深入剖析电脑硬件技术

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  上期我们介绍了硬件中光存储设备光盘的相关知识,本期我们将对计算机中输入设备鼠标进行介绍。鼠标是我们使用计算机时最重要的输入设备,通过鼠标操作,我们才能更好的控制、使用计算机。一个好的鼠标,会让我们更舒适的操控我们的计算机。下面我们就对其几个重要的硬件特性进行简单介绍,让读者进一步认识鼠标。
  
  ◎滚轮式鼠标
  滚轮式是最常见的鼠标,其在外观方面的最大特点是在底部的凹槽中有一个起定位作用从而使光标移动的滚轮。滚轮式鼠标按照工作原理又可分为第一代的纯机械式和第二代的光电机械式(简称光机式)。
  (1)纯机械式
  纯机械式鼠标,现在已经不在使用。其工作原理是在它的底部有一个滚球,当推动鼠标时,滚球就会不断触动旁边的小滚轮,产生不同强度的脉波,通过这种连锁效应,计算机通过运算得出鼠标轨迹的位置。
  (2)光机式
  这就是平常所说的机械式鼠标,它是一种光电和机械相结合的鼠标。其原理是紧贴着滚动橡胶球有两个互相垂直的传动轴,轴上有一个光栅轮,光栅轮的两边对应着有发光二极管和光敏三极管。当鼠标移动时,橡胶球带动两个传动轴旋转,而这时光栅轮也在旋转,光敏三极管在接收发光二极管发出的光时被光栅轮间断地阻挡,从而产生脉冲信号,通过鼠标内部的芯片处理之后被CPU接收,信号的数量和频率对应着屏幕上的距离和速度。
  ◎光电式鼠标
  光电鼠标产品按照其年代和使用的技术可以分为两代产品,其共同的特点是没有机械鼠标必须使用的鼠标滚球。
  第一代光电鼠标由光断续器来判断信号,最显著特点就是需要使用一块特殊的反光板作为鼠标移动时的垫子。这块垫子的主要特点是其中那微细的一黑一白相间的点。原因是在光电鼠标的底部,有一个发光的二极管和两个相互垂直的光敏管,当发光的二极管照射到白点与黑点时,会产生折射和不折射两种状态,而光敏管都这两种状态进行处理后便会产生相应的信号。从而使电脑作出反应,一旦离开那块垫子,那光电鼠标就不能使用了。
  目前市场上的光电鼠标产品都是第二代光电鼠标。第二代光电鼠标的原理其实很简单:其使用的是光眼技术,这是一种数字光电技术,较之以往机械鼠标完全是一种全新的技术突破。光电感应装置每秒发射和接收,实现精准、快速的定位和指令传输。另一优势在于光眼技术摒弃了上一代光电鼠标需要专用鼠标板的束缚,可在任何不反光、不透明的物体表面使用,使用它最大的好处就是不象机械式鼠标那样需要常常清洁鼠标球,而且其分辨率和刷新率都比机械式鼠标高得多,高档光电鼠标定位非常精确。一般来说,光电鼠标的起步就是很高的,也就是说,大部分光电鼠标均是人体工程学设计。
  人体工程学又叫人类工学或人类工程学,是第二次世界大战后发展起来的一门新学科。它以人-机关系为研究的对象,以实测、统计、分析为基本的研究方法。具体到产品上来,也就是在产品的设计和制造方面完全按照人体的生理解剖功能量身定做,更加有益于人体的身心健康。而作为鼠标的人体工程学无非是外型的大小和曲线(弧度)以及重量这几方面的设计。鼠标的人体工程学其目的就是最大限度地满足人们使用鼠标时在手感以及舒适度和使用习惯方面的要求,尽量减轻长时间使用时身心的疲劳程度,尽量避免产生肌肉劳损的症状,从而最大限度地保护用户的身心健康而且提高用户的工作效率。例如,中国人的平均身高和手臂长度以及手掌大小都要逊于身高手大的欧美人士,所以适于欧美市场的大个头鼠标产品一般都不适合于中国人使用。目前人体工程学已经是鼠标产品中与性能参数同样重要的指标。
  ◎指纹鼠标
  指纹鼠标是一种特殊功能鼠标,是具有指纹采集、识别功能的鼠标,适用于对安全性要求较高的个人、办公、企事业等各类行业企业。因其价格较高,并不适合普通个人用户。
  随着办公自动化的普及,使我们的日常工作无法离开电脑,每个电脑使用者都会将自己重要的数据和文件设置密码进行加密,以保护属于自己的机密或隐私。但这种传统的密码有明显的缺点,那就是,密码容易被忘记、密码输入时容易被别有用心者窥视和获取、密码容易被破解等等。针对这一不足,计算机安全管理系统有了一个新的加密方式,就是指纹识别加密。
  指纹鼠标上集成了一个指纹采集传感器,每次开启电脑时,使用者将特定的手指(一般是大姆指)放在传感器窗口,计算机自动进行扫描,然后与使用者存储在系统中的指印比较识别,就可方便、安全地连接到主机开始工作,这样不用担心无关人员非法进入。指纹鼠标可以在登陆、恢复屏幕保护的时候使用,也可以用在解压加密文件的时候使用,其在安全性方面的主要指标是本人拒绝率和别人容许率以及指纹图象传输率(该参数决定指纹的采集、识别速度)。目前的主流产品在这本人拒绝率和别人容许率上都达到了很低的出错率,而指纹图象传输率也可达每秒可达十几帧。
  
  定位技术是指鼠标定位的方式,和鼠标的工作方式密切相关,常见的定位方式有光栅定位、轨迹球定位、发光二极管定位、激光定位等。
  光栅定位主要是机械鼠标所使用的方式,不过由于纯粹的机械鼠标现在已经基本消失,机械鼠标实际是指光机式鼠标。鼠标移动时带动胶球滚动,胶球的滚动又磨擦鼠标内的分管水平和垂直两个方向的栅轮滚轴,驱动栅轮转动。栅轮的轮沿为格栅状,紧靠格栅两侧,一侧是一红外发光管,另一侧是红外接收组件。鼠标的移动转换为水平和垂直栅轮不同方向和转速的转动。栅轮转动时,栅轮的轮齿周期性遮挡红外发光管发出的红外线照射到水平和垂直两个红外接收组件,产生脉冲。鼠标内控制芯片通过两个脉冲的相位差判知水平或垂直栅轮的转动方向,通过脉冲的频率判知栅轮的转动速度,并不断通过数据线向主机传送鼠标移动信息,主机通过处理使屏幕上的光标同鼠标同步移动。
  ◎轨迹球定位
  轨迹球定位的工作原理和其实与光栅类似,只是改变了滚轮的运动方式,其球座固定不动,直接用手拨动轨迹球来控制鼠标箭头的移动。轨迹球被搓动时带动其左右及上下两侧的滚轴,滚轴上带有栅轮,通过发光管和接收组件产生脉冲信号进行定位。不过轨迹球的滚轮积大、行程长,这种定位方式能够作出十分精确的操作。并且轨迹球另一大优点是稳定,通过一根手指来操控定位,不会因为手部动作移动影响定位。此外,现在也有使用光电方式的轨迹球,其工作原理和发光二级管定位类似。
  ◎发光二极管定位
  发光二极管定位是大多数光电鼠标的定位方式,这是一种电眼的工作方式。在光电鼠标内部有一个发光二极管,通过该发光二极管发出的光线,照亮光电鼠标底部表面(这就是为什么鼠标底部总会发光的原因)。然后将光电鼠标底部表面反射回的一部分光线,经过一组光学透镜,传输到一个光感应器件(微成像器)内成像。这样,当光电鼠标移动时,其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片(DSP,即数字微处理器)对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理,通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析,来判断鼠标的移动方向和移动距离,从而完成光标的定位。
  ◎激光定位
  激光定位也是光电鼠标的一种定位方式,其特点是使用了激光来代替发光二极管发出的普通光。激光是电子受激发出的光,与普通光相比具有极高的单色性和直线性,目前用于定位的激光主要是不可见光。普通光在不同颜色表面上的反射率并不一致,这就导致光电鼠标在某些颜色表面上由于光线反射率低,使DSP不能识别的“色盲”问题。此外普通光在透明等物质表面无法使用,或者产生跳动。由于激光近乎单一的波长能够更好的识别表面情况,灵敏度大大提高,因此使用激光定位的鼠标可以有效解决这些问题。
  
  接口类型是指鼠标与电脑主机之间相连接的接口方式或类型。目前常见的鼠标接口有串口,PS/2和USB三种类型。
  ◎串口
  串口就是串行接口,即COM接口。这是最古老的鼠标接口,是一种9针或25针的D型接口,将鼠标接到电脑主机串口上就能使用。其优点是适用范围和机型最多,从早期的没有PS/2接口和USB接口的电脑到现在最新的电脑都能使用,缺点是串口通信的数据传输率太低,中高档鼠标不能发挥其高性能优势,而且不支持热插拔。在最新的BTX主板规范中已经取消了串口,随着BTX规范的普及,串口鼠标也必将逐渐被淘汰。
  ◎PS/2接口
  PS/2接口是目前最常见的鼠标接口,最初是IBM公司的专利,俗称“小口”。这是一种鼠标和键盘的专用接口,是一种6针的圆型接口。但鼠标只使用其中的4针传输数据和供电,其余2个为空脚。PS/2接口的传输速率比COM接口稍快一些,而且是ATX主板的标准接口,是目前应用最为广泛的鼠标接口之一,但仍然不能使高档鼠标完全发挥其性能,而且不支持热插拔。
  需要注意的是,在连接PS/2接口鼠标时不能错误地插入键盘PS/2接口(当然,也不能把PS/2键盘插入鼠标PS/2接口)。一般情况下,符合PC99规范的主板,其鼠标的接口为绿色、键盘的接口为紫色,另外也可以从PS/2接口的相对位置来判断:靠近主板PCB的是键盘接口,其上方的是鼠标接口。
  ◎USB接口
  USB是英文Universal Serial Bus的缩写,中文含义是“通用串行总线”。目前常见的USB接口按照版本可分为USB1.1及USB2.0,其最大数据传输率分别是12Mbps和480Mbps,是一种高速的通用接口。这是一种新型的鼠标接口,目前许多新的鼠标产品都采用了USB接口,与前两种接口相比,其优点是非常高的数据传输率,完全能够满足各种鼠标在刷新率和分辨率方面的要求,能够使各种中高档鼠标完全发挥其性能,而且支持热插拔。
  
  鼠标的分辨率,是选择一款鼠标的主要依据之一。一款鼠标性能高低的决定性因素,就在于其鼠标内部的解码装置所能辨认的每英寸长度内的点数,也就是一般人们所说的分辨率,单位是DPI或CPI。其意思是指鼠标移动中,每移动一英寸能准确定位的最大信息数。分辨率是衡量鼠标移动精确度的标准,分为硬件分辨率和软件分辨率,硬件分辨率反映鼠标的实际能力,而软件分辨率是通过软件来模拟出一定的效果。DPI是dots per inch的缩写,意思是每英寸的像素数,这是目前最常见的分辨率单位。CPI是count per inch的缩写,这是由鼠标核心芯片生产厂商安捷伦定义的标准,意思是每英寸的采样率。DPI和CPI都可以用来表示鼠标的分辨率,但是DPI反应的是个静态指标,用在打印机或扫描仪上显得更为合适。由于鼠标移动是个动态的过程,用CPI来表示鼠标的分辨率更为恰当。
  现在大多数鼠标采用了400DPI,少数罗技高端鼠标采用了800DPI。400DPI意味着什么呢?就是说当鼠标每移动一英寸就可反馈400个不同的坐标,换句话说也就是采用400DPI的鼠标可以观察到你手部0.06毫米的微弱移动,就说明DPI越大,光电鼠标就越灵敏。而分辨率在使用过程中往往会在高精度的图像处理中得到良好的体现,哪怕是用户微弱的移动,高分辨率鼠标也可以将其反映在屏幕上。相反过低分辨率的光电鼠标往往会在高屏幕分辨率下出现移动不顺滑的感觉,也会在图像处理软件中出现不能精确定位的问题。
  不同分辨率的鼠标产品其性能是不同的。例如,当我们把鼠标向左移动一英寸时,400DPI的鼠标会向电脑发出400次“左移”信号,而800DPI的鼠标就发送800次。做个假设,我们把鼠标移动1/800英寸,那么800DPI的鼠标会向电脑传送一次移动信号,而400DPI的鼠标却没有反应,我们必须再移动1/800英寸它才会传送移动信号。从这里可以看出,这两种分辨率的性能最大差别就在于800DPI的鼠标在移动的开始阶段会比400DPI的鼠标反应快些。800DPI和400DPI的鼠标只是在显示器分辨率高的情况下性能差异才会表现得明显一点。800DPI的鼠标虽然定位比较精确,但是价格比较昂贵,除非是专业图形用户或游戏专业玩家,400DPI分辨率的光电鼠标已经足够用了。
  需要说明的是,鼠标的这个参数是个颇受争议的参数,人们设定这个参数原本的意思是想反映鼠标的精确程度,但实际上DPI并不能很好的完成这个任务,因此有些厂商并不使用这个参数,或者即使使用也有不同的计算方法,这完全是由光电鼠标的工作方式造成的。光电鼠标的结构可以分为三个部分,分别是成像系统IAS(Image Acquisition System)、信号处理系统DPS(Digital Signal Processor)和接口系统SPI(Serial Peripheral Interface)。首先成像系统IAS相当于一个高速连续拍照的数码相机,不断对鼠标垫进行拍照,然后信号处理系统DPS对拍摄到的每张图片进行分析,通过图片的变化判断鼠标的移动,最后接口系统SPI将鼠标移动的数据传给计算机。其中最为重要的是IAS系统,它是鼠标的核心部分,由光源、透镜和CMOS成像三部分组成。透镜可以起到对图像放大的作用,类似显微镜,显然提高透镜的放大倍数就可以提高鼠标的DPI。然而单纯提高放大倍数反而使图像模糊、变形,令DSP系统难以准确分析移动情况。因此DPI像一把双刃剑,单纯提高DPI并没有意义,并且目前多数鼠标使用的USB和PS/2接口的数据传输力有限,过高的DPI可能会超出接口的传输能力。
  一个鼠标如果精确度不够,可能会出现移动不灵活、在高速移动中失控,甚至指针出现抖动的现象。要解决这个问题,除了要适当提高DPI之外,还要提高光源的亮度、增大CMOS感光面积,提高每秒钟拍照的次数。这几个方面必须相互配合,单独提高其中一个意义不大,甚至适得其反。例如每秒拍照的次数,微软早在第二代光学引擎就将拍摄次数提高到每秒6000次,罗技没有公布这个数据,估计也不会比6000低,但这个数不能代表鼠标精确程度,因此罗技和安捷伦已经不使用这个参数。有厂商将这些方面综合起来,提出了像素处理能力这个参数,表示鼠标每秒能处理的像素数量,目前主流的鼠标像素处理能力达到了300万/秒。应该说像素处理能力是相当科学的参数,但是缺点是不够直观,因此有人又提出了鼠标能适应的最大加速度和速度,从试验出发,让鼠标能适应人手在工作时鼠标移动的最大加速度和速度。然而这些参数都不能完整的反映鼠标的精确程度,各个厂商标称的方式也不尽相同,造成相互之间难以比较的现象。总的来说,光电感应度还是一个传统并且相对广为接受的参数,但是成熟的消费者应该了解这个参数,选购鼠标时不能只看数字,还要多了解鼠标实际使用效果。
  
  无线鼠标其实由来已久。早在1984年,罗技厂商已经在研发第一款无线鼠标。不过那时候的无线鼠标还依靠红外线作为信号的载体,但其由于性能方面的诸多问题而告失败,但是罗技在无线鼠标开发的创新也给后来的研发带来了很多思路的指引。
  从原理上看,无线鼠标主要分为红外线和无线电式。两种鼠标都采用干电池供电。红外方式具有不易受到个人电脑及外设噪音影响的优点,但也存在着如果鼠标的发射器与接收器对不准的话就无法正常工作的缺点,因此目前采用这种方式的产品已经不多,大多数都是采用了更为先进的无线电发射方式。
  无线电式鼠标的学名叫DRF(Digital radio frequency,数字无线电频率),这项技术能够对短距离通讯提供充足的带宽,非常适合鼠标和键盘这样的外围设备使用。它的原理也非常简单,鼠标部分工作与传统鼠标相同,用无线发射器把鼠标在X或Y轴上的移动,按键按下或抬起的信息转换成无线信号并发送出去,无线接收器收到信号后经过解码传递给主机,驱动程序告诉操作系统鼠标的动作,该把鼠标指针移向哪个方向或是执行何种指令。
  采用无线电技术的好处是,只要在限定距离以内,就可以在任何位置使用,几乎不受障碍物的影响。一般传输的距离达10~20米,已经足够用户使用。无线电的最大特点是可以进行360度全方位无线射频遥控,而且耗电量较低,具有触发工作待机休眠。无线设备的接受端已经内置接收器,发射器装在主机的设备口上,均不会影响产品外观。无线电接收器本身所具有的接口是USB或PS2的,可以从计算机的PS/2接口取电,不需要另加电池。它具有双或多波段,如果有多个无线设备,均可以通过这一个接收器进行管理,键盘工作频率一般占用通道1(如:27.185M和27.035M),鼠标工作频率占用通道2(如:27.085M和27.135M),工作时鼠标和键盘或多个鼠标之间干扰性较低,而且不会影响无线电话等其他数字无线设备。
  目前生产无线鼠标的厂商并不太多,大部分集中在微软、罗技、明基等知名厂商中。而其中微软与罗技成为高端市场的霸主,也是消费者心目中顶级产品。
  
  按键数是指鼠标按键的数量。按键是鼠标最基本的功能键,对PC平台而言,至少要有两个按键,鼠标才能正常使用。而某些Apple MAC平台则采用单键鼠标。现在的按键数已经从两键,三键,发展到了四键甚至八键乃至更多键,按键数越多所能实现的附加功能和扩展功能也就越多,能自己定义的按键数量也就越多,对用户而言使用也就越方便。当然,一般来说按键数越多的鼠标自然价格也就越高。目前主流的鼠标是三键或者两键的,三键的鼠标中间有个滚轮,除了可以用于浏览页面时的翻页外,还可以单独定义按键的功能。
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