Учебники 80389

висимости от того, что необходимо записать — «0» или «1».

Считывание производится лазерным лучом меньшей (чем при записи) мощности, который, отражаясь от этой точки, меняет свою полярность.

МО-диски (и соответственно дисководы) выпускаются двух размеров:

•3,5 дюйма, содержит 500 Мбайт данных;

•5,25 дюйма, содержит 2,3 Гбайт данных.

Время доступа к данным составляет около 50 мс. Магнитооптические накопители выпускаются двух типов: перезаписываемые и типа WORM (Write-Once, Read-Many — «однократная запись — многократное чтение»).

Дальнейшее развитие фирма Sony связывает с новой технологией оптической записи UDO (Ultra Density Optical). Технология UDO базируется на новом коротковолновом лазере с длиной волны 405 нм, применение которого позволяет существенно увеличить плотность размещения дорожек записи и плотность записи в дорожке. Процесс записи основан не на магнитооптической технологии, а на технологии изменения фазы. Формат UDO предполагает начальную емкость 5,25 диска в 40 Гб (по 20 Гб на сторону). В дальнейшем емкость диска может быть доведена до 60 и даже до 120 Гб.

FMD ROM-накопители (fluorescent multilayer disk). Относительно недавно компанией C3D было объявлено о создании нового типа носителей информации под общим названием FMD ROM (fluorescent multilayer disk), т. е. флуоресцентный многослойный диск.

Вотличие от обычного CD ROM, в котором отражающий алюминиевый слойнанесеннавыдавленнуюподложкуизполимера, из-зачегоонсобственно

инепрозрачен, диск FMD ROM монолитен и при этом разделен по вертикали на некоторые условные области, названные разработчиками «слоями» (layer). Это не слои в привычном смысле, а скорее параметр форматирования диска, ближайший аналог — это сектора и дорожки для магнитных носителей. Толщина этих слоев строго фиксирована. Чтобы понять, почему разработчики выбрали именно эту толщину каждого из слоев, надо рассмотреть принципы записи/считыванияинформациинаFMD ROM.

Воптических носителях (CD, DVD, магнитооптика) во время чтения луч полупроводникового лазера отражается от слоя с записанной информацией. Отраженный луч затем фиксируется детектором — (приемником).

Максимальная удельная емкость диска определяется размером светового пятна от лазера, которое в свою очередь зависит от длины волны (у красных лазеров — 650 нм). Можно использовать два слоя, причем сделать один из слоев прозрачным для излучения с определенной длиной волны, как это реализовано в DVD. Но два слоя — это предел, больше сделать очень сложно, так как нужны очень точные фокусирующие системы, которые будут работать только в лабораторных условиях. Массовое производство таких систем окажется дорогим и нерентабельным. Технологии отражающих слоев, вероятно, подошли к своему пределу развития.

Разработчиками FMD было предложено следующее решение: материал, содержащий записанную информацию, не отражает, как подложка в DVD или

171

CD, а излучает световые волны. Использовано явление флюоресценции, т. е. при освещении активирующим излучением (в данном случае полупроводниковом лазером с определенной длиной волны) вещество начинает излучать, сдвигая спектр падающего на него излучения в сторону красного цвета на определеннуювеличину, причемвеличинасдвигазависитоттолщиныслоя.

Таким образом, выбрав такую толщину слоя, чтобы спектр отраженного света получался смещенным относительно длины волны излучающего лазера на строго определенную величину, например на 30 или 50 нм, можно с высокой достоверностью записывать информацию вглубь диска и впоследствии считывать ее без потери данных. Для FMD ROM разработчиками так же предложено название «трехмерный диск», и в данном случае это вполне оправданно. Таким образом, плотность записи будет зависеть и от чувствительности регистрирующего детектора. Чем меньше то дополнительное излучение флюоресцирующего вещества; добавляющееся к частоте рабочего лазера, который удастся зафиксировать, тем большее число слоев можно вместить в один диск. Излученный свет от флуоресцентного слоя некогерентен и хорошо контрастирует с отраженным светом лазера, что является дополнительной гарантией надежности считывания, ведь без отражений все равно не обойтись, они будут происходить от поверхности диска и других записанных слоев. Качественное ухудшение сигнала в обычных (отражающих) многослойных дисках нарастает с увеличением числа слоев, но вот в случае с флуоресцентными дисками это ухудшение происходит гораздо медленнее. По заявлению разработчиков FMD ROM, даже при количестве слоев больше сотни не будет происходить сильногоискаженияполезногосигнала.

Используя синий лазер (480 нм) можно увеличить плотность записи до десятков терабайт на один FM-диск. Возможно создание диска с 1000 слоями — это уже субмолекулярные размеры и теоретически возможно создание пятна размером в несколько молекул, проблема лишь в том, как зафиксировать столь малое флуоресцентное излучение. Одна из главных особенностей этой разработки — возможность параллельного чтения слоев (т. е. последовательность бит будет записана не по «дорожкам», а по слоям); скорость выборки данных в этом случае должна возрастать.

Принцип записи на FMD ROM основан на явлении фотохромизма — это свойство некоторых веществ под действием активирующего излучения обратимо переходить из одного состояния в другое, при этом изменяя свои физические свойства (например, такие как цвет, появление/исчезновение флюоресценции и т. д.). Материал, из которого состоит FMD ROM содержит специальную фотохромную субстанцию, которая циклизуется под воздействием лазерного луча определенной длины волны, превращаясь в необходимый устойчивый флуоресцент.

Обратная реакция рециклизации, приводящая к исчезновению флуоресцентных свойств (операция стирания), происходит под действием лазера с другой длиной волны. Стирающая частота лазера выбирается с таким расчетом, чтобы она не встречалась в повседневной жизни во избежание

172

потери данных.

8.1.7. Флэш - накопители

Флэш-память относится к устройствам длительного хранения. Данные в ней хранятся в виде блоков, а не байтов, как в обычных модулях памяти. Флэш-память также используется в наиболее современных компьютерах для микросхем BIOS, перезаписываемых с помощью процесса туннелирования Фоулера–Нордхейма.

Основные типы современных устройств флэш-памяти (рис.8.11).

•CompactFlash.

•SmartMedia.

•ATA PC Cards (PCMCIA).

• MultiMediaCard.

• Memory Stick.

• Flash USB Drive

CompactFlash. Флэш-память

CompactFlash была разработана ком-

панией SanDisk Corporation в 1994 го-

ду и использовала архитектуру ATA для эмуляции дискового накопителя; устройство Compact Flash подключалось к компьютеру и ему, подобно остальным дискам, присваивалось имя диска. Изначально эта память имела размер типа I (толщина 3,3 мм); более новое устройство типа II (толщина 5 мм) имеет большую емкость.

SmartMedia. Изначально известное как SSFDC (Solid State Floppy Disk Card - твердотельная дискета), это са-

мое простое устройство: карты SmartMedia содержат в себе только флэшпамять без каких-либо цепей управления. Другими словами, для совместимости с остальными поколениями карт SmartMedia необходимы дополнительные устройства.

MultiMediaCard. Современное миниатюрное запоминающее устройство флэш-памяти MultiMediaCard (MMC) используется в цифровых фотокамерах и множестве других устройств, включая интеллектуальные телефоны, MP3-плейеры, а также цифровые портативные видеокамеры. Технология MMC была совместно разработана компаниями SanDisk и Infineon Technologies AG (бывшая Siemens AG) в ноябре 1997 года. Это устройство использует стандартный 7-контактный последовательный интерфейс и включает в себя флэш-память с пониженным напряжением питания. В число планируемых разработок входит запоминающее устройство флэш-памяти Secure MultiMediaCard, предназначенноедлязаписиавторскойцифровоймузыки.

173

Sony Memory Stick. Компания Sony, которая ведет разработки в области как портативных компьютеров, так и цифровых камер и сопутствующих товаров, имеет собственную версию флэш-памяти, известную под названием Sony Memory Stick. В этом устройстве используется уникальный переключатель защиты от стирания, который убережет неаккуратного фотографа от удаления снимков.

ATA-совместимая PC Card (PCMCIA). Хотя формфактор PC Card (PCMCIA) используется сегодня для широкого спектра устройств: от игровых приставокдомодемов, отадаптеровSCSI досетевыхадаптеров, изначальноон задумывался для компьютерной памяти, что видно из прежней аббревиатуры

PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association — Между-

народная ассоциация карт памяти для персональных компьютеров). В отличие от обычных модулей памяти, память PC Card работает как дисковый накопитель, используястандартPCMCIA ATA. МодульPC Card

Flash USB Drive. Флэш-накопитель — портативный носитель информации с интерфейсом USB. Диск состоит из микросхемы флэш-ПЗУ, спецконтроллера и интерфейса USB.

Устройства поддерживаются операционными системами Windows 2000 и ХР без необходимости установки каких-либо специальных драйверов. При включении устройства в разъем оно автоматически распознается системой и регистрируется. При завершении работы необходимо выполнить отключение устройства, после чего оно будет удалено из системы и может быть снято.

8.2.Периферийные устройства ввода-вывода текстовой и графической информации

Рассматриваются устройства, предназначенные для ввода-вывода массивов данных в пакетном режиме (листами, страницами, бланками и другими крупными блоками информации).

В основном речь пойдет о вводе-выводе графической информации. За редким исключением, большинство современных устройств пакетного вводавывода предназначаются именно для работы с этим типом информации.

При этом можно утверждать, что:

•принтеры и сканеры — это, как правило (хотя есть и исключения), устройства для работы с растровой информацией;

•плоттеры и дигитайзеры — предназначены для обработки векторной графической информации.

8.2.1. Принтеры

Принтер — устройство для вывода текстовой или графической информации на различные твердые носители. Существует несколько типов принтеров: матричные, струйные, лазерные, твердочернильные, термосублимационные и т. д. Каждую группу принтеров характеризуют свои отли-

174

чительные черты, присущие только этому типу устройств вывода информации. Рассмотрим каждую из групп более подробно.

Принтеры ударного типа (impact printer). Принтеры ударного дей-

ствия, или impact-принтеры, создают изображение путем механического давления на бумагу через ленту с красителем. В качестве ударного механизма применяются либо шаблоны символов (механизм печатающей машинки) или иголки, конструктивно объединенные в матрицы. В остальных типах принтеров (non-impact - принтерах) вывод изображения осуществляется с помощью чернил, сухого электростатического переноса изображения или с применением тепла.

Первые модели печатающих устройств для вывода информации конструктивно представляли собой модернизированные варианты электрических пишущих машинок и применялись в 60-х и 70-х гг. в основном для диалогового ввода-вывода небольшого количества данных.

Основным типом устройств вывода массовой информации в те вре-

мена были построчные печатающие устройства барабанного типа, ис-

пользующие механизм, состоящий из символьного барабана, красящей ленты, системы продвижения перфорированной бумажной ленты (обычно, рулонной либо сфальцованной в стопу) и ударных пуансонов.

В матричных принтерах (dot matrix printer) изображение формируется несколькими иголками, расположенными в головке принтера (рис. 8.12). Иголки, расположенные внутри головки, обычно активизируются электромагнитным методом. Каждая ударная иголка приводится в движение независимым электромеханическим преобразователем на основе соленоида. Головка двигается по горизонтальной направляющей и управляется шаговым двигателем. Обычно печать выполняется как при прямом, так и при обратном проходе печатающей головки. Бумага продвигается с помощью вала, а между бумагой и головкой принтера располагается красящая лента.

б)

а)

Рис. 8.12. Матричный принтер : а) печатающая головка принтера; б) – в) структура принтера; г) внешний вид.

У большинства моделей принтеров красящая лента заключена в специаль-

175

ный пластмассовый корпус, называемый картриджем. Картриджи различаются по величине и форме для различных моделей. Красящая лента находится внутри корпуса картриджа в виде бесконечной ленты Мебиуса.

Струйные принтеры.

Струйная печать - это процесс получения изображения, при котором элементы изображения создаются капельками чернил, вылетающими из сопла со скоростью, достаточной, чтобы преодолеть зазор между соплом и поверхностью, на которой формируется изображение. На рис.8.13 показана классификациясуществующихииспользуемыхнапрактикеструйныхтехнологий.

Непрерывная струйная печать

Рис.8.13. Классификация струйных технологий

Первые устройства струйной печати появились еще в шестидесятых годах. В них использовался непрерывный процесс (рис.8.14). Он называет-

Рис.8.14. Схема устройства непрерывной струйной печати

ся таковым потому, что печатающая головка непрерывно выстреливает капельки чернил в сторону бумаги. Поток чернил, поступающий в печатающую головку разбивается на капельки под действием вибрации сопла, вызываемой с помощью, например, пьезоэлектрического элемента. Если бы все капельки попали на бумагу, то она покрылась бы равномерным слоем чернил и никакого изображения не получилось бы. Поэтому на бумагу должны попадать только те капельки, которые требуются для создания изображения, остальные - это отходы производства. На рисунках. показа-

176

но, как с помощью охватывающего выход из сопла электрода, вылетающие капельки приобретают электрический заряд. Далее капельки пролетают через отклоняющую систему, которая создает электрическое поле высокого напряжения. Так как капельки имеют заряд, то под действием электрического поля они изменяют свою траекторию.

Таким образом, меняя напряжение электрического поля, можно управлять направлением полета капелек. Они либо попадают на бумагу в нужном месте, либо летят в уловитель, откуда чернила поступают в резервуар для повторного использования.

Характеристики устройств непрерывного действия следующие:

1.Очень высокая производительность сопел - от 50000 для 150000 капелек в секунду на сопло.

2.Используются только электропроводные чернила

3.Необходимый элемент конструкции - сложная система рециркуляции чернил, так как без нее подобная технология принесла бы разорение пользователям из-за неимоверного расхода дорогих чернил

4.Относительно низкая скорость печати

5.Относительно большое расстояние между соплом пишущей головки и поверхностью, на которой создается изображение.

Огромный плюс непрерывной технологии - это возможность получать великолепного качества цветные изображения. На них совершенно неразличимы глазом точки. из которых оно сформировано. Однако за это приходится расплачиваться невысокой скоростью получения изображения, высокими эксплуатационными расходами (дорогие чернила и сложность в обслуживании) и, наконец, дороговизной самого оборудования. Конструктивно такие печатающие устройства также весьма отличаются от широко распространенных струйных плоттеров. Например, в системе Iris Graphics лист бумаги накладывается на барабан с горизонтальной осью вращения. Специальная система прижима удерживает этот лист от смещения в процессе работы принтера, так как барабан вращается с высокой скоростью. Достаточно больших размеров печатающая головка перемещается поступательно, параллельно оси вращения барабана.

Такое конструктивное решение позволило обойти проблему, связанную с низкой скоростью получения изображения и упростить перемещение печатающей головки. Изображение формируется за один проход печатающей головки вдоль оси барабана. Недостаток такой схемы - жесткое ограничение на формат используемой бумаги. Техническая сложность устройства привела к значительным габаритам и цене.

Импульсные струйные технологии

Наибольшее распространение получил другой тип струйных технологий

-импульсный. В отличии от систем непрерывного действия, импульсные струйные головки - это асинхронные устройства, то есть печатающая головка выстреливает чернила только тогда, когда получает сигнал - стреляет "Потребованию". В непрерывных системах, как мы знаем, капельки чернил соз-

177

даются из непрерывной струи чернил, проходящей через сопло под действием вибрации. В отличии от этого, устройства импульсного типа имеют рядом с соплом маленькую камеру, в которой в нужные моменты создается избыточное давление. Источником избыточного давления может быть кристалл пьезоэлектрика, действующий как микропоршень на одну из стенок камеры, либо тепловой импульс, под действием которого образуется пузырек мгновенно испаряющихся чернил. Избыточное давление выталкивает из камеры капельку чернил, которая по инерции пролетает через зазор между соплом и бумагой. Таккапельказакапелькой, точказаточкойформируетсяизображение.

Пузырьковая технология. Фирма Hewlett-Packard создала первый струйный принтер с использованием пузырьковой (термоструйной) техноло-

гии ThinkJet в 1985 году. Сейчас Canon и Hewlett-Packard владеют большинст-

вом патентов на эту технологию и, путем обмена лицензиями, им удалось захватить практически весь мировой рынок. Часть продукции они продают под своими торговыми марками, часть, на основе лицензионных соглашений, под торговыми марками партнеров. Огромные доходы они также получают от торговли "сердцами" струйных принтеров - печатающими головками и связаннымивнимидругимиэлектромеханическими"органами" (рис.8.15).

Успех принтеров DeskJet был обусловлен тем, что они обеспечивали качество печати близкое к лазерным принтерам при цене хорошего матричного принтера. Качество печати таких устройств зависит от размера точки от капельки чернил, а он был очень маленьким. Конструкция печатающей головки позволяла достичь разрешения в 300 точек на дюйм. Полутона на ThinkJet получались не хуже чем на LaserJet. Как уже упоминалось и Canon и HewlettPackard производят изделия, использующие один и тот же процесс создания изображения, который можно определить как термическая струйная техноло-

Нагрев Давление

Рис.8.15. Схема работы термоструйного принтера

178

гия. Hewlett-Packard называет его просто струйная технология (inkjet) , а Canon - пузырьковаятехнология(bubble-jet).

В стенку сопла встроен нагревательный элемент (рис.8.15).

При подаче электрического импульса температура его резко возрастает. Затем практически все чернила, находящиеся в контакте с нагревательным элементом мгновенно испаряются. Расширение пара вызывает ударную волну. Под действием избыточного давления капелька чернил буквально "выстреливается" из сопла, как из дула пистолета. После "выстрела" чернильный пар конденсируется, пузырек схлопывается и в сопле образуется зона пониженного давления, под действием которого новая порция чернил всасывается в сопло.

Важной конструктивной особенностью такого печатающего устройства является простая конструкция сопел (рис.8.16). Причем кроме низкой стоимости изготовления, такая конструкция устройстваимеетряддругихпреимуществ:

1. Высокая надежность каждого сопла, что упрощает конструкцию и, следовательно, уменьшает размер печатающего узла, так как не надо обеспечивать возможность замены сопел.

2. Сопла можно располагать гораздо ближе друг к другу, а это увеличивает разрешение печати

3. Отсутствие какого-либо звука при работе печатающей головки.

Пьезоэлектрическая струйная пе-

чать. Пьезоэлектрические струйные головки для принтеров были разработаны в семидесятых годах. В большинстве пьезоэлектрических струйных принтеров избыточное давление в камере с чернилами создается с помощью диска из пьезоэлектрика, который изменяет свою форму - выгибается, при подведении к нему электрического напряжения. Выгнувшись, диск, который является одной из стенок камеры с чернилами, уменьшает ее объем. Под действием избыточного давления жидкие чернила вылетают из сопла в виде капли. Чернила делятся на две группы – пигментные и водорастворимые. Считается, что водорастворимые чернила лучше передают цвета картинки и фотографии, хотя в настоящее время оба варианта заслуживают очень теплых слов. Пигментные чернила являются водостойкими, хотя и водорастворимые (если их не вымачиватьвводе) оказываютсяпоройоченькрепкими.

Пионер пьезоэлектрической технологиифирма Epson не смогла успешно соревноваться в объеме продаж со своими конкурентами Canon и Hewlett-Packard из-за сравнительно высокой технологической стоимости пьезоэлектрических печатающих головок - они дороже и сложнее, чем пузырьковые печатающие головки

179

Струйная печать с твердыми чернилами (со сменой фаз)

Своеобразное конструктивное решение для устройств получения высококачественных цветных изображений реализовано в принтерах фирм Tektronix и Dataproducts. Четыре цветных восковых палочки, соответствующих базовым цветам: голубая, розовая, желтая и черная, закладываются в печатающую головку (рис. 8.17). Нагреватели расплавляют воск - при темпера-

барабане и печатающая головка формирует изображение за один поступательный проход. Электронное устройство, обеспечивающее пульсацию чернил, выстреливает мельчайшие капельки в те мгновения, когда это требуется. При контакте с бумагой чернила мгновенно переходят в твердую фазу, поэтому они не впитываются в бумагу, а остаются на ее поверхности. С одной стороны это очень хорошо, так как полностью отсутствует эффект расплывания чернил, присущий любым жидким чернилам, но с другой стороны, так как капельки застывают мгновенно, то поверхность изображения становится шершавой. Поэтому в качестве финишной обработки изображения лист бумаги прокатывают через валки, расплющивающие шероховатости твердых чернил и придающие изображению приятный глянцевый вид.

Основное преимущество струйной печати со сменой фаз перед другими струйными технологиями в том, что чернила не впитываются в бумагу и удается достичь высокого качества печати. Недостаток один - высокая стоимость получаемых изображений. Для одноцветной печати это совершенно непрактичные устройства.

Существует и домашний вариант такого принтера: сублимационный фотопринтер. Качество отпечатков сублимационного принтера порой получается лучше, чем в фотолабораториях. Сублимационные принтеры компактны и просты – их можно даже брать с собой в путешествие.

Технологии сублимационных и твердочернильных принтеров можно объединить в единую – термопечать. Оптимальное качество отпечатков достигается не за счет четкости и правильности нанесения точек на бумагу, а за

180