5. Организация ввода-вывода, периферийные устройства.

5.1 Каналы и интерфейсы ввода вывода

Любая ВС реализуются в виде определенной совокупности конструктивно автоном­ных, но информационно взаимосвязанных в единую систему функциональных элементов (ФЭ): различных устройств, блоков, модулей, каждый из которых полностью выполняет некоторую определенную функцию обработки информации. Для любого типа обработки информации, выполняемой в рамках любой ВС, необходимо обеспечить определенный обмен информацией между ФЭ, входящими в ее структуру. Поэтому любой ФЭ, помимо электронных узлов, реализуюших его основную функцию обработки информации, должен иметь специальные электронные узлы или аппаратуру, при помощи которых организуется необходимый обмен информацией с другими ФЭ по соответствующим каналам связи (КС). Физическая среда, по которой передаются сигналы, несущие информацию, может быть различной, в частности в качестве такой среды используются различного вида кабе­ли или линии связи (ЛС). ЛС, по которым передаются сигналы, и аппаратура переда­чи/приема данных образуют упомянутые выше каналы связи.

Совокупность всех, в основном унифицированных, технических (аппаратных) и про­граммных средств, обеспечивающих информационное взаимодействие ФЭ, входящих в состав ВС, называется интерфейсом. Иначе говоря, интерфейс - это совокупность канала связи и программных средств, используемых для информационного сопряжения уст­ройств, входящих в состав ВС.

Помимо понятий «интерфейс» и «канал связи» часто используются также такие по­нятия как «протокол». Протокол - это совокупность правил, определяющих взаимодейст­вие ФЭ системы и описывающих способ выполнения определенного класса функций со­пряжения, т.е. интерфейсных функций.

Для того, чтобы иметь возможность использовать в ВС различные унифицированные ФЭ в первую очередь необходимо обеспечить их совместимость с точки зрения организа­ции процедуры обмена информацией, т.е. необходимо унифицировать аппаратные и про­граммные средства, организующие обмен информацией между ФЭ. Совместимость уни­фицированных ФЭ обеспечивается, так называемыми, стандартными интерфейсами (СИ), стыками и протоколами. Последнее заставляет уделять огромное внимание интерфейсам при проектировании и использовании средств ВТ.

Внешние интерфейсы или каналы ввода-вывода это группа интерфейсов (средств сопряжения) позволяющих расширять функциональные возможности ВС, за счет подклю­чения различного периферийного оборудования, и обеспечения коммуникации с другими компьютерами. К интерфейсам этой группы относятся LPT-, COM-, GAME- и MIDI-порты, шины SCSI, USB и FireWire, а также интерфейсы локальных сетей и вспомога­тельные интерфейсы J С и JTAG.

5.2 Печатающие устройства (принтеры).

Все печатающие устройства можно разделить на последовательные, строчные и страничные. В каждой группе можно выделить устройства ударного (impact) и безударного (non-impact) действия. По используемой технологии печати различают матричные, струйные, лазерные и LED-принтеры, принтеры с термопереносом восковой мастики, с термосублимацией, а также с изменением фазы красителя.

Матричные принтеры

Последовательные ударные матричные печатающие устройства работают следую­щим образом: вертикальный ряд (или два ряда) игл «вколачивают» с ленты в бумагу, формируя последовательно символ за символом. Для этих принтеров возможно использо­вание как форматной так и рулонной бумаги.

Головка принтера оснащается 9, 18 или 24 иголками, в последнем случае обеспечи­вается наилучшее для матричных принтеров качество.

Более высокое быстродействие обеспечивают построчные (постраничные) матрич­ные принтеры, которые вместо головок используют длинные массивы с большим количе­ством игл, при этом достигается скорость печати до 1500 строк в минуту.

Основным достоинством матричных принтеров является низкая стоимость расход­ных материалов, в следствии чего себестоимость печати одного листа в несколько раз ни­же, чем у лазерных или струйных моделей.

Расходным материалом в матричных принтерах является картридж с красящей лен­той, при этом можно производить замену ленты без замены картриджа. Как правило од­ной ленты при правильной настройке узла хватает на распечатку от 500 до 1000 страниц текста.

Во всех остальных отношениях матричные принтеры хуже струйных и лазерных. Они имеют низкое графическое разрешение, печатают медленно и создают высокий уро­вень шума.

Струнные принтеры

Струнные принтеры относятся к безударным печатающим устройствам, то есть та­ким, у которых носитель печатаемой информации не касается бумаги. Струйные черниль­ные (Ink Jet) принтеры относятся, как правило, к классу последовательных безударных пе­чатающих устройств, которые в свою очередь подразделяются на устройства непрерывно­го (continuous drop, continuous jet) и дискретного (drop-on-demand) действия. Последние в свою очередь могут использовать либо термическую «пузырьковую» технологию (bubble-jet, thermal ink-jet), либо пьезоэффект (piezo ink-jet). У чернильных устройств, как и мат­ричных, печатающая головка движется относительно неподвижной бумаги. Сопла (ка­нальные отверстия) на печатающей головке, через которые разбрызгиваются чернила, со­ответствуют «ударным» иглам. Количество сопел у разных моделей может варьироваться от 12 до 256 (иногда более). Поскольку размер каждого сопла меньше диаметра иглы (тоньше человеческого волоса), а количество сопел больше количества игл, то получаемое изображение четче (если чернила не расплываются на бумаге). Максимальная разрешаю­щая способность массовых моделей достигает значения 1440 dpi.

Основными параметрами струйных принтеров являются технология печати, разре­шение, количество цветов.

Технология печати. Под технологией печати понимается способ формирования кап­ли чернил. В пьезоэлектрических печатающих головках (принтеры Epson) капля формиру­ется и выстреливается за счет пьезоэффекта, в пузырьковых головках (принтеры Canon, Hewlett Packard, Lexmark) капля выстреливается за счет давления пузырька пара, возник­шего при нагревании чернил. В пузырьковых печатных механизмах сопла печатающей головки изнашиваются быстрее, поэтому головка совмещена с картриджем и меняется вместе с опустевшим баллончиком чернил. Пьезоэлектрические головки обычно несменные, а замене подлежат лишь баллончики с чернилами, хотя головка тоже является рас­ходным материалом и может быть заменена.

Разрешение. Разрешение характеризует величину самых мелких деталей изображе­ния, передаваем при печати без искажения. Измеряется обычно в dpi (dot per inch) - число точек на дюйм. Разрешение принтера соответствует разрешению черно-белого изображе­ния (т.е. только черно-белая картинка с разрешением 300 dpi будет напечатана на принте­ре с разрешением 300 dpi без искажений). Для полутоновых и цветных изображений эле­менты изображения (пиксели) создаются за счет растрирования. При этом для грубой оценки можно считать, что полутоновое и цветное разрешение будет равно указанному двухцветному, деленному на восемь. В связи с этим важно отметить различные подходы двух ведущих производителей струйных принтеров Hewlett Packard и Epson к улучшению своих принтеров. Если Epson непрерывно повышает разрешение (данный момент состав­ляет в большинстве моделей 1440*720), то Hewlett Packard повышает качество печати за счет уменьшения объема капель чернил и печати в несколько слоев (разрешение при этом составляет в большинстве моделей 600*600). На темных и насыщенных участках обе ме­тодики дают примерно одинаковый результат, а на светлых участках и плавных цветовых переходах сказывается недостаток малого разрешения (виден растровый рисунок).

Количество цветов. В черно-белых принтерах, которые уже практически не выпус­каются печатающая головка была одна (Epson Stylus 200, HP DeskJet 520). В так называе­мых трехцветных принтерах можно устанавливать только один картридж либо с черными чернилами, либо тремя чернилами CMY (Cyan, Magenta, Yellow - голубой, малиновый, желтый), такие принтеры пригодны для эпизодической печати цветных иллюстраций (HP DeskJet 400, Lexmark 1020). В четырехцветных принтерах реализуется модель печати CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Black) и применяется либо четыре отдельных картриджа, либо два - черный и цветной. Большинство современных принтеров четырехцветные, но наилучшее качество достигается при использовании шестицветных принтеров.

Формат бумаги струйных принтеров изменяется в диапазоне А4...АО.

Существуют модели принтеров, позволяющие вместо картриджа устанавливать ска­нирующую головку, что наделяет принтер возможностями простейшего рулонного скане­ра (некоторые модели Canon).

Основными расходными материалами струйных принтеров являются картриджи, в некоторых моделях совмещенные с печатающей головкой.

Многие струйные принтеры продаются по своей себестоимости и ниже, а основной доход производи­тели получают от продажи расходных материалов, так стоимость недорогого принтера равна приблизитель­но стоимости 3-5 картриджей к нему.

Одним из способов снижения себестоимости черно-белой печати является заправка и их повторное использование. Такая возможность существует практически для всех принтеров, однако некоторые произво­дители в этом случае отказываются т гарантии. Заправке лучше поддаются картриджи от пузырьковых принтеров, в то время как для принтеров с несменной головкой эксперименты по заправке слишком риско­ванны. Заправлять картридж следует не позднее суток с момента его исчерпания, иначе остатки чернил в соплах засыхают и картридж выходит из строя. Цветные картриджи заправлять не имеет смысла из-за невы­соких объемов цветной печати, сушественно худшего качества чернил и высокой стоимости комплекта за­правки.

Лазерные и LED-принтеры

В лазерных принтерах используется электрографический принцип создания изобра­жения. Этот процесс включает в себя создание рельефа электростатического потенциала в слое полупроводника с его последующей визуализацией. Визуализация осуществляется с помощью частиц сухого порошка - тонера, наносимого на бумагу. Наиболее важным элементом лазерного принтера является фотопроводящий цилиндр (фотовал или фотоба­рабан), полупроводниковый лазер и прецизионная оптико-механическая система, переме­щающая луч.

Лазерные принтеры являются на данный момент самыми быстродействующими, их скорость печати может превышать 12 страниц в минуту.

Для лазерных принтеров, работающих с бумагой формата А4, стандартным разре­шением является 600-1200 dpi.

Кроме лазерных, существуют так называемые LED-принтеры (Light Emitting Diode), в которых полупроводниковый лазер заменен «гребенкой» мельчайших светодиодов. В данном случае не требуется сложная оптическая система, что позволяет реализовывать более дешевые решения. В области светодиодных принтеров специализируется компания OKI.

Большинство параметров лазерных принтеров соответствует аналогичным парамет­рам струйных и матричных моделей.

Основным расходным материалом лазерных принтеров является картридж с тонером и фотовал, в некоторых моделях объединенные в общий узел.

Поскольку в отличие от матричной и струйной технологии, лазерная технология требует предварительной подготовки (растрирования) всей страницы, то для лазерных принтеров очень важен объем буферной памяти. Большинство моделей позволяют его на­ращивать.

Принтеры с термопереносом восковой мастики

Принцип работы принтера с термопереносом восковой мастики (termal wax transfer) состоит в том, что термопластичное красящее вещество, нанесенное на тонкую подложку, попадает на бумагу именно в том месте, где нагревательными элементами (аналогами со­пел и игл) печатающей головки обеспечивается должная температура. Нагревательные элементы печатающей головки располагаются аналогично иглам матричных принтеров и соплам струйных принтеров. Позиционирование головки (как у маричных и струйных принтеров) осуществляется только в горизонтальном направлении, а подача бумаги осу­ществляется в вертикальном. Термопринтеры относятся к классу безударных поскольку механический контакт между бумагой и головкой отсутствуют.

Принтеры с термосублимациеп красителя

Принтеры с термосублимацией (Dye Sublimation) используют технологию близкую к термопереносу, только термоэлементы печатающей головки нагреваются в данном случае до более высокой температуры. При сублимации переход вещества из твердого состояния в газообразное происходит, минуя стадию жидкости. Таким образом порция красителя сублимирует с подложки и осаждается на бумаге или ином носителе. Комбинацией цветов красителя можно подобрать практически любую цветовую палитру. Данная технология используется только для цветной печати и стоит довольно дорого. К основным преимуще­ствам технологии относится практически фотографическое качество получаемого изобра­жения и широкая гамма оттенков цветов без использования растрирования.

Принтеры с изменением фазы красителя

В основе работы устройств с изменением фазы красителя или с твердым красителем (Phase Change Ink-Jet, или Solid Ink-Jet) лежит следующий принцип. Восковые стержни для каждого первичного цвета красителя постепенно растворяются нагревательным эле­ментом и попадают в отдельные резервуары. Расплавленные красители подаются оттуда специальным насосом в печатающую головку, работающую обычно на основе пьезоэф-фекта. Капли воскового красителя застывают на бумаге практически моментально, но обеспечивают необходимое сцепление. В отличие от обычной струйной технологии в дан­ном случае не происходит ни просачивания, ни растекания, ни смешивания, поэтому такие принтеры могут работать практически с любой бумагой, при этом качество цветов безу­пречна и допустима двусторонняя печать.

Плоттеры

Устройство, позволяющее представлять выводимые из ЭВМ данные в форме рисун­ков и графиков на бумаге, называют обычно графопостроителями или плоттерами. Из это­го определения следует, что в качестве плоттера может использоваться и соответствую­щий принтер. Первыми появились и широко используются перьевые плоттеры.

Существующие на сегодня перьевые плоттеры условно можно разбить на:

• плоттеры, использующие фрикционный прижим для перемещения бумаги в на­правлении одной оси и движения пера в направлении дугой;

• барабанные (рулонные) плоттера, работающие примерно также как и фрикцион­ные, но использующие для перемещения перфорированной бумажной ленты спе­циальный трактор;

• планшетные плоттеры, в которых бумага неподвижна, а перо перемещается по обеим осям,

Различные модели плоттеров могут иметь как одно так и несколько перьев различ­ного цвета (обычно 4-8). Перья бывают трех типов: фитильные (заправляемые чернила­ми), шариковые (аналог шариковой ручки) и с трубчатым пишущим узлом (инкографы, заправляемые специальной тушью).

Связь плоттера с ЭВМ как правило осуществляется через последовательный (USB), параллельный (LPT) или SCSI интерфейс.

В плоттерах могут использоваться как специальные технологии, так и технологии знакомые по принтерам (термо-, ларсная, LED, струйная). В настоящее время широко применяются струйные плоттеры, которые обеспечивают быстродействие в 4-5 раз выше перьевых и разрешение не менее 300 dpi.