Интерфейс, по определению – это правила взаимодействия операционной системы с пользователями, а также соседних уровней в сети ЭВМ. От интерфейса зависит технология общения человека с компьютером.
Классификация интерфейсов
Как уже указывалось выше, интерфейс – это, прежде всего, набор правил. Как любые правила, их можно обобщить, собрать в «кодекс», сгруппировать по общему признаку. Таким образом, мы пришли к понятию «вид интерфейса» как объединение по схожести способов взаимодействия человека и компьютеров. Вкратце можно предложить следующую схематическую классификацию различных интерфейсов общения человека и компьютера.
Современными видами интерфейсов являются:
1) Командный интерфейс. Командный интерфейс называется так по тому, что в этом виде интерфейса человек подает «команды» компьютеру, а компьютер их выполняет и выдает результат человеку. Командный интерфейс реализован в виде пакетной технологии и технологии командной строки.
2) WIMP – интерфейс (Window – окно, Image – образ, Menu – меню, Pointer – указатель). Характерной особенностью этого вида интерфейса является то, что диалог с пользователем ведется не с помощью команд, а с помощью графических образов – меню, окон, других элементов. Хотя и в этом интерфейсе подаются команды машине, но это делается «опосредственно», через графические образы. Этот вид интерфейса реализован на двух уровнях технологий: простой графический интерфейс и «чистый» WIMP – интерфейс.
3) SILK – интерфейс (Speech – речь, Image – образ, Language – язык, Knowlege – знание). Этот вид интерфейса наиболее приближен к обычной, человеческой форме общения. В рамках этого интерфейса идет обычный «разговор» человека и компьютера. При этом компьютер находит для себя команды, анализируя человеческую речь и находя в ней ключевые фразы. Результат выполнения команд он также преобразует в понятную человеку форму. Этот вид интерфейса наиболее требователен к аппаратным ресурсам компьютера, и поэтому его применяют в основном для военных целей.
1. Общественный интерфейс – основан на семантических сетях.
В следующих главах Вы подробнее познакомитесь с этими видами интерфейсов.
Пакетная технология
Исторически этот вид технологии появился первым. Она существовала уже на релейных машинах Зюса и Цюзе (Германия, 1937 год). Идея ее проста: на вход компьютера подается последовательность символов, в которых по определенным правилам указывается последовательность запущенных на выполнение программ. После выполнения очередной программы запускается следующая и т.д. Машина по определенным правилам находит для себя команды и данные. В качестве этой последовательности может выступать, например, перфолента, стопка перфокарт, последовательность нажатия клавиш электрической пишущей машинки (типа CONSUL). Машина также выдает свои сообщения на перфоратор, алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ), ленту пишущей машинки.
Такая машина представляет собой «черный ящик» (точнее «белый шкаф»), в который постоянно подается информация и которая также постоянно «информирует» мир о своем состоянии (см. рисунок A.2.) Человек здесь имеет малое влияние на работу машины – он может лишь приостановить работу машины, сменить программу и вновь запустить ЭВМ. Впоследствии, когда машины стали помощнее и могли обслуживать сразу нескольких пользователей, вечное ожидание пользователей типа: «Я послал данные машине. Жду, что она ответит. И ответит ли вообще?» – стало, мягко говоря, надоедать. К тому же вычислительные центры, вслед за газетами, стали вторым крупным «производителем» макулатуры. Поэтому с появлением алфавитно-цифровых дисплеев началась эра по-настоящему пользовательской технологии – командной строки.
Рис. Вид большой ЭВМ серии ЕС ЭВМ.
Технология командной строки
При этой технологии в качестве единственного способа ввода информации от человека к компьютеру служит клавиатура, а компьютер выводит информацию человеку с помощью алфавитно-цифрового дисплея (монитора). Эту комбинацию (монитор + клавиатура) стали называть терминалом, или консолью.
Команды набираются в командной строке. Командная строка представляет собой символ приглашения и мигающий прямоугольник – курсор (см. рисунок A.3.) При нажатии клавиши на месте курсора появляются символы, а сам курсор смещается вправо. Это очень похоже на набор команды на пишущей машинке. Однако, в отличие от нее, буквы отображаются на дисплее, а не на бумаге, и неправильно набранный символ можно стереть. Команда заканчивается нажатием клавиши Enter (или Return.) После этого осуществляется переход в начало следующей строки. Именно с этой позиции компьютер выдает на монитор результаты своей работы. Затем процесс повторяется.
а)
б)
Рис. A.3. Приглашения командной строки в различных операционных системах:
а) MS-DOS, б) IRIX.
Технология командной строки уже работала на монохромных алфавитно-цифровых дисплеях. Поскольку вводить позволялось только буквы, цифры и знаки препинания, то технические характеристики дисплея были не существенны. В качестве монитора можно было использовать телевизионный приемник и даже трубку осциллографа.
Обе эти технологии реализуются в виде командного интерфейса – машине подаются на вход команды, а она как бы «отвечает» на них.
Преобладающим видом файлов при работе с командным интерфейсом стали текстовые файлы – их и только их можно было создать при помощи клавиатуры. На время наиболее широкого использования интерфейса командной строки приходится появление операционной системы UNIX и появление первых восьмиразрядных персональных компьютеров с многоплатформенной операционной системой CP/M.
Графический интерфейс
Как и когда появился графический интерфейс?
Его идея зародилась в середине 70-х годов, когда в исследовательском центре Xerox Palo Alto Research Center (PARC) была разработана концепция визуального интерфейса. Предпосылкой графического интерфейса явилось уменьшение времени реакции компьютера на команду, увеличение объема оперативной памяти, а также развитие технической базы компьютеров. Аппаратным основанием концепции, конечно же, явилось появление алфавитно-цифровых дисплеев на компьютерах, причем на этих дисплеях уже имелись такие эффекты, как «мерцание» символов, инверсия цвета (смена начертания белых символов на черном фоне обратным, то есть черных символов на белом фоне), подчеркивание символов. Эти эффекты распространились не на весь экран, а только на один или более символов. Следующим шагом явилось создание цветного дисплея, позволяющего выводить, вместе с этими эффектами, символы в 16 цветах на фоне с палитрой (то есть цветовым набором) из 8 цветов. После появления графических дисплеев, с возможностью вывода любых графических изображений в виде множества точек на экране различного цвета, фантазии в использовании экрана вообще не стало границ! Первая система с графическим интерфейсом 8010 Star Information System группы PARC, таким образом, появилась за четыре месяца до выхода в свет первого компьютера фирмы IBM в 1981 году. Первоначально визуальный интерфейс использовался только в программах. Постепенно он стал переходить и на операционные системы, используемых сначала на компьютерах Atari и Apple Macintosh, а затем и на IBM – совместимых компьютерах.
С более раннего времени, и под влиянием также и этих концепций, проходил процесс по унификации в использовании клавиатуры и мыши прикладными программами. Слияние этих двух тенденций и привело к созданию того пользовательского интерфейса, с помощью которого, при минимальных затратах времени и средств на переучивание персонала, можно работать с любыми программным продуктом. Описание этого интерфейса, общего для всех приложений и операционных систем, и посвящена данная часть.
Графический интерфейс пользователя за время своего развития прошел две стадии. Об эволюции графического интерфейса с 1974 по настоящее время будет рассказано ниже.
Простой графический интерфейс
На первом этапе графический интерфейс очень походил на технологию командной строки. Отличия от технологии командной строки заключались в следующим.
a) При отображении символов допускалось выделение части символов цветом, инверсным изображением, подчеркиванием и мерцанием. Благодаря этому повысилась выразительность изображения.
b) В зависимости от конкретной реализации графического интерфейса курсор может представляться не только мерцающим прямоугольником, но и некоторой областью, охватывающей несколько символов и даже часть экрана. Эта выделенная область отличается от других, невыделенных частей (обычно цветом).
c) Нажатие клавиши Enter не всегда приводит к выполнению команды и переходу к следующей строке. Реакция на нажатие любой клавиши во многом зависит от того, в какой части экрана находился курсор.
d) Кроме клавиши Enter, на клавиатуре все чаще стали использоваться «серые» клавиши управления курсором (см. раздел, посвященный клавиатуре в выпуске 3 данной серии.)
e) Уже в этой редакции графического интерфейса стали использоваться манипуляторы (типа мыши, трекбола и т.п. – см. рисунок A.4.) Они позволяли быстро выделять нужную часть экрана и перемещать курсор.
Рис. Манипуляторы
Подводя итоги, можно привести следующие отличительные особенности этого интерфейса.
1) Выделение областей экрана.
2) Переопределение клавиш клавиатуры в зависимости от контекста.
3) Использование манипуляторов и серых клавиш клавиатуры для управления курсором.
4) Широкое использование цветных мониторов.
Появление этого типа интерфейса совпадает с широким распространением операционной системы MS-DOS. Именно она внедрила этот интерфейс в массы, благодаря чему 80-е годы прошли под знаком совершенствования этого типа интерфейса, улучшения характеристик отображения символов и других параметров монитора.
Типичным примером использования этого вида интерфейса является файловая оболочка Nortron Commander (о файловых оболочках смотри ниже) и текстовый редактор Multi-Edit. А текстовые редакторы Лексикон, ChiWriter и текстовый процессор Microsoft Word for Dos являются примером, как этот интерфейс превзошел сам себя.
WIMP – интерфейс
Вторым этапом в развитии графического интерфейса стал «чистый» интерфейс WIMP, Этот подвид интерфейса характеризуется следующими особенностями.
1. Вся работа с программами, файлами и документами происходит в окнах – определенных очерченных рамкой частях экрана.
2. Все программы, файлы, документы, устройства и другие объекты представляются в виде значков – иконок. При открытии иконки превращаются в окна.
3. Все действия с объектами осуществляются с помощью меню. Хотя меню появилось на первом этапе становления графического интерфейса, оно не имело в нем главенствующего значения, а служило лишь дополнением к командной строке. В чистом WIMP – интерфейсе меню становится основным элементом управления.
4. Широкое использование манипуляторов для указания на объекты. Манипулятор перестает быть просто игрушкой – дополнением к клавиатуре, а становится основным элементом управления. С помощью манипулятора УКАЗЫВАЮТ на любую область экрана, окна или иконки, ВЫДЕЛЯЮТ ее, а уже потом через меню или с использованием других технологий осуществляют управление ими.
Следует отметить, что WIMP требует для своей реализации цветной растровый дисплей с высоким разрешением и манипулятор. Также программы, ориентированные на этот вид интерфейса, предъявляют повышенные требования к производительности компьютера, объему его памяти, пропускной способности шины и т.п. Однако этот вид интерфейса наиболее прост в усвоении и интуитивно понятен. Поэтому сейчас WIMP – интерфейс стал стандартом де-факто.
Ярким примером программ с графическим интерфейсом является операционная система Microsoft Windows.
Речевая технология
С середины 90-х годов, после появления недорогих звуковых карт и широкого распространения технологий распознавания речи, появился так называемый «речевая технология» SILK – интерфейса. При этой технологии команды подаются голосом путем произнесения специальных зарезервированных слов – команд. Основными такими командами (по правилам системы «Горыныч») являются:
– «Проснись» – включение голосового интерфейса.
– «Отдыхай» – выключение речевого интерфейса.
– «Открыть» – переход в режим вызова той или иной программы. Имя программы называется в следующем слове.
– «Буду диктовать» – переход из режима команд в режим набора текста голосом.
– «Режим команд» – возврат в режим подачи команд голосом.
– и некоторые другие.
Слова должны выговариваться четко, в одном темпе. Между словами обязательна пауза. Из-за неразвитости алгоритма распознавания речи такие системы требует индивидуальной предварительной настройки на каждого конкретного пользователя.
«Речевая» технология является простейшей реализацией SILK – интерфейса.
Биометрическая технология («Мимический интерфейс»)
Эта технология возникла в конце 90-х годов XX века и на момент написания книги еще разрабатывается. Для управления компьютером используется выражение лица человека, направление его взгляда, размер зрачка и другие признаки. Для идентификации пользователя используется рисунок радужной оболочки его глаз, отпечатки пальцев и другая уникальная информация. Изображения считываются с цифровой видеокамеры, а затем с помощью специальных программ распознавания образов из этого изображения выделяются команды. Эта технология, по-видимому, займет свое место в программных продуктах и приложениях, где важно точно идентифицировать пользователя компьютера.
Семантический (Общественный) интерфейс
Этот вид интерфейса возник в конце 70-х годов XX века, с развитием искусственного интеллекта. Его трудно назвать самостоятельным видом интерфейса – он включает в себя и интерфейс командной строки, и графический, и речевой, и мимический интерфейс. Основная его отличительная черта – это отсутствие команд при общении с компьютером. Запрос формируется на естественном языке, в виде связанного текста и образов. По своей сути это трудно называть интерфейсом – это уже моделирование «общения» человека с компьютером.
С середины 90-х годов XX века автор уже не встречал публикаций, относящихся к семантическому интерфейсу. Похоже, что в связи с важным военным значением этих разработок (например, для автономного ведения современного боя машинами – роботами, для «семантической» криптографии) эти направления были засекречены. Информация, что эти исследования продолжаются, иногда появляется в периодической печати (обычно в разделах компьютерных новостей).
В архитектуре современных компьютеров все большее значение приобретают внешние шины, служащие для подключения различных устройств. Сегодня это могут быть, например, внешние жесткие диски, CD-, DVD-устройства, сканеры, принтеры, цифровые камеры и прочее. В этой статье – краткое описание современных внешних интерфейсов: USB, FireWire, IrDA, Bluetooth.
USB
В архитектуре современных компьютеров все большее значение приобретают внешние шины, служащие для подключения различных устройств. Сегодня это могут быть, например, внешние жесткие диски, CD-, DVD-устройства, сканеры, принтеры, цифровые камеры и прочее. В этой статье – краткое описание современных внешних интерфейсов: USB, FireWire, IrDA, Bluetooth.
Чем хорош интерфейс USB? Теоретически по шине USB можно подключать до 127 устройств! Правда, на практике подсоединяют не более 10 – ограничением служит максимальная пропускная способность канала. Обмен данными с быстродействующими устройствами осуществляется на скорости 12 Мбит/с, а с медленными – на 1.5 Мбит/с. Максимально допустимая длина кабеля составляет 5 м, однако ее можно увеличить, установив дополнительные концентраторы. Имеющаяся в составе шины USB линия питания с допустимым током нагрузки до 500 мА во многих случаях позволяет периферии обходиться без дополнительных источников. Все устройства подключаются в горячем режиме и автоматически конфигурируются благодаря поддержке режима Plug and Play.
Не так давно появилась новая версия стандарта – USB 2.0. Из преимуществ нового стандарта необходимо отметить следующие: во-первых, USB 2.0 унаследовал все достоинства USB 1.1, во-вторых, максимальная скорость обмена увеличилась в 40 раз и составила 60 Мбайт/с, наконец, сохранилась обратная совместимость с устройствами, отвечающими требованиям стандарта USB 1.1. В каких же областях может быть востребован USB 2.0? В первую очередь в качестве интерфейса внешних накопителей данных. Речь идет о приводах DVD, CD-RW и различных мобильных компактных носителях. Появление новых мультимедийных цифровых устройств также диктует необходимость использования высокоскоростного интерфейса. К подобным аппаратам относятся цифровые, видео- и фотокамеры.
FIREWIRE
Единственным реальным соперником USB 2.0 в борьбе за сердца и кошельки пользователей является интерфейс FireWire, называемый также IEEE1394. В настоящее время этот стандарт все еще дороже своего конкурента и менее распространен.
Изобретателем нового высокоскоростного последовательного интерфейса, который сначала разрабатывался как скоростной вариант SCSI, является фирма Apple. После решения Apple открыть стандарт и сотрудничества с заинтересованными фирмами в 1990 году вышло техническое описание этой шины в виде стандарта IEEE1394 (Institute of Electrical and Electronic Engineers 1394 – стандарт института инженеров по электротехнике и электронике 1394).
Скорость передачи данных шины IEEE 1394 – 100, 200, 400 Мбит/c, расстояние – до 4.5 м, количество устройств – до 63. Как и USB, шина IEEE 1394 обеспечивает возможность переконфигурации аппаратных средств компьютера без его выключения. В соответствии с принятым стандартом IEEE1394 существует два варианта разъемов и кабелей.
Первый вариант с 6-контактным разъемом IEEE1394 предусматривает не только передачу данных, но и подачу электропитания на подключенные к соответствующему контроллеру ПК устройства IEEE1394. При этом общий ток ограничен величиной 1.5 А.
Второй вариант с 4-контактным разъемом IEEE1394 рассчитан только на передачу данных. В этом случае подключаемые устройства должны иметь автономные источники питания.
Шина IEEE 1394, используемая для подключения различного видео и аудио оборудования (телевизоры, видеомагнитофоны, видеокамеры и т.д.), осуществляющего передачу данных в цифровом коде, широко известна под названием i.LINK (это торговая марка Sony).
IrDA
IrDA относится к категории wireless (беспроводных) внешних интерфейсов, однако в отличие от радио-интерфейсов, канал передачи информации создается с помощью оптических устройств. Опыт показывает, что среди других беспроводных линий передачи информации инфракрасный (ИК) открытый оптический канал является самым недорогим и удобным способом передачи данных на небольшие расстояния (до нескольких десятков метров).
Технически сам порт IrDA основан на архитектуре коммуникационного СОМ-порта ПК, который использует универсальный асинхронный приемо-передатчик UART и работает со скоростью передачи данных 2400–115200 bps. Связь в IrDA полудуплексная, т. к. передаваемый ИК-луч неизбежно засвечивает соседний PIN-диодный усилитель приемника. Воздушный промежуток между устройствами позволяет принять ИК-энергию только от одного источника в данный момент.
Первым стандартом, принятым IrDA (Infrared Data Association), был, так называемый, Serial Infrared standart (SIR). Данный стандарт позволял обеспечивать передачу информации со скоростью 115.2 kb/s. В 1994 году IrDA опубликовала спецификацию на общий стандарт, получивший название IrDA-standart, который включал в себя описание Serial Infrared Link (последовательная инфракрасная линия связи), Link Access Protocol (IrLAP) (протокол доступа) и Link Management Protocol (IrLMP) (протокол управления). И, наконец, в ноябре 1995 года Microsoft Corporation заявила о внесении программного обеспечения, обеспечивающего инфракрасную связь, использующую IrDA-standart, в стандартный пакет операционной системы Windows'95. В настоящее время IrDA-standart – самый распространенный стандарт для организации передачи информации по открытому инфракрасному каналу.
BLUETOOTH
Активно продвигаемая консорциумом Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), технология Bluetooth предназначена для построения так называемых персональных беспроводных сетей (personal area network). Оборудование Bluetooth работает в диапазоне частот 2.4 ГГц, для передачи трафика используется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты.
Суммарная пропускная способность сетей Bluetooth – 780 кбит/с. При использовании асинхронного протокола максимальная скорость однонаправленной передачи данных составляет 722 кбит/с. В первоначальном варианте спецификаций (v1.0) предусматривалось, что длина соединений в сетях Bluetooth не будет превышать 10 м, однако в 2001 году нескольким производителям удалось увеличить дальность связи до 100 метров (при работе вне помещений). Это обстоятельство, а также возможность объединения нескольких пикосетей Bluetotth в разнесенную сеть дали основание некоторым экспертам рассматривать технологию Bluetooth в качестве одного из конкурентов 802.11.
К существенным недостаткам этой технологии следует отнести излишнюю гибкость спецификаций Bluetooth, вследствие которой продукты разных производителей оказываются несовместимы друг с другом. Эта проблема частично решена в версии Bluetooth v1.1, появившейся в 2001 году.
Согласно спецификации Bluetooth, два совместимых устройства должны взаимодействовать друг с другом на расстоянии до 10 метров. Например, можно свободно перемещаться, оставив телефон на столе и разговаривая по гарнитуре. Это действительно удобно и просто.
Заключение
Популярность новых внешних интерфейсов постепенно растет. При этом если шина USB ориентирована, в основном, на устройства ввода, телекоммуникационное оборудование, принтеры, аудио / видео устройства, то IEEE 1394 – на высокоскоростные устройства, такие как устройства хранения данных и цифровую видеоэлектронику.
Однако несмотря на такое позиционирование этих интерфейсов, они все же являются непосредственными конкурентами. Не секрет, что OEM-производители (как рынка компьютеров, так и бытовой электроники) предпочтут работать с одним стандартом, чем с двумя, и окончательный выбор, похоже, будет сделан в ближайшие два-три года. Пока что, технически преимущества на стороне 1394 и его последующей модификации – 1394b, у которого гарантированное соединение и передача данных между устройствами на расстоянии до 100 метров со скоростью от 800 Мбит/с до 3.2 Гбит/с. Найдутся ли весомые аргументы у USB против такого серьезного противника – покажет время.
Что касается IrDA, то он эффективен для обеспечения беспроводной связи между персональным компьютером и периферийными устройствами на небольшом расстоянии, и сегодня практически уже нет мало-мальски уважающей компании, которая бы не производила компоненты для ИК портов.
Ну, а время Bluetooth все еще не пришло, хотя многие пророчат ему светлое будущее. Дело теперь за совместимостью устройств от разных производителей и доступной ценой самого Bluetooth.