клавиатуры, как правило, установлено 5-контактное гнездо DIN. По форме и количеству контактов оно не совместимо с mini-DIN.

В материнской плате для моего 486-го установлено именно такое "несовместимое" с разъемом клавиатуры IBM model M2 гнездо. Придется приобрести переходник "штекер mini-DIN (PS/2) - гнездо DIN" или же изготовить его самостоятельно.

Переходник mini-DIN (PS/2) - DIN

Чтобы самостоятельно распаять такой переходник для клавиатуры необходимо знать расположение и назначение выводов на штекерах и гнездах.

Вот как это выглядит:

Рис. 11. Расположение выводов на штекерах и гнездах разъмов mini-DIN (PS/2) и DIN-5.

Соответствие номеров выводов у DIN-5 и mini-DIN показано в табличке:

Назначение	DIN (5)	mini-DIN (6)
Данные (Data)	2	1
Общий (GND)	4	3
Питание +5V (VCC)	5	4
Синхронизация (Sync)	1	5
Не подключен (NC)	-	2
NC	-	6
NC	3	-

Таким образом, можно изготовить два совместимых переходника для следующиих вариантов подключений:

1. Клавиатура со штекером PS/2 - к материнской плате с гнездом DIN;
2. Клавиатура со штекером DIN - к материнской плате с гнездом PS/2.

Для соединения разъемов понадобится кусок 4-жильного кабеля или четыре отдельных изолированных проводничка.

В моем случае, для изготовления переходника первого типа (PS/2 клавиатура - в гнездо DIN) было использовано извлеченное из задней колодки корпуса старого ПК готовое гнездо Mini-DIN (PS/2) с проводником, а также штекер DIN-5.

Рис. 12. Детали переходника для подключения клавиатуры Mini-DIN (PS/2) к гнезду DIN 5.

Каждое из соединений "проводник-штырек" на штекере можно дополнительно заизолировать с помощью термоусадок или же кусочков изоленты.

ВАЖНО: перед пайкой не забудьте продеть провод через колпачек для штекера, иначе придется все распаивать и начинать сначала.

Вот результат сборки:

Рис. 13. Готовый самодельный переходник для подключения клавиатуры Mini-DIN (PS/2) к гнезду DIN 5.

Переходник готов, клавиатурный вопрос в сборке ретро-ПК на основе процессора 80486 можно считать закрытым.

Дальше у нас на очереди "хвостатое" устройство... )

Что такое компьютерная мышь, немного истории

PC Mouse (компьютерная "мышь") - ручной манипулятор для персональных компьютеров, позволяющий выполнять перемещение экранного курсора по двухмерным координатам X (горизонтально) и Y (вертикально).

Кроме перемещения курсора с помощью специального сенсора, расположенные сверху (или даже по сторонам) кнопочки позволяют выполнять дополнительные действия - клик, двойной клик, нажатие с задержкой и т.п.

Такой манипуляор с проводным подключением своим внешним видом очень напоминает одноименную хвостатую зверушку, поэтому многие так его и называют: "мышь", "мышка".

Мышь для компьютера была изобретена Дугласом Энгельбартом (Douglas Engelbart) в 1964-м году, когда он работал в стенфордском исследовательском институте (SRI, Stanford Research Institute). Первое и официальное название изобретения было таким: "указатель XY-координат для дисплея".

Устройство представляло из себя небольшую деревянную коробочку, внутри которой находилась несложная механика с электронной платой, а сверху была расположена кнопка. Снизу корпуса выступали два перпендикулярно размешенные колесика.

При перемещении "вверх-вниз" вращалось одно из колес, а при перемещении "по сторонам" - другое. Механическое вращение колес преобразовывалось в передаваемые по проводникам на компьютер электрические сигналы.

Впервые манипулятор "мышь" был применен в компьютере в 1973-м году фирмой Xerox. Увиденное "хвостатое" изобретение и его работа очень понравились нескольким инженерам из компании Apple. В результате на работу в компанию были приглашены около 20-ти инженеров из Xerox.

Компанию Xerox многие знают преимущественно по их копировальным аппаратам, которые так и называли "ксероксы", а задание скопировать (размножить) какие-то документы называлось - "отксерить бумаги".

Как видите, у Xerox было не мало уникальных и революционных разработок. Среди таких идей были и уникальные на то время программные решения. Кстати, идея оконной операционной системы была любезно "позаимствована" именно у этой компании.

С появлением систем класса Windows манипулятор "мышь" начал набирать огромную популярность и стал практически обязательной принадлежностью для каждого полноценного ПК.

Данное устройство позволяет комфортно и эффективно работать в программах и ОС с графическим интерфейсом, например в графических программах и играх под DOS, в MS Windows, KDE, Gnome, и т.д.

В стареньких персональных компьютерах мышь, как правило, подключалась к одному из свободных коммуникационных портов - COM1 или COM2.

В более новых материнских платах стандарта AT под новые процессоры присутствовали уже выходы для подключения внешних планок с разъемами PS/2 (mini-DIN), а также USB.

В применяемой мною материнской плате конечно же нет ни PS/2 ни тем более USB. Но зато есть плата VLB-мультиконтроллера с двумя COM-портами на борту.

К первому из них я и буду подключать мышь, а второй останется для других задач - например, для передачи файлов через нуль-модемное соединение (COM-COM).

Классическая мышь "Witty Mouse" и ее устройство

Сейчас большинство используют оптические и лазерные мыши, но все начиналось именно с механических. В основе работы механической мыши лежит небольшой, покрытый резиной, шарик и прилегающие к нему два вала, которые в свою очередь связаны с оптическими датчиками вращения.

Для экспериментов со старым железом у меня есть достаточно уникальная и симпатичная "зверушка" с названием "Witty Mouse".

Рис. 14. Стильная ретро мышь Witty Mouse с интерфейсом подключения через COM-порт (разъем DB-25).

Своей формой корпуса и кнопок она немного напоминает первую трехкнопочную мышь компании Xerox для их компьютеров Alto.

Рис. 15. Старенькая мышь Witty Mouse с интерфейсом подключения RS-232, вид снизу.

Интерфейс подключения данного манипулятора - RS-232, через коммуникационный порт. Разъем для подключения - выполнен в форме трапеции с 25-ю гнездами, напоминающей английскую букву "D", отсюда и название "D-25" или "DB-25".

Кстати точно так же выглядит и разъем LPT (с гнездами) для подключения принтера на мульти-контроллере или более новой материнской плате.

Если попробовать заменить шарик такой мышки на другой, из "типовых мышей" под PS/2, то ничего не получится - здесь шарик в диаметре заметно больше чем у конкурента.

Рис. 16. Ретро мышь Witty Mouse, сравнение шариков в размере.

Внутри мыши расположена печатная плата, на которой можно увидеть микросхемы: NE555, 42C40P1847, NM4584B.

Также на ней размещены другие электронные компоненты:

• диоды;
• резисторы;
• несколько конденсаторов;
• два кремниевых биполярных транзистора;
• три кнопки;
• четыре оптопары (светодиод+фотодиод).

Рис. 17. Мышь Witty Mouse в разобранном виде, ее внутренне устройство и печатная плата с компонентами.

Покрытый резиновой оболочкой металлический шарик удерживается тремя латунными валиками:

1. первый (сверху) - связан с оптическими датчиками позиционирования по оси Y (вертикально);
2. второй (справа) -  с оптическими датчиками позиционирования по оси X (горизонтально);
3. третий (снизу) - прижимает шарик к двум, расположенным выше валикам с помощью небольшой пружинки.

Оптические датчики представляют собой оптопары: связка из светодиода (излучатель света, красненькие компоненты на плате) и фотодиода (приемник светового излучения, желтые детали напротив светодиодов).

При вращении валиков вместе с ними вращаются и колесика, в которых по всей окружности и на одинаковой дистанции сделаны прорези.

Свет от светодиода к фотодиоду свободно пройдет через такую прорезь (считаем логической 1), а вот если угол вращения колесика изменится и луч попадет на перегородку, то сигнала на фотодиоде уже не будет (логический 0).

Таким образом, перемещая мышь по столу мы заставляем вращаться колесико, которое синхронно передает свое вращение на валики, а те - на колесика с оптическими датчиками.

Возможно у вас возник вопрос: А зачем тогда по две пары светодиод-фотодиод на каждое колесико? - это нужно для определения направления вращения колесика, с одним датчиком такую задачу не решить.

Собранная на плате схема преобразует сигналы с датчиков и кнопок для передачи их в закодированном виде по протоколу RS-232 через COM-порт компьютера.

Как видим, компьютерная мышь - это достаточно простое по конструкции устройство, совершившее настоящую революцию в мире компьютеров и в удобстве работы с графической информацией!

Переходник DB-25 в DB-9 (для COM-порта)

Witty Mouse - это мышь, подключаемая через последовательный интерфейс, причем через старый 25-пиновый разъем под COM-порт ПК.

В моем VLB-мультиконтроллере первый COM-порт выведен в виде DB-9 (9 пинов) разъема на прикрученную к плате металлическую панельку, также на ней размещен разъем LPT-порта.

Я решил сделать небольшой переходник для возможности подключения этой мышки с разъемом DB-25 к COM-порту с разъемом DB-9. Такой переходник также может пригодиться для подключения других устройств к COM-порту с широким 25-пиновым разъемом.

Для изготовления переходника понадобятся:

1. 25-контактный разъем DB-25 (с штырьками, "папа");
2. 9-контактный разъем DB-9 (с гнездами, "мама");
3. Проводники в изоляции (9 шт.) или же кусочек 9-жильного кабеля (желательно экранированного);
4. Кембрики или термоусадки для изоляции соединений, также можно применить изоленту.

Рис. 18. Детали для самодельного переходника COM (25) - COM (9), DB-25 в DB-9.

Поскольку мышь была разобрана, то я на всякий случай прозвонил с помощью тестера контакты на разъеме с контактами на плате и зарисовал их соответствие.

Схема соединений пинов разъемов:

DB-25       DB-9
==================
TD  2  ---- 3  TD
RD  3  ---- 2  RD
RTS 4  ---- 7  RTS
CTS 5  ---- 8  CTS
DSR 6  ---- 6  DSR
SG  7  ---- 5  SG
DCD 8  ---- 1  DCD
DTR 20 ---- 4  DTR
RI  22 ---- 9  RI

На каждом из разъемов все пины, как правило, подписаны. Если пайку проводников выполнять аккуратно и сильно их не греть, то может выйти и так, что дополнительная изоляция между ними не понадобится.

Прежде чем припаять второй разъем, я одел на весь жгут из проводников несколько кусочков термоусадки. Один кусочек будет исходить из разъема, а остальные распределю по длине жгута, чтобы проводники не расползались по сторонам.

Рис. 19. Самодельный переходник для подключения COM (25) мыши к порту COM (9), DB-25 в DB-9.

Вот что получилось в результате работы:

Рис. 20. Готовый переходник COM (25) - COM (9), DB-25 в DB-9.

Компьютерные мониторы с ЭЛТ

А теперь рассмотрим устройства, благодаря которым компьютер превращается в действительно привлекательный и удобный инструмент визуального восприятия информации - это монитор (дисплей).

Компьютерный монитор - электронное устройство для визуального отображения обрабатываемой компьютером информации в виде текста и графических элементов.

Стоит заметить что компьютеры существовали еще до появления первых мониторов и в качестве простейших устройств динамического вывода информации (которая быстро менялась) в таких машинах использовались, например - электронные лампочки. 

Набор таких светоизлучающих элементов мог располагаться на панели управления компьютером или же быть собран в массивы (панели с лампочками), тем самым отображая различные состояния системы, ее внутренней памяти, регистров процессора и т.д.

Чтобы показать как такое могло быть организовано, ниже приведен фрагмент пульта ЭВМ ЕС-1035. Эта вычислительная система, которая могла занимать целый этаж небольшого здания, была в свое время уже достаточно "продвинутой" и поставлялась с дисплейным модулем оператора, в котором присутствовал монитор на ЭЛТ.

Рис. 21. Часть пульта управления электронно-вычислительной машины (ЭВМ, Mainframe) ЕС-1035 (единая система), 1977-й год выпуска.

Для вывода более массивного объема данных, с сохранением его состояния (например после обработки какой-то информации),  применялись принтеры. Информация печаталась на листах бумаги или бумажной ленте.

Если классифицировать мониторы по типу используемого экрана, то список будет уже не маленьким, там кроме кинескопов за отображение пикселей могут отвечать:

• жидкие кристаллы (LC, Liquid Crystal);
• светодиоды (LED, Light-Emitting Diode);
• органические светодиоды (OLED, Organic LED);
• плазменные элементы;
• и т.д.

Поскольку эта серия из статей посвящена компьютерам на процессоре 4-го поколения (486), то считаю что здесь нужно обязательно коснуться темы мониторов с кинескопами, электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) внутри.

Такие мониторы служили первыми по настоящему удобными устройствами для отображения динамической (часто и быстро изменяющейся) информации в компьютерных системах.

На следующих фото показано три классических компьютерных монитора с ЭЛТ:

1. AppleColor RGB с диагональю экрана 12", 640x480 пикселей - 1987-й год;
2. Sony CPD-200ES с диагональю экрана 17", 1280x1024 пикселей - 1998-й год;
3. Samsung SyncMaster 957DF с плоским экраном (DynaFlat) и диагональю 19", 1920x1440 пикселей - 2002-й год.

Рис. 22. Классические мониторы с ЭЛТ - AppleColor RGB 12", Sony CPD-200ES 17", Samsung SyncMaster 957DF 19".

Как можно видеть, это достаточно габаритные устройства. Корпуса выполнены из прочного пластика белого цвета, внутри у них находится кинескоп (ЭЛТ) и несколько печатных плат с электронными компонентами.

Ниже приведено фото старенького 12-дюймового (длина диагонали экрана 12', примерно 30см) VGA монитора фирмы IBM с электронно-лучевой трубкой внутри.

Когда-то у меня был аналогичный монитор от IBM, он использовался с моим первым компьютером на процессоре 80286, а потом даже некоторое время с новым ПК на Celeron-600.

Рис. 23. Классический 12-дюймовый VGA монитор IBM с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), 1991-й год выпуска (IBM Personal System/2 Color Display).

Такой монитор поддерживал максимальное разрешение 640x480 пикселей и частоту обновления 60Гц. При весе примерно 11кг он занимал не мало места на столе и мог потреблять до 100 Вт электроэнергии. В версии с питанием от сети переменного напряжения ~100-125V ток потребления мог достигать 1A, а в версии на ~200-240V - до 0.5A.

ЭЛТ (CRT, Cathode Ray Terminal) - электронно-вакуумное устройство, которое фактически является наследником радиоламп. Оно представляет собою герметичную (содержащую вакуум), вытянутую стеклянную колбу, внутри которой с одной стороны размещена система с нитью накала и электродами, а с другой - покрытая люминофором поверхность.

Люминофор - специальное вещество, которое способно излучать свет при воздействии на него энергией заряженных частиц.

Разогретая от электрического тока нить накала начинает испускать поток электронов, который перемещаются в вакуумном пространстве и фокусируются с помощью размещенных на его пути электродов.

Попадая на люминофорную поверхность пучок сфокусированных электрончиков заставляет ее светиться. Так на экране получается светящийся пиксель.

Вы спросите: а как же управлять перемещением этого пикселя по площади экрана? - делается это с помощью отклоняющей системы, которая отвечает за изменение траектории пучка электронов и может быть:

1. Электростатической - подача управляемого напряжения на дополнительные отклоняющие электроды (пластины);
2. Магнитной - напряжение подается на комплект из отклоняющих катушек, которые генерируют магнитное поле нужного направления и силы.

Рис. 24. Электростатическая и магнитная отклоняющие системы в электронно-лучевых трубках (ЭЛТ).

Чаще всего в мониторах для ПК можно встретить именно магнитную отклоняющую систему, она выполнена в виде набора из катушек, размещенных вокруг стеклянной колбы ЭЛТ.

Чтобы показать как выглядит ЭЛТ с магнитной отклоняющей системой я приведу фото маленького классического телевизора со снятой крышкой, в нем установлена цветная RGB-трубка от фирмы Samsung:

Рис. 25. Маленький телевизор с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) внутри.

Здесь видна стеклянная трубка с "электронными пушками" внутри, а также элементы настройки фокусировки луча (магнитные кольца с лепестками, зафиксированные каплей зеленой смолы) после которых установлен блок отклоняющих катушек.

Небольшая присоска на ЭЛТ справа - это точка подачи анодного напряжения, которое может достигать десятков тысяч Вольт! Вырабатывается это напряжение специальным преобразователем напряжения с "повышающей" катушкой (черный цилиндр с магнитным сердечником, на фото слева).

Высокое электрическое напряжение здесь необходимо для того чтобы разогнать испускаемые пушками электроны до большой скорости с последующим достижением слоя с люминофором.

Итак, луч электронов заставляет люминофорное покрытие светиться, в месте его воздействия получаем светящийся пиксель. Как только поток электронов прекращается, то люминофор еще светится некоторое непродолжительное время (дольки секунды). Чтобы поддержать свечение такого пикселя нужно снова пройтись по нему несущим пучок энергии электронов лучом.

Электронный луч перемещается по строке экрана слева направо и "зажигает" нужные пиксели, потом перемещается на следующую строку вниз и снова проходит строку слева-направо, и т.д.

Такая траектория перемещения луча и построения кадра получила название - "растр".

Рис. 26. Принцип построения изображения на дисплее с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ).

Чем более интенсивный поток электронов в луче, тем более ярко будет светиться пиксель.

Для вывода в ЭЛТ цветного изображения пиксель строится из трех независимых частей, каждая из которых покрыта люминофором нужного цвета. В этом случае задействованы три электронные пушки, каждая из которых нацелена на свою часть пикселя нужного цвета:

1. R - Red, красный цвето;
2. G - Green, зеленый цвет;
3. B - Blue, синий цвет;

В зависимости от интенсивности потока электронов в каждом из лучей RGB-пушек можно менять интенсивность свечения каждой цветной части пикселя. Использование комбинаций и меняющейся интенсивности свечения этих трех каналов позволяют получить миллионы цветов свечения каждого отдельно взятого пикселя.

Все эти процессы происходят очень быстро, время обновления пикселя с помощью пучка электронов синхронизировано со временем послесвечения люминофорного покрытия и называется - частотой регенерации, частотой вертикальной развертки (вертикального перемещения луча по экрану).

В рассмотренном выше мониторе от IBM частота обновления экрана составляет 60Гц. Это значит что за 1-ну секунду луч в ЭЛТ должен 60 раз обойти все пиксели экрана, засветив нужные и тем самым построить кадр с изображением 60 раз.

На мониторе с частотой обновления 60Гц можно заметить мерцание, при просмотре изображения на нем глаза могут достаточно быстро уставать. В более новых устройствах поддерживаемая частота обновления может достигать 75Гц, 85Гц, 100Гц и даже больше.

Таким образом на экран выводятся составленные из пикселей текст и рисунки. Управляет всем этим в мониторе составленная из модулей электронная схема, которая получает сигналы с видеокарты (видео-адаптера) через кабель VGA. В одной из предыдущих частей я немного рассказал из чего состоит VGA видеокарта и как она работает.

Частота обновления, на которой может работать монитор, должна соответствовать частоте обновления, которую способна задать видеокарта в необходимом нам режиме.

Превышение допустимой для монитора частоты обновления могло привести к отсутствию изображения или даже к повреждению электроники дисплея.

Люминофор в каждом устройстве с ЭЛТ имеет ограниченный ресурс и при длительном на него воздействии пучка с электронами может перегреваться (выгорать).

Это может стать причиной ухудшения картинки. Поэтому желательно чтобы изображение на мониторе периодически менялось (не было статическим многими часами, тем более днями) и пикселям с люминофором было "время для отдыха".

Долговременный вывод статического изображения на мониторе с ЭЛТ может стать причиной того, что пиксели выгорят и будут оставлять после себя характерный трафарет от изображения, которое их ранее "повыжигало". Например на пустом (черном) экране с курсором станут слегка видны очертания панелей файлового менеджера, выводимое в этих областях изображение станет менее отчетливым.

В известных программах Norton Commander (NC) и Dos Navigator под MS-DOS, в ОС UNIX (например в FreeBSD) и Linux, а также в Windows присутствует такая функция как "хранитель экрана".

Хранитель экрана (screen saver, скринсейвер) - это специальная программа, которая выводит на экран какое-то постоянно меняющееся изображение, чтобы попеременно были задействованы все области дисплея и не было ситуации когда продолжительное время на нем выводится одно и то же изображение (например две панели того же NC).

Кроме веселого и интересного интерактива такие программы несут значительную пользу для мониторов с ЭЛТ, которые не выключаются и работают на протяжении длинного отрезка времени.

Компьютер с запущенным хранителем экрана во многих офисах 90-х годов превращался в своего рода украшение, что могло вызвать не только интерес но и улыбку у ранее не имевших с компьютером дела посетителей.

Например знаменитый хранитель экрана Aquarium (рыбки) в Norton Commander был достаточно красочным, а его умеренный интерактив (плаванье рыбок) способствовал атмосфере расслабления и спокойствия.

Рис. 27. Хранитель экрана Aquarium из программы Norton Commander под MS-DOS.

С мониторов на основе ЭЛТ началась новая эра в плане удобства и эффективности работы с компьютером. Позже на смену им пришли более легкие, энергоэффективные и обладающие более широкими возможностями мониторы, построенные по технологиям с жидкокристаллическими матрицами (LCD).

Мониторы на основе жидких кристаллов (LCD)

LCD (Liquid Crystal Display) - плоскопанельные дисплеи на основе матриц с жидкими кристаллами (ЖК, жидкокристаллические), имеющие достаточно компактный размер, обладают низким уровнем излучения магнитных полей, потребляют сравнительно мало мощности (10-40Вт против 100Вт у мониторов с ЭЛТ).

Первый ЖК-экран был представлен еще в далеком в 1968-м году американской компанией RCA (Radio Corporation of America), которая работала во многих отраслях (кинематограф и звукозапись, связь, радиовещание и телевидение, бытовая техника) и занималась изучением электро-оптических явлений в жидких кристаллах с последующим их применением в устройствах отображения информации.

Ниже показаны три монитора на основе ЖК-матриц:

1. Dell E156FP с диагональю экрана 15", 1024x768 пикселей - 2005-й год;
2. SAMSUNG SyncMaster 710N с диагональю экрана 17", 1280x1024 пикселей - 2004-й год;
3. NEC 1970NXp с диагональю экрана 19", 1280x1024 пикселей - 2005-й год;

 

Рис. 28. LCD мониторы Dell E156FP 15", SAMSUNG SyncMaster 710N 17", NEC 1970NXp 19".

Как можно видеть из фото, это уже достаточно компактные устройства, обладающие устойчивой подставкой с возможностью регулировки наклона.

Такие мониторы состоят из ЖК-матрицы, которая подсвечивается люминесцентными лампами или светодиодами. Все это питается от импульсного сетевого блока питания (встроен внутри или выполнен в виде внешнего адаптера) и управляется специальным контроллером.

Жидкий кристалл - органическое вещество, молекулы которого имеют кристаллическую структуру и при этом находятся в промежуточном между жидким и твердым состояниями, связи между такими молекулами достаточно слабые.

Обеспечивая кристаллу определенный уровень электрического поля можно изменить внутреннюю ориентацию его молекул, что в свою очередь повлияет на прохождение пропущенных через него лучей света.

Благодаря этому можно регулировать уровень прохождение света и уровень его волнового преломления. В результате имеем управляемый электрическим полем оптический прибор.

Управляемые оптические элементы располагаются рядом и собираются в матрицу - получается управляемая ЖК-панель.

ЖК-матрицы бывают двух типов:

• Пассивная - управление яркостью ячеек выполняется через подачу пульсирующего напряжения с встроенных в матрицу транзисторов, отвечающих за номер строки и столбца с ячейками. Матрица с разрешением 640x480 содержит 640+480=1120 транзисторов;
• Активная - за каждой ячейкой закреплен свой транзистор, на который подается постоянное напряжение. Дисплей с разрешением 1280x1024 пикселей содержит 1 310 720 транзисторов! Яркость изображения у таких матриц выше чем у пассивных, но цена этому - сравнительно большее потребление тока.

В цветных матрицах каждый пиксель состоит из трех сегментов (субпикселей), отвечающих за три цвета (RGB). Для управления этими ячейками одного пикселя нужно уже 3 транзистора.

Подключение ячеек в матрице организовано в виде управляемой сетки с выбором строки и столбца, это явно упрощает задачу управления. Только представьте себе сколько понадобилось бы контактов для контроля каждой ячейки по отдельности, а что уже говорить про громоздкость схемы адресации и подачи питания.

Тем не менее, для управления такой матрицей нужно контролировать подаваемые на "строки" и "столбики" сигналы, и тут нужно больше тысячи линий управления!

Чтобы показать как решается такая задача я приведу пару фото ЖК-матрицы, извлеченной из монитора фирмы NEC (Sony) в процессе его ремонта (пришлось менять люминесцентную подсветку на светодиодную).

Рис. 29. LCD-матрица с ее контроллером, извлеченные из монитора фирмы NEC.

Здесь мы видим не просто ЖК-матрицу (прямоугольник из стекла), но и также ее контроллер. От стеклянной матрицы исходят шлейфы с огромным количеством дорожек, которые подключены к загадочным элементам вытянутой прямоугольной формы - это специальные интегральные микросхемы (залитые смолой кремниевые кристаллы), отвечающие каждая за свою часть экрана.

Такая микросхема является функциональным модулем, который называется дешифратором и содержит в себе:

1. Сдвиговый регистр;
2. ЦАП (Цифро-Аналоговый Преобразователь), который преобразовывает получаемый цифровой сигнал (где может быть 0 или 1) в аналоговый (с изменяемым уровнем напряжения);
3. Усилители сигнала для подачи напряжения на ячейки с транзисторами и кристаллами.

Рис. 30. Контроллер LCD-матрицы от монитора фирмы NEC.

Эти микросхемы позволяют многократно уменьшить количество необходимых входных сигналов управления.

На дополнительной плате из стеклотекстолита собрана остальная часть контроллера - система управления и питания для матрицы. Как можно видеть, эта плата уже подключается к остальным модулям монитора с помощью разъема и шлейфа, где всего лишь несколько десятков контактов.

ЖК-матрица - это достаточно сложное, с технологической точки зрения, интегральное устройство.

Формирование растра (заполнение кадра) происходит следующим образом: для каждого столбца из ячеек с помощью драйвера  формируются напряжения, потом поступает импульс выбора строки и происходит запись установленных в столбцах значений в первый ряд ячеек (пикселей), дальше драйвер столбцов снова формирует напряжения и выполняется запись значений в ячейки следующей строки и так далее, пока не заполнится весь экран.

Примерно вот так, если вкратце, работают мониторы на основе ЭЛТ и LCD-матриц.

12-дюймовый XGA дисплей NCR

Для экспериментов с компьютером на процессоре 80486 я буду использовать компактный и экономичный LCD-монитор из состава торгового терминала (POS - Piont Of Sale, точка продажи) с диагональю 12 дюймов от фирмы NCR (www.ncr.com).

Рис. 31. NCR RealPOS 5943 12" LCD LED Touchscreen Monitor.

Мне этот мониторчик понравился своей компактностью и возможностью питания от напряжения +12В без каких-либо переделок источника питания внутри.

Основное разрешение - 1024x768 пикселей (XGA, eXtended Graphics Array) при 262 144 цветах. В этом дисплее есть аналоговый (VGA) и цифровой (DVI) входы. При размерах 292 х 248 х 58 (мм) устройство весит 2.1 кг.

В нем также встроен емкостный тач-скрин (подключение через USB), но для целей ретро-компьютинга он мне не понадобится.

Из минусов можно отметить отсутствие каких-либо внешних элементов управления. Чтобы изменить уровни яркости, контрастности, цветности и другие настройки придется использовать специальное программное обеспечение (ПО) от производителя (NCR Software OSD), которое взаимодействует с дисплеем через драйвер операционной системы и передает нужные команды через подключение по видео-порту (например VGA). Запустить это ПО можно лишь под Windows или Linux.

Этот дисплей очень экономичен, он имеет светодиодную (LED) подсветку матрицы и способен питаться от источника напряжением +12В через специальный порт - "12V Powered USB".

Powered USB (USB PlusPower, USB +Power) - стандарт, позволяющий передавать по одному кабелю сигналы для USB с дополнительным питанием (напряжения +5В, +12В, +24В и другие) от внешнего источника. Был основан в сотрудничестве компаний IBM и FCI/Berg. Чаще всего используется в POS-терминалах.

Разъем такого стандарта является композитным и физически состоит из двух частей: порта USB и линий дополнительного питания. Ниже привожу схему с расположением выводов на разъемах "12V Powered USB":

Рис. 32. Распиновка разъема Powered USB для монитора NCR RealPOS 5943.

На панели подключений монитора NCR RealPOS 5943 расположены следующие разъемы: Audio, USB, 12V Powered USB, DVI, VGA.

Рис. 33. Разъемы на 12-дюймовом мониторе NCR RealPOS 5943.

Если смотреть на разъем 12V Powered USB монитора, то линия из 4-х пинов, которая ближе к выемке - это и есть питание +12В. Два пину внутри - плюс, а остальные по бокам - минус питания.

Для запитки этого монитора от компьютерного блока питания я изготовил простой переходничок:

Рис. 34. Переходник для подачи питания +12В на монитор NCR RealPOS 5943 12 inch от ATX блока питания.

На разъеме MOLEX блока питания берем +12В с линии питания, которая выполнена проводником желтого цвета (плюс), а также один из черных проводничков - это GND (минус).

Чтобы в разъеме Powered USB не перепутать 4 пина питания с пинами USB, я на всякий случай наклеил сзади монитора ценник и обозначил где именно питание (возможно вы это заметили на первом фото этого дисплея).

В завершение

Практически все уже готово для сборки комплекта ретро-ПК на процессоре 4-го поколения 486-й серии.

В следующей статье будут рассмотрены подготовка и соединение комплектующих, дам рекомендации по очистке и восстановлению некоторых компонентов.

Покажу как это все выглядит в собранном виде, сделаем первый запуск системы. Ну и на закуску расскажу как самостоятельно спаять классический "линкер" (Linker) - кабель для соединения двух ПК через COM и LPT порты.

Продолжение - Ретро ПК на 80486 - профилактика и восстановление, сборка системы, нуль-модемы на COM и LPT.