периферийные устройства (пособие)
реклама
М. И. Заставной Организация ЭВМ и систем. Периферийные устройства ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ГОУ ВПО «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» М. И. Заставной Организация ЭВМ и систем. Периферийные устройства Учебное пособие Волгоград 2010 2 УДК 004(075.8) З – 36 Рецензенты: доцент кафедры «Системотехника» СГТУ, профессор, д. т. н. Н. П. Митяшин; коллектив кафедры «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» СГТУ Заставной, М. И. ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ. ПЕРИФЕРИЙНЫЕ учеб. пособие / М. И. Заставной; ВолгГТУ, Волгоград, 2010. – УСТРОЙСТВА: 74 с. ISBN 978-5-9948-0386-8 Приводится классификация периферийных устройств, рассматриваются принципы работы и характеристики различных устройств, подключаемых к ЭВМ. Предназначено для студентов направления 230100.62 «Информатика и вычислительная техника», специальности 230102.65 «Автоматизированные системы обработки информации и управления». Ил. 56. Табл. 2. Библиогр.: 9 назв. Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета Михаил Иванович Заставной ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ. ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА Учебное пособие Редактор Пчелинцева М. А. Темплан 2010 г., поз. № 40К. Подписано в печать 18. 02. 2010 г. Формат 60×84 1/16. Бумага листовая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 4,63. Усл. авт. л. 4,5. Тираж 21 экз. Волгоградский государственный технический университет 400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 1. Отпечатано в КТИ 403874, г. Камышин, ул. Ленина, 5, каб. 4.5 ISBN 978-5-9948-0386-8 3 Волгоградский государственный технический университет, 2010 Содержание 1. 2. 3. 4. 5. Список аббревиатур............................................................ ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………….. 1.1. Основные понятия…………………………………..…………. 1.2. Способы организации совместной работы периферийных и центральных устройств………………………............. 1.3. Классификация периферийных устройств…...……........ УСТРОЙСТВА ВВОДА………………………………………….... 2.1. Клавиатура………………..……………………………………… 2.2. Компьютерная мышь…….…………………………………… 2.3. Трекбол………………………………..………………………...… 2.4. Сенсорная панель…………………………..………………….. 2.5. Джойстик…………………………………………………….…… 2.6. Световое перо……………….………………………………….. 2.7. Сканер…………………………………….……………………….. 2.8. Графический планшет………………………………..………. 2.9. Веб-камера……………………………………………………..... УСТРОЙСТВА ВЫВОДА…………………….…………..……… 3.1. Монитор………………….................................…………..……… 3.2. Принтеры…………...……….............................…………..……… 3.3. Плоттеры (графопостроители) …………………………….. ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ……..... 4.1. Накопители с магнитным носителем……………..……… 4.2. Накопители с оптическим носителем……………………. 4.3. Флэш-память…......................…………….......…………..……… СРЕДСТВА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ………..……..……… 5.1. Модемы..…………….................................………………..……… 5.2. Сетевые карты…...………………...................…………..……… СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............. 4 4 5 5 6 7 8 8 17 21 22 22 23 23 31 33 36 36 42 50 53 53 56 60 68 68 71 74 СПИСОК АББРЕВИАТУР АЦП – аналого-цифровой преобразователь ИК – инфракрасный диапазон КД – компакт-диск НГМД – накопитель на гибких магнитных дисках НЖМД – накопитель на жестких магнитных дисках НМЛ – накопитель на магнитной ленте ОЗУ – оперативное запоминающее устройство ПВИ – прямой вывод изображения ПЗС – прибор с зарядовой связью ПО – программное обеспечение ПП – перьевой плоттер ПУ – периферийное устройство РС – персональный компьютер ЭЛТ – электронно-лучевая трубка 5 1. ВВЕДЕНИЕ 1.1. Основные понятия При работе с ЭВМ необходимо обеспечить ввод информации в ЭВМ и ее дальнейший вывод на различные носители информации. ЭВМ содержит конечное число устройств, что может ограничивать круг выполняемых задач. Для расширения функциональных возможностей ЭВМ к ним возможно подключение различных внешних устройств (периферии). Периферийное устройство (ПУ) – устройство, входящее в состав внешнего оборудования ЭВМ, обеспечивающее ввод/вывод данных, организацию промежуточного и длительного хранения данных и расширяющее функциональные возможности ЭВМ. Любая ЭВМ представляет собой сложную систему, включающую в себя большое количество различных устройств. Связь устройств ЭВМ между собой осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами. Интерфейс – это совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для передачи информации между компонентами ЭВМ и включающих в себя электронные схемы, линии, шины и сигналы адресов, данных и управления, алгоритмы передачи сигналов и правила интерпретации сигналов устройствами. Интерфейсы характеризуются следующими параметрами: 1. Пропускная способность – количество информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени. 2. Максимальная частота передачи информационных сигналов через интерфейс. 3. Максимально допустимое расстояние между соединяемыми устройствами. 4. Общее число проводов (линий) в интерфейсе. 5. Информационная ширина интерфейса – число бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс. При подключении внешних периферийных устройств к ЭВМ обычно используются следующие интерфейсы: – последовательные: PS/2, RS-232C (СОМ-порт), USB, IEEE-1394 (FireWire), беспроводный инфракрасный – IRDA; – параллельные: IEEE-1284 (LPT-порт), SCSI. В мобильных компьютерах (ноутбуках) могут использоваться специализированные интерфейсы: параллельный интерфейс PC Card (PCMCIA – спецификация на модули расширения) и последовательный интерфейс ExpressCard. 6 1.2. Способы организации совместной работы периферийных и центральных устройств Связь ЭВМ и внешнего устройства или двух ЭВМ друг с другом может быть организована в трех режимах: симплексном, полудуплексном и дуплексном. Симплексный режим предусматривает передачу данных только в одном направлении: один передает, другой принимает. Как правило, такой режим используется для связи устройств ввода или вывода с ЭВМ, например: ЭВМ-принтер, ЭВМ-дисплей, клавиатураЭВМ. В редких случаях возможна связь двух ЭВМ, однако скорость обмена будет невысокой. Для организации симплексного режима необходимо, чтобы передатчик одной ЭВМ был связан с приемником другой ЭВМ двухпроводной линией связи. Полудуплексный режим позволяет выполнять поочередный обмен данными в обоих направлениях. В каждый момент времени передача может вестись только в одном направлении: один передает, другой принимает. И пока передача не закончилась, принимающий ничего не может сообщить передающему. Заканчивая передачу, передающая ЭВМ пересылает приемной специальный сигнал "перехожу на прием" (формат этого сигнала определяется протоколом передачи и его должны распознавать все участники обмена), после чего ЭВМ меняются ролями. В случае возникновения ошибки при передаче принимающая ЭВМ вынуждена ожидать окончания приема, после чего сообщить об ошибке передающей ЭВМ для повторной передачи, при этом все принятые данные после ошибки теряются. Поэтому при обмене большими объемами информации приходится все передаваемые данные делить на блоки и контролировать прохождение каждого блока. Общее время обмена информацией при этом возрастает. Для организации полудуплексного режима можно применить либо специальное коммутационное устройство у каждой ЭВМ, переключающее линию связи с выхода передатчика на вход приемника и обратно, либо линию связи с большим количеством проводов (например, трехпроводную, в которой один провод связывает передатчик первой ЭВМ с приемником второй, другой провод связывает приемник первой ЭВМ с передатчиком второй, а третий является общим проводом и называется «информационная земля»). Дуплексный режим позволяет вести передачу и прием одновременно в двух встречных направлениях. Для организации дуплексного режима необходимо, чтобы аппаратурные средства (в состав которых входит и канал связи) обеспечивали 7 возможность одновременной передачи информации во встречных направлениях. 1.3. Классификация периферийных устройств 1. ПУ, предназначенные для связи с пользователем. К ним относят различные устройства ввода (клавиатуры, сканеры, а также манипуляторы – мыши, трекболы и джойстики), устройства вывода (мониторы, индикаторы, принтеры, плоттеры (графопостроители) и т. п.) и интерактивные устройства (терминалы, ЖК-планшеты с сенсорным вводом и др.). 2. Устройства массовой памяти (винчестеры, дисководы, стримеры, накопители на оптических дисках, флэш-память и др.) 3. Устройства связи с объектом управления (АЦП, ЦАП, датчики, цифровые регуляторы, реле и т. д.) 4. Средства передачи данных на большие расстояния (средства телекоммуникации – модемы, сетевые адаптеры). 8 2. УСТРОЙСТВА ВВОДА 2.1. Клавиатура Клавиатура – это одно из основных устройств ввода информации в ЭВМ, позволяющее вводить различные виды информации. С помощью клавиатуры можно вводить любые символы: от букв и цифр до иероглифов и знаков музыкальной нотации. Вид вводимой информации определяется программой, интерпретирующей нажатые или отпущенные клавиши. Также с помощью клавиатуры возможно управлять курсором на экране дисплея, осуществлять «прокрутку» документов и т. д. 2.1.1. Классификация клавиатур. Можно выделить следующие основные типы клавиатур: 83-клавишная клавиатура PC и XT; 84-клавишная клавиатура AT; 101-клавишная расширенная клавиатура; 104-клавишная расширенная клавиатура Windows; мультимедийные клавиатуры. 2.1.1.1. Стандартные клавиатуры. Стандартная клавиатура IBM PC имеет несколько групп клавиш: 1. Алфавитно-цифровые и знаковые клавиши (с латинскими и русскими буквами, цифрами, знаками пунктуации, математическими знаками). 2. Специальные клавиши: <Esc>, <Tab>, <Enter>, <BackSpace>. 3. Функциональные клавиши: <F1> ... <F10...>. 4. Служебные клавиши для управления перемещением курсора (стрелки: <Up>, <Down>, <Left>, <Right>, клавиши <Home>, <End>, <PgUp>, <PgDn> и клавиша, обозначенная значком “[ ]” – в центре дополнительной цифровой клавиатуры). 5. Служебные клавиши для управления редактированием: <Ins> <Del>. 6. Служебные клавиши для смены регистров и модификации кодов других клавиш: <Alt>, <Ctrl>, <Shift>. 7. Служебные клавиши для фиксации регистров: <CapsLock>, <Scroll-Lock>, <NumLock>. 8. Разные вспомогательные клавиши: <PrtSc>, <Break>, <Grey +>, <Grey ->. 2.1.1.2. Расширенные клавиатуры. В 1986 г. IBM выпустила корпоративную расширенную 101-клавишную клавиатуру для новых моделей XT и AT (рис. 1). 9 Рис. 1. 101-клавишная клавиатура 101-клавишная клавиатура может быть условно разделена на следующие области: 1. Основная клавиатура (область печатных символов). 2. Цифровая клавиатура (Numeric Keypad), при выключенном индикаторе NumLock (или включенном NUMLOCK и нажатии SHIFT) используемая для управления курсором и экраном. 3. Выделенные клавиши управления курсором и экраном, дублирующие эти функции цифровой клавиатуры. 4. Функциональная клавиатура. В 104-клавишной клавиатуре были добавлены 3 дополнительные клавиши – Windows-клавиши, т. к. с появлением операционной системы Windows пользователи привыкли к графическому интерфейсу данной ОС, в котором большая часть операций осуществляется с помощью манипулятора типа «мышь». Это позволило реализовать функции, для выполнения которых необходимо нажимать много клавиш или перемещаться и нажимать на кнопки мыши. Microsoft выпустила спецификацию Windows-клавиатуры, содержащую новые клавиши и их комбинации (рис. 2) – дополнительные левая и правая Windows-клавиши и клавиша <Application> (приложение). Они могут использоваться для получения комбинаций клавиш на уровнях операционной системы или приложения подобно комбинациям с <Ctrl> и <Alt> на 101-клавишной клавиатуре. В стандартной раскладке Windows-клавиатуры клавиша пробела укорочена, две клавиши Windows расположены слева и справа (<WIN>), а клавиша <Application> – справа. Клавиши <WIN> вызывают меню Пуск (Start), по которому можно перемещаться с помощью клавиш управления курсором. Клавиша <Application> эквивалентна нажатию правой кнопки мыши; в большинстве приложений она позволяет перейти в контекстно-зависимое меню. 10 Рис. 2. 104-клавишная Windows-клавиатура 2.1.1.3. Мультимедийные клавиатуры. На подобных клавиатурах размещаются дополнительные клавиши, которые разделены на группы, обычно это: 1. Клавиши питания (выключение компьютера, перевод в режим сна, пробуждение). 2. Интернет-клавиши, обеспечивающие навигацию в сети Интернет (Stop, My Favorites, Refresh, Search, Forward, Back, E-mail, WWW). 3. Мультимедийные клавиши – выполняют функции управления медиаконтентом (Mute, Volume Up, Volume Down, Previous, Play/Pause, Next, Stop). 4. Офисные клавиши, с помощью которых осуществляется быстрый запуск приложений (MS Word, Excel, PowerPoint, Calendar). С помощью драйверов возможна «перенастройка» определенных клавиш на запуск другого ПО и выполнение других функций. Можно выделить отдельный тип клавиатур – портативные клавиатуры. Из-за ограниченного размера портативных компьютеров так же была изменена раскладка подобных клавиатур. В большинстве из них вспомогательная клавиатура входит теперь в стандартную буквенную часть клавиатуры (рис. 3). Для переключения клавиатуры обычно используется комбинация, в которую входит клавиша <Fn>. В дополнение к управлению вспомогательной клавиатурой клавиша <Fn> часто используется для переключения между режимами в портативных компьютерах, например для переключения между встроенным и внешним дисплеем или для управления яркостью экрана и громкостью звука. 11 Рис. 3. Расположение вспомогательной цифровой клавиатуры в портативных клавиатурах 2.1.2. Устройство клавиатуры. Упрощенно принципиальную схему клавиатуры можно представить следующим образом (рис. 4). При этом все клавиши находятся в узлах матрицы. Рис. 4 . Упрощенная принципиальная схема клавиатуры Все горизонтальные линии матрицы подключены через резисторы к источнику питания +5В. Контроллер клавиатуры имеет два порта – выходной и входной. Входной порт подключен к горизонтальным линиям матрицы (X0-X4), а выходной – к вертикальным (Y0-Y5). Устанавливая по очереди на каждой из вертикальных линий уровень напряжения, соответствующий логическому 0, контроллер опрашивает состояние горизонтальных линий. Если ни одна клавиша не нажата, уровень напряжения на всех горизонтальных линиях соответствует логической 1 (т. к. все эти линии подключены к источнику питания +5В через резисторы). Если оператор нажмет на какую-либо клавишу, то соответствующая вертикальная и горизонтальная линии окажутся замкнутыми. Когда на 12 этой вертикальной линии контроллер установит значение логического 0, то уровень напряжения на горизонтальной линии также будет соответствовать логическому 0. Как только на одной из горизонтальных линий появится уровень логического 0, контроллер клавиатуры фиксирует нажатие на клавишу. Он посылает в центральный компьютер запрос на прерывание и номер клавиши в матрице. Аналогичные действия выполняются и тогда, когда оператор отпускает нажатую ранее клавишу. Номер клавиши, посылаемый контроллером клавиатуры, однозначно связан с распайкой клавиатурной матрицы и не зависит напрямую от обозначений, нанесенных на поверхность клавиш. Этот номер называется скан-кодом (Scan Code). В ЭВМ используется ASCII-код (American Standard Code for Information Interchange – американский стандартный код для обмена информацией), который не зависит однозначно от скан-кода, т. к. одной и той же клавише могут соответствовать несколько значений ASCII-кода. Это зависит от состояния других клавиш, например от клавиши Shift. Все преобразования скан-кода в ASCII-код выполняются программным обеспечением. 2.1.3. Конструкции клавиш. В клавиатурах используется несколько типов клавиш. В большинстве клавиатур установлены механические переключатели, в которых происходит замыкание электрических контактов при нажатии клавиш. В некоторых клавиатурах используются бесконтактные емкостные датчики. Наиболее широко распространены контактные клавиатуры. Существуют следующие их разновидности: с механическими переключателями; с замыкающими накладками; с резиновыми колпачками; мембранные. В клавиатурах с механическими переключателями происходит замыкание металлических контактов. В них для создания "осязательной" обратной связи зачастую устанавливается дополнительная конструкция из пружины и смягчающей пластинки. Клавиши с замыкающими накладками широко применялись в старых клавиатурах. В них прокладка из пористого материала с приклеенной снизу фольгой соединяется с кнопкой клавиши (рис. 5). При нажатии клавиши фольга замыкает печатные контакты на плате. Когда клавиша отпускается, пружина возвращает ее в исходное положение. 13 Рис. 5. Конструкция клавиши с замыкающей накладкой из фольги. Основными недостатками такой конструкции являются: – отсутствие щелчка при нажатии (нет обратной связи), что затрудняет определение: была нажата клавиша или нет; – такая конструкция весьма чувствительна к коррозии фольги и загрязнению контактов на печатной плате. Клавиатура с резиновыми колпачками похожа на предыдущую конструкцию. Вместо пружины в ней используется резиновый колпачок с замыкающей вставкой из той же резины, но с угольным наполнителем. При нажатии клавиши шток надавливает на резиновый колпачок, деформируя его. Деформация колпачка сначала происходит упруго, а затем он "проваливается". При этом угольный наполнитель замыкает проводники на печатной плате. При отпускании резиновый колпачок принимает свою первоначальную форму и возвращает клавишу в исходное состояние. Количество деталей в такой конструкции минимально. Все это обеспечивает высокую надежность клавиатуры и ее широкое распространение. Мембранная клавиатура является разновидностью предыдущей, но в ней нет отдельных клавиш: вместо них используется лист с разметкой, который укладывается на пластину с резиновыми колпачками. Емкостные датчики являются единственными бесконтактными переключателями, которые получили широкое распространение (рис. 6). Клавиатуры с такими датчиками дороже резиновых, но более устойчивы к загрязнению и коррозии. В емкостных датчиках нет замыкающихся контактов. Их роль выполняют две смещающиеся относительно друг друга пластинки и специальная схема, реагирующая на изменение емкости между ними. Клавиатура представляет собой набор таких датчиков. 14 Когда верхняя пластинка приближается к нижней, емкость между ними увеличивается, что регистрируется схемой компаратора, установленной в клавиатуре. Единственный недостаток такой клавиатуры – высокая стоимость. Рис. 6. Клавиша с емкостным датчиком 2.1.4. Интерфейс клавиатуры. На IBM PC AT используется клавиатура с большим количеством клавиш. На этих машинах есть возможность управлять некоторыми функциями клавиатуры, например, изменять время ожидания автоповтора, частоту автоповтора, зажигать и гасить светодиоды на панели управления клавиатурой. Контроллер клавиатуры постоянно опрашивает клавиши, определяет, какие из них нажаты, и выдает код нажатой или отпущенной клавиши в системный блок ЭВМ. Кроме этого, контроллер клавиатуры определяет продолжительность нажатия и может обработать даже одновременное нажатие нескольких клавиш. В клавиатуре установлен буфер емкостью 16 байт, в который заносятся данные при слишком быстрых или одновременных нажатиях. Затем эти данные в соответствующей последовательности передаются в систему. Связь клавиатуры с системным блоком осуществляется через последовательный канал, данные по которому передаются по 11 бит, причем восемь из них собственно данные, а остальные – синхронизирующие и управляющие. Хотя это полноценный последовательный канал связи (данные передаются по одному проводнику), он не совместим со стандартным последовательным портом RS-232. В клавиатурах первых персональных компьютеров использовался микроконтроллер 8048, а позднее был заменен на микросхему 8049 со встроенной памятью ROM. Возможно использование других микросхем, совместимых с 8048 или 8049. В компьютерах типа AT последовательный интерфейс клавиатуры подключен к специальному контроллеру клавиатуры на системной плате. 15 В качестве такого контроллера используется микросхема 8042 универсального интерфейса периферийных устройств (Universal Peripheral Interface – UPI). Этот микроконтроллер фактически является еще одним процессором со встроенными ROM емкостью 2 Кбайт и RAM на 128 байт. В системах AT микроконтроллер, установленный в клавиатуре (типа 8048), пересылает данные в контроллер клавиатуры (типа 8042) на системной плате; возможна также передача данных в обратном направлении. Когда контроллер на системной плате принимает данные от клавиатуры, он выдает запрос по цепи IRQ 1 и передает данные главному процессору через порт ввода-вывода с адресом 60h. Играя роль посредника между клавиатурой и главным процессором, контроллер клавиатуры типа 8042 может также преобразовывать скан-коды и выполнять другие функции. Данные могут передаваться контроллеру 8042 через тот же порт 60h, после чего он пересылает их в клавиатуру. В большинстве старых систем контроллер 8042 используется также для управления шиной адреса А20 при обращении к памяти, объем которой больше одного мегабайта. В современных системных платах эта функция возложена непосредственно на процессор и набор микросхем системной платы. 2.1.5. Разъемы для подключения клавиатуры. Клавиатуры выпускаются с кабелями, подключаемые к компьютеру с помощью одного из трех типов разъемов: 5-контактный DIN, применяемый в PC-совместимых компьютерах с системными платами Baby-AT; 6-контактный mini-DIN, используемый в компьютерах PS/2 и в системных платами LPX, ATX, NLX и ITX; 4-контактный USB – в настоящее время самый распространенный интерфейс. На рис. 7 показан внешний вид и расположение контактов в разъемах типа DIN, а в табл. 1 – сигналы, подаваемые на эти контакты. Рис. 7. Разъемы клавиатуры и мыши 16 Таблица 1 Сигналы на разъемах клавиатуры Сигнал Данные с клавиатуры Общий +5 В Синхронизация клавиатуры Не соединен Не соединен Не соединен 5-контактный DIN 2 4 5 1 3 6-контактный mini-DIN 1 3 4 5 2 6 - Для подключения мыши к системной плате устанавливается 6контактный разъем mini-DIN, расположение и назначение выводов которого такое же, как и у разъема клавиатуры, но структура передаваемых данных другая. При подключении не к тому порту ни одно из устройств работать не будет. При подключении через USB возможны проблемы с работой в различных средах, т.к. стандартная BIOS поддерживает только стандартную клавиатуру, подключенную к порту клавиатуры. Поэтому для полноценной работы клавиатуры необходима поддержка на уровне BIOS. 2.1.6. Клавиатуры с дополнительными функциональными возможностями. Существуют клавиатуры, отличающиеся от стандартных дополнительными функциональными возможностями. Они могут быть как простыми (со встроенными калькулятором и часами), так и сложными (со встроенными устройствами позиционирования – манипуляторами), с особой раскладкой или формой и возможностью перепрограммирования клавиш. 2.1.7. Эргономичные клавиатуры. В последнее время изменение формы клавиатуры отразилось в различных разработках. Чаще всего предлагается разделение клавиатуры на две половины, которые располагаются под углом одна к другой (например, клавиатура серии Natural фирмы Microsoft). Некоторые разработчики предоставляют возможность регулировки этого угла. В подобных клавиатурах учитывается естественное положение рук во время набора. С одной стороны, это позволяет повысить производительность и скорость набора, а с другой – содействует профилактике таких заболеваний, как кистевой туннельный синдром (один из видов нарушения опорно-двигательного аппарата). 2.1.8. Беспроводные клавиатуры. Для минимизации количества проводов, подключаемых к компьютеру, возможно использование беспроводных клавиатур. Такая клавиатура содержит инфракрасный или радиопередатчик, а приемник с помощью кабеля подключается к стандартному разъему клавиатуры системной платы. 17 2.2. Компьютерная мышь Компьютерная мышь – одно из указательных устройств ввода, в основном применяется в графических средах. Устройством ввода мыши являются находящиеся на ней кнопки. Их количество варьируется в зависимости от типа мыши и с кнопками связано выполнение каких-либо действий (подтверждение ввода, вызов меню, «скроллинг» и т. п.). По принципу действия мыши можно разделить на оптикомеханические, оптические и лазерные. 2.2.1. Оптико-механическая мышь. Принцип работы такой мыши приведен на рис. 8. Рис. 8 . Принцип действия оптико-механической мыши Одной из основных частей оптико-механической мыши является шарик. Он контактирует с тремя валиками. Один валик отвечает за фик18 сацию перемещения «вперед – назад», другой валик – «влево – вправо». При перемещении по поверхности шарик приводит в движение валики. На осях каждого из валиков установлены диски с прорезями, которые вращаются между двух блоков, один из которых является источником света, другой – фотоэлементом, фиксирующим попадание света при вращении диска с прорезями. Порядок освещения фотоэлементов однозначно определяет направление движения мыши, а частота возникающих на выходах светодиодов импульсов – скорость. Импульсы при помощи контроллера преобразуются в совместимые с PC данные и передаются процессору. 2.2.2. Оптическая мышь. В первых оптических мышах использовался сфокусированный луч света, отражаемый от специального «коврика», на котором нанесена решетка темных линий. При перемещении на темных участкам интенсивность отражения падает и сенсор фиксирует это и отправляет данные компьютеру. Технология современных оптических мышей была разработана компанией Agilent Technologies в конце 1999 г., однако первой воплотила ее в жизнь фирма Microsoft, создав мышь под названием IntelliMouse. Для сканирования поверхности используется миниатюрная видеокамера (CMOS-датчик), которая работает со скоростью 1500 снимков в секунду. Для «подсветки» рабочей поверхности используется светодиод красного свечения. Рис. 9. Принцип работы оптической мыши С помощью светодиода и системы фокусирующих его свет линз под мышью подсвечивается участок поверхности (рис. 9). Отраженный от этой поверхности свет, в свою очередь, собирается другой линзой и попадает на приемный сенсор микросхемы (оптический сенсор) – процес19 сора обработки изображений. Этот чип делает снимки поверхности под мышью с высокой частотой, измеряемой в кГц (рис. 10). Оптический сенсор состоит из 2-х блоков: 1-й отвечает за получение снимка и называется системой получения изображения Image Acquisition System (IAS), 2-й блок – это интегрированный DSP-процессор обработки снимков. Рис. 10. Получаемое изображение с оптического сенсора На основании анализа череды последовательных снимков (представляющих собой квадратную матрицу из пикселей разной яркости) (рис. 10), интегрированный DSP-процессор высчитывает результирующие показатели, свидетельствующие о направлении перемещения мыши вдоль осей Х и Y, и передает результаты своей работы вовне по последовательному порту. Блок-схема одного из оптических сенсоров (ADNS-2610) изображена на рис. 11. Рис. 11. Структура оптического сенсора ADNS-2610 20 Микросхема состоит из нескольких блоков, а именно: 1) Image Processor – процессор обработки изображений (DSP) со встроенным приемником светового сигнала (IAS); 2) Voltage Regulator And Power Control – блок регулировки вольтажа и контроля энергопотребления (в этот блок подается питание и к нему же подсоединен дополнительный внешний фильтр напряжения); 3) Oscillator – на этот блок чипа подается внешний сигнал с задающего кварцевого генератора, частота входящего сигнала порядка пары десятков МГц; 4) Led Cоntrоl – это блок управления светодиодом, с помощью которого подсвечивается поверхность под мышью; 5) Serial Port – блок, передающий данные о направлении перемещения мыши вовне микросхемы. Всю информацию о перемещении мыши микросхема оптического сенсора передает через Serial Port в еще одну микросхему-контроллер, установленную в мыши. Эта вторая «главная» микросхема в устройстве отвечает за реакцию на нажатие кнопок мыши, вращение колеса прокрутки и т. д. Данный чип уже непосредственно передает в персональный компьютер информацию о направлении перемещения мыши, конвертируя данные, поступающие с оптического сенсора, в сигналы, передаваемые затем по интерфейсам связи в компьютер. На основании поступившей по этим интерфейсам информации через драйвер мыши компьютер перемещает курсор-указатель по экрану монитора. 2.2.3. Лазерные мыши. Принцип работы лазерных мышей аналогичен оптическим, однако вместо светодиода используется лазер, излучающий когерентный направленный луч, который отражается от рабочей поверхности без искажений (рис. 12 и 13). Тем самым сенсор получает более детальное изображение. Рис. 12. Оптическая система традиционной мыши 21 Рис. 13. Оптическая система мыши с лазером Из недостатков можно отметить плохую работу таких мышей на зеркальных и стеклянных поверхностях, так же как и у оптических мышей. По способу подключения мыши подразделяются на подключаемые: 1) к СОМ-порту; 2) к порту PS/2; 3) к шине USB. Отдельно можно отметить, что существуют беспроводные мыши, в которых в качестве среды передачи данных используется радиочастота, однако для соединения с компьютером требуется какой-либо из вышеперечисленных интерфейсов. Основной характеристикой мыши является разрешение, которое принято измерять в dpi (dot per inch – количество точек на дюйм). Если мышь имеет разрешение 1000 dpi и ее передвинуть на 1 дюйм вправо, то привод мыши получает через микроконтроллер информацию о смещении на 1000 единиц вправо. Драйвер мыши рассчитывает эту информацию и усредняет ее в зависимости от графического разрешения монитора для позиционирования курсора на экране. При этом не имеет значения, двигалась мышь быстро или медленно. 2.3. Трекбол Трекбол представляет собой "перевернутую" оптико-механическую мышь, в которой перемещение курсора осуществляется с помощью вращения шара. Это позволяет значительно повысить точность управления курсором и, кроме того, экономить место. Рис. 14. Трекбол 22 Интерфейсы подключения используются те же, что и для компьютерных мышей. 2.4. Сенсорная панель Сенсорная панель (touchpad или trackpad) – это устройство ввода, применяемое в ноутбуках, служит для перемещения курсора в зависимости от движений пальца пользователя. Используется в качестве замены компьютерной мыши (рис. 15). Сенсорные панели различаются по размерам, но обычно их площадь не превосходит 50 см 2. Рис. 15. Сенсорная панель ноутбука Работа сенсорной панели основана на измерении емкости пальца или измерении емкости между сенсорами. Емкостные сенсоры расположены вдоль вертикальной и горизонтальной осей панели, что позволяет определять положение пальца с нужной точностью. Преимуществами сенсорных панелей являются: отсутствие необходимости в ровной поверхности, как для мыши; расположение сенсорной панели, как правило, фиксировано относительно клавиатуры; для перемещения курсора на весь экран достаточно лишь небольшого перемещения пальца; работа с ними не требует особого привыкания, как, например, в случае с трекболом. Недостатком сенсорных панелей является низкое разрешение, что затрудняет работу в графических редакторах и 3D-играх. Интерфейс подключения: RS-232 (COM-порт), USB. 2.5. Джойстик Джойстик является аналоговым координатным устройством ввода информации, обеспечивает перемещение по координате Х и Y, а также может содержать ряд управляющих кнопок (рис. 16). 23 Рис. 16. Джойстик Джойстик обычно подключается к адаптеру игрового порта, расположенному на многофункциональной плате ввода-вывода (Multi I/O Card) или звуковой карте (в последнем случае разъем игрового порта совмещается с интерфейсом MIDI) или с помощью интерфейса USB. 2.6. Световое перо Световое перо работает с помощью небольшого оптического детектора, находящегося на его кончике. По ходу сканирования экрана электронным лучом инициируется импульс оптического детектора, когда пучок достигает точки экрана, над которой находится перо (рис. 17). Время возникновения этого импульса относительно сигналов горизонтальной и вертикальной синхронизации позволяет определить позицию светового пера. По своей сути световое перо является расширением видеосистемы. Рис. 17. Световое перо В качестве интерфейсов подключения используются RS-232C, USB. 2.7. Сканер Сканер - это устройство, позволяющее вводить в компьютер образы изображений, представленных в виде текста, рисунков, слайдов, фотографий или другой графической информации. 24 2.7.1. Классификация сканеров. Сканеры различают по следующим критериям: 1. По степени прозрачности вводимого оригинала изображения бывают прозрачные и непрозрачные оригиналы. К непрозрачным оригиналам относят фотографии, рисунки, страницы книг и журналов. В этом случае изображение снимается в отраженном свете. К прозрачным оригиналам можно отнести слайды, негативы, пленки. Для получения изображения необходимо обработать свет, прошедший через оригинал. 2. По кинематическому механизму сканера: – ручные сканеры – проблема ровного и равномерного перемещения сканирующей головки по соответствующему изображению возлагается на пользователя (от этого зависит качество получаемого изображения); – планшетные сканеры – сканирующая головка перемещается относительно бумаги с помощью шагового двигателя; – страничные (рулонные или протяжные) сканеры – отдельные листы документов протягиваются через устройство так, что сканирующая головка остается на месте (неприменимы для сканирования книг и журналов); – проекционные сканеры – вводимый документ кладется на поверхность сканирования изображением вверх, при этом блок сканирования также находится сверху, а перемещается только сканирующее устройство (возможно сканирование проекций трехмерных предметов). 3. По типу вводимого изображения: – черно-белые (штриховые или полутоновые); – цветные. В черно-белом сканере изображение освещается белым светом, получаемым, как правило, от флуоресцентной лампы. Отраженный свет через редуцирующую линзу попадает на светочувствительный элемент (ПЗС-линейка или ПЗС-матрица или CCD-матрица) (ПЗС – прибор с зарядовой связью). Каждая строка сканирования изображения соответствует определенным значениям напряжения на ПЗС. Эти значения напряжения преобразуются в цифровую форму через АЦП (полутоновые сканеры) или через компаратор (двухуровневые "штриховых" сканеры). Для сканирования цветных изображений существует несколько технологий. Например, в сканерах фирмы Microtek сканируемое изображение поочередно освещается красным (Red), зеленым (Green) и синим цветом (Blue), так что страница сканируется за три прохода. Похожий подход используется в сканерах Epson и Sharp, однако там смена цвета происходит для каждой строки, что позволяет избежать проблем с "выравни25 ванием" пикселей при разных проходах. В сканерах HP и Ricoh сканируемое изображение освещается источником белого света, а отраженный свет через редуцирующую линзу попадает на трехполосную ПЗСлинейку через систему специальных фильтров, разделяющих свет на три компонента: красный, синий, зеленый. Режимы сканирования: – LineArt (черно-белый режим) – каждый элемент изображения представлен 1 битом (0 или 1), как правило используется в штриховых сканерах; – Grayscale (полутоновый или градации серого) – под каждый элемент изображения отводится 8 бит, что обеспечивает уровень градаций от 0 до 255. – True Color (цветное изображение) – конечный цвет элемента изображения определяется значениями трех основных цветов – красного, зеленого и синего (Red, Green, Blue – RGB), под каждый из которых отводится 8 бит. Исходя из всего этого можно выделить следующие типы сканеров (на рис. 18 изображены некоторые из них): ручные, страничные (протяжные), барабанные, планшетные, слайд-сканеры, проекционные. Рис. 18. Сканер штрих-кодов, слайд-сканер, планшетный, рулонный 26 Ручной сканер (Handheld Scanner) – портативный сканер, в котором сканирование осуществляется путем его ручного перемещения по оригиналу. Ширина области сканирования – не более 15 см. Обычно обеспечивают ввод полутоновых изображений. К ручным сканерам также можно отнести сканеры штрих-кодов. Страничный (протяжный, листопротяжный, рулонный сканер) (Sheetfed Scanner). В таких сканерах линейка ПЗС закреплена неподвижно и мимо нее протягивается оригинал с помощью валиков. Барабанный сканер (Drum Scanner) – сканер, в котором оригинал закрепляется на вращающемся барабане, а для сканирования используются фотоэлектронные умножители. При этом сканируется точечная область изображения, а сканирующая головка движется вдоль барабана очень близко от оригинала. Планшетный сканер (Flatbet scanner) – в таких сканерах оригинал прижимается к стеклянной поверхности и с помощью шагового двигателя линейка ПЗС перемещается вдоль оригинала. Слайд-сканер (Film-scanner) – разновидность планшетного сканера, предназначенная для сканирования прозрачных материалов (слайдов, негативных фотопленок, рентгеновских снимков и т. п.). Обычно размер таких оригиналов фиксирован. Рис. 19. Проекционный сканер Проекционный сканер (overhead scanner) – в таких сканерах изменяется фокусное расстояние сканирующего элемента. Вводимый документ кладется на поверхность сканирования изображением вверх, блок сканирования находится при этом также наверху. Перемещается только сканирующее устройство (рис.19). 2.7.2. Принципы работы планшетного сканера. Планшетный сканер (Flatbed scanner) представляет собой прямоугольный пластмассовый 27 корпус с крышкой. Под крышкой находится стеклянная поверхность, на которую помещается оригинал, предназначенный для сканирования (рис. 20). Рис. 20. Схема устройства и работы планшетного сканера на основе ПЗС (CCD) В сканере имеется подвижная каретка, на которой установлены лампа подсветки и система зеркал. Каретка перемещается посредством так называемого шагового двигателя. Свет лампы отражается от оригинала и через систему зеркал и фокусирующих линз попадает на так называемую матрицу, состоящую из датчиков, вырабатывающих электрические сигналы, величина которых определяется интенсивностью падающего на них света. Эти датчики основаны на светочувствительных элементах, называемых приборами с зарядовой связью (ПЗС, Couple Charged Device – CCD). На поверхности ПЗС образуется электрический заряд, пропорциональный интенсивности падающего света. Далее нужно только 28 преобразовать величину этого заряда в другую электрическую величину – напряжение. Несколько ПЗС располагаются рядом на одной линейке. Электрический сигнал на выходе ПЗС является аналоговой величиной (т. е. ее изменение аналогично изменению входной величины – интенсивности света). Далее происходит преобразование аналогового сигнала в цифровую форму с последующей обработкой и передачей в компьютер для дальнейшего использования. Эту функцию выполняет специальное устройство, называемое аналого-цифровым преобразователем (АЦП, Analog-to-digital Converter – ADC). Таким образом, на каждом шаге перемещения каретки сканер считывает одну горизонтальную полоску оригинала, разбитую на дискретные элементы (пикселы), количество которых равно количеству ПЗС на линейке. Все отсканированное изображение состоит из нескольких таких полос. В цветных сканерах сейчас используются, как правило, трехрядная матрица ПЗС и подсветка оригинала калиброванным белым светом. Каждый ряд матрицы предназначен для восприятия одной из базовых цветовых составляющих света (красной, зеленой и синей). Чтобы разделить цвета, используют либо призму, разлагающую луч белого света на цветные составляющие, либо специальное фильтрующее покрытие ПЗС. Однако существуют цветные сканеры и с однорядной матрицей ПЗС, в которых оригинал по очереди подсвечивается тремя лампами базовых цветов. Кроме CCD-сканеров, основанных на матрице ПЗС, имеются CISсканеры (Contact Image Sensor), в которых применяется фотоэлементная технология. Светочувствительные матрицы, выполненные по этой технологии, воспринимают отраженный оригиналом свет непосредственно через стекло сканера без использования оптических систем фокусировки. Это позволило уменьшить размеры и вес планшетных сканеров более чем в два раза (до 3–4 кг). Однако такие сканеры хороши только для исключительно плоских оригиналов, плотно прилегающих к стеклянной поверхности рабочего поля. Планшетные сканеры могут быть снабжены дополнительными устройствами, такими как слайд-адаптер, автоподатчик оригиналов и др. Слайд-адаптер (Transparency Media Adapter, TMA) – специальная приставка, позволяющая сканировать прозрачные оригиналы. Сканирование прозрачных материалов происходит с помощью проходящего, а не отраженного света. Иначе говоря, прозрачный оригинал должен находиться между источником света и светочувствительными элементами. Слайд-адаптер представляет собой навесной модуль, снабженный лампой, которая движется синхронно с кареткой сканера. Иногда просто равномерно освещают некоторый участок рабочего поля, чтобы не пере29 мещать лампу. Таким образом, главная цель применения слайд-адаптера заключается в изменении положения источника света. Автоподатчик – устройство, подающее оригиналы в сканер, как правило, используется при сканировании текстов и чертежей. 2.7.3. Характеристики оптико-электронной системы сканера. У сканеров можно выделить следующие основные характеристики. 2.7.3.1. Разрешение (Resolution) или разрешающая способность сканера – параметр, характеризующий максимальную точность или степень детальности представления оригинала в цифровом виде. Разрешение измеряется в пикселах на дюйм (pixels per inch, ppi). Нередко разрешение указывают в точках на дюйм (dpi). Различают аппаратное (оптическое) и интерполяционное разрешение сканера. Аппаратное (оптическое) разрешение (Hardware/optical Resolution) непосредственно связано с плотностью размещения светочувствительных элементов в матрице сканера. Обычно указывается разрешение по горизонтали и вертикали, например, 300 × 600 ppi. Следует ориентироваться на меньшую величину, т. е. на горизонтальное разрешение. Вертикальное разрешение, которое обычно вдвое больше горизонтального, получается в конечном счете интерполяцией (обработкой результатов непосредственного сканирования) и напрямую не связано с плотностью чувствительных элементов. Интерполяционное разрешение (Interpolated Resolution) – разрешение изображения, полученного в результате программной обработки (интерполяции) отсканированного оригинала. Такая операция выполняется либо драйвером сканера, либо графическими редакторами. Интерполяционное разрешение, как правило, в несколько раз больше аппаратного. В техническом паспорте сканера иногда указывается просто разрешение. В этом случае имеется в виду аппаратное (оптическое) разрешение. Нередко указывается и аппаратное, и интерполяционное разрешение, например, 600 × 1200 (9600) ppi. Здесь 600 – аппаратное разрешение, а 9600 – интерполяционное. 2.7.3.2. Различимость линий (Line detectability) – максимальное количество параллельных линий на дюйм, которые воспроизводятся с помощью сканера как раздельные линии (без слипаний). Этот параметр характеризует пригодность сканера для работы с чертежами и другими изображениями, содержащими много мелких деталей. Его значение измеряется в линиях на дюйм (lines per inch, lpi). Разрешение сканера – это максимальное разрешение, которое можно установить при сканировании. В зависимости от того, какие изображения 30 необходимо сканировать, а также на какие устройства в дальнейшем будет эта информация выводиться. 2.7.3.3. Глубина цвета определяется количеством цветов, которые могут быть переданы (представлены), или количеством разрядов (битов) цифрового кода, содержащим описание цвета одного пиксела: Количество цветов = 2Количество бит 2.7.3.4. Разрядность. В сканере электрический аналоговый сигнал с матрицы светочувствительных элементов преобразуется в цифровой посредством АЦП. Цифровой сигнал, несущий информацию о цвете пикселов, характеризуется разрядностью, т. е. количеством двоичных разрядов (битов), которыми кодируется информация о цвете каждого пиксела. АЦП и качество светочувствительных элементов сканера определяют глубину цвета, которую он может обеспечить. В настоящее время все цветные планшетные сканеры для широкого применения обеспечивают как минимум 24-битную глубину цвета (8 бит на каждую из трех базовых составляющих цвета). В пересчете на количество цветов это 224 = 16 777 216, чего вполне достаточно. В то же время существуют сканеры с 30битным и 36-битным представлением цвета (10 и 12 бит соответственно на каждую составляющую). Реально работа происходит с 24-битным цветом, но при большей разрядности АЦП, имея избыточную информацию, можно производить цветовую коррекцию изображения в большем диапазоне без потери качества. Сканеры, имеющие большую глубину цвета (разрядность), позволяют сохранить больше оттенков и градаций цвета в темных тонах. Кроме того, младшие разряды выходного кода АЦП обычно флуктуируют (содержат ошибки преобразования). Чем большую разрядность имеет АЦП, тем меньше влияние ошибок преобразования на конечный результат. 2.7.3.5. Оптическая плотность. Понятие оптической плотности (Optical Density) относится прежде всего к сканируемому оригиналу. Этот параметр характеризует способность оригинала поглощать свет; он обозначается как D или OD. Оптическая плотность вычисляется как десятичный логарифм отношения интенсивностей падающего и отраженного (в случае непрозрачных оригиналов) или проходящего (в случае прозрачных оригиналов) света. Минимальная оптическая плотность (Dmin) соответствует самому светлому (прозрачному) участку оригинала, а максимальная плотность (Dmax) соответствует самому темному (наименее прозрачному) участку. Диапазон возможных значений оптической плотности заключен между 0 (идеально белый или абсолютно прозрачный оригинал) и 4 (черный или абсолютно непрозрачный оригинал). Например оптическая плотность изображений на газетной бумаге составляет 0,9, негативные пленки – 2,8, слайды – 3,0–4,0. 31 2.7.3.6. Динамический диапазон сканера определяется максимальным и минимальным значениями оптической плотности и характеризует его способность работать с различными типами оригиналов. Динамический диапазон сканера связан с его разрядностью (битовой глубиной цвета): чем выше разрядность, тем больше динамический диапазон и наоборот. Типовое значение оптической плотности для 24-битных планшетных сканеров приблизительно равно 2,5. Для 30-битного сканера этот параметр равен 2,6–3,0, а для 36-битного – от 3,0 и выше. 2.7.3.7. Область высокого разрешения. Некоторые планшетные сканеры могут использовать дополнительный объектив с большой степенью увеличения. Для этого случая в техническом паспорте указываются размеры части области рабочего поля сканера, в которой может осуществляться сканирование с повышенным в несколько раз разрешением. Эта область высокого разрешения (High Resolution Area, HRA) обычно намного меньше рабочего поля. 2.7.4. Способы подключения сканера. В некоторых типах сканеров используются собственные интерфейсные платы, обеспечивающие более высокую пропускную способность по сравнению со стандартными интерфейсами, например IEEE-1284 (LPT-порт). Также используются сканеры со SCSI-интерфейсом и комплектующиеся упрощенной модификацией SCSI-платы, подключаемой к внутренней шине компьютера, например PCI. В современных сканерах используются высокоскоростные шины: USB, IEEE-1394 (FireWire). Для унифицирования прикладного программного интерфейса драйвера сканера (а также цифровых камер) в 1992 г. компаниями «Aldus», «Caere», «Eastman Kodak», «Hewlett Packard» и «Logitech» была разработана спецификация TWAIN. TWAIN – индустриальный стандарт интерфейса программного обеспечения для передачи изображений из различных устройств в Windows и Macintosh. 2.8. Графический планшет Графический планшет (или дигитайзер, от англ. digitizer) – это устройство для ввода рисунков от руки непосредственно в компьютер. Состоит из пера и плоского планшета, чувствительного к нажатию или близости пера (рис. 21). Основной рабочей частью планшета является сеть из проводов (или печатных проводников). Эта сетка имеет достаточно большой шаг (3–6 мм), но механизм регистрации положения пера позволяет получить шаг считывания информации намного меньше шага сетки (до 100 линий на мм). 32 Рис. 21. Графический планшет По принципу работы и технологии есть разные типы планшетов. В электростатических планшетах регистрируется локальное изменение электрического потенциала сетки под пером. В электромагнитных перо излучает электромагнитные волны, а сетка служит приёмником. В обоих случаях на перо должно быть подано питание. Также есть планшеты, в которых нажим пера улавливается за счёт пьезоэлектрического эффекта. При нажатии пера в пределах рабочей поверхности планшета, под которой проложена сетка из тончайших проводников, на пластине пьезоэлектрика возникает разность потенциалов, что позволяет определять координаты нужной точки. Кроме координат пера в современных графических планшетах также могут определяться давление пера на рабочую поверхность, наклон, направление и сила сжатия пера рукой. Также в комплекте графических планшетов совместно с пером может поставляться мышь, которая, однако, работает не как обычная компьютерная мышь, а как особый вид пера. Такая мышь может работать только на планшете. Поскольку разрешение планшета гораздо выше, чем разрешение обычной компьютерной мыши, то использование связки мышь + планшет позволяет достичь значительно более высокой точности при вводе. 2.8.1. Основные характеристики графических планшетов 1. Рабочая площадь обычно приравнивается к одному из стандартных бумажных форматов (А7-А0). 2. Разрешением планшета называется шаг считывания информации. Разрешение измеряется числом точек на дюйм (dpi). Типичные значения разрешения для современных планшетов составляет несколько тысяч dpi. 3. Число степеней свободы описывает число квазинепрерывных характеристик взаимного положения планшета и пера. Минимальное число степеней свободы – 2 (X и Y – положения проекции чувствительного центра пера), дополнительные степени свободы могут включать давление, наклон пера относительно плоскости планшета. 33 2.9. Веб-камера Веб-камера (также вебкамера) – цифровая фотокамера, способная в реальном времени фиксировать изображения, предназначенные для дальнейшей передачи по сети Интернет (рис. 22). Рис. 22. Веб-камера Веб-камеры, доставляющие изображения через Интернет, закачивают изображения на веб-сервер либо по запросу, либо непрерывно, либо через регулярные промежутки времени. Это достигается подключением камеры к компьютеру или благодаря возможностям самой камеры. Некоторые современные модели обладают аппаратным и программным обеспечением, которое позволяет камере самостоятельно работать в качестве веб-сервера, FTP-сервера, FTP-клиента и (или) отсылать e-mail. 2.9.1. Устройство и принцип работы веб-камеры. Современная веб-камера представляет собой цифровое устройство, производящее видеосъемку, преобразование аналогового видеосигнала в цифровой, сжатие цифрового видеосигнала и передачу видеоизображения по компьютерной сети. В состав веб-камеры входят следующие компоненты (рис. 23): ПЗС-матрица, объектив, оптический фильтр, плата видеозахвата, блок компрессии (сжатия) видеоизображения, центральный процессор и встроенный веб-сервер, ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), флэш-память, сетевой интерфейс, последовательные порты, тревожные входы/выходы. В качестве фотоприемника в большинстве веб-камер применяется ПЗС-матрица (ПЗС, CCD – прибор с зарядовой связью) – прямоугольная светочувствительная полупроводниковая пластинка с отношением сторон 3:4, которая преобразует падающий на нее свет в электрический сигнал. Для того чтобы повысить световую чувствительность ПЗС-матрицы, нередко формируют структуру, которая создает микролинзу перед каждой из ячеек. В технических параметрах веб-камеры обычно указывают фор34 мат ПЗС-матрицы (длина диагонали матрицы в дюймах), число эффективных пикселей, тип развертки (построчная или чересстрочная) и чувствительность. Рис. 23. Устройство веб-камеры Объектив – это линзовая система, предназначенная для проецирования изображения объекта наблюдения на светочувствительный элемент веб-камеры. Объективы характеризуются рядом важнейших параметров, таких как фокусное расстояние, относительное отверстие (F), глубина резкости, тип крепления (C, CS), формат. Оптические инфракрасные отсекающие фильтры, которые устанавливают в веб-камеры, представляют собой оптически точные плоскопараллельные пластинки, монтируемые сверху ПЗС-матрицы. Они работают как оптические низкочастотные фильтры с частотой среза около 700 нм, вблизи красного цвета. Они отсекают инфракрасную составляющую световых волн, обеспечивая веб-камере правильную цветопередачу. Однако на многие черно-белые веб-камеры такие фильтры не устанавливают, благодаря чему монохромные веб-камеры имеют более высокую чувствительность. Плата видеозахвата веб-камеры (блок оцифровки) осуществляет преобразование аналогового электрического сигнала, сформированного ПЗС-матрицей, в цифровой формат. Блок компрессии веб-камеры выполняет сжатие оцифрованного видеосигнала в один из форматов сжатия (JPEG, MJPEG, MPEG-1/2/4, Wavelet). Благодаря сжатию, сокращается размер видеокадра. Это необходимо для хранения и передачи видеоизображения по сети. Сжатие видеоизображения в веб-камере может быть представлено как аппаратно, так и программно. В случае использования аппаратного сжатия веб-камера должна содержать специальный процессор компрессии. Программные алгоритмы сжатия позволяют уменьшить стоимость веб-камеры, однако ее использование малоэффективно, если планируется ее использование в режиме online. 35 Центральный процессор является вычислительным ядром вебкамеры. Он осуществляет операции по выводу оцифрованного и сжатого видеоизображения, а также отвечает за выполнение функций встроенного веб-сервера и управляющей программы для веб-камер. Интерфейс для Ethernet служит для подключения веб-камеры к сети стандарта Ethernet 10/100 Мбит/с. Для работы в сети веб-камера может иметь последовательный порт для подключения модема и работы в режиме dial-up при отсутствии локальной сети. Через последовательный порт можно также подключать к веб-камере периферийное оборудование. Карта флэш-памяти позволяет обновлять управляющие программы веб-камеры и хранить пользовательские HTML-страницы. ОЗУ служит для хранения временных данных, которые генерируются при выполнении управляющих программ и пользовательских скриптов. Многие интернет-камеры имеют так называемый видеобуфер. Это часть ОЗУ, зарезервированная для записи и временного хранения снятых веб-камерой видеокадров. Информация в видеобуфере обновляется циклически, т. е. новый кадр записывается вместо самого старого. Эта функция необходима, если веб-камера выполняет охранное видеонаблюдение, поскольку позволяет восстанавливать события, предшествующие и следующие за сигналом тревоги с подключенных к веб-камере охранных датчиков. Тревожные входы/выходы служат для подключения к веб-камере датчиков тревоги. При срабатывании одного из датчиков генерируется сигнал тревоги, в результате чего процессор веб-камеры компонует набор кадров, записанных в видеобуфер до, после и в момент поступления сигнала тревоги. Этот набор кадров может отсылаться на заданный e-mail адрес или по FTP. Наиболее распространенные недорогие веб-камеры, подключаемые к ЭВМ через интерфейс USB, содержат в своем составе только минимальный набор функциональных блоков: объектив, ПЗС-матрицу, блок оцифровки и контроллер USB. Все остальные функции (сжатие, передача данных в локальную сеть) выполняются за счет центрального процессора ЭВМ. 36 3. УСТРОЙСТВА ВЫВОДА Устройства вывода информации подразделяются на: – устройства вывода графической информации; – устройства вывода звуковой информации (колонки, наушники). Последние подключаются к аналоговым выходам звуковой карты. 3.1. Монитор Монитор (дисплей) – устройство визуализации текстовой или графической информации без ее долговременной фиксации. Мониторы можно классифицировать: 1. По типу отображаемой информации: – алфавитно-цифровые (в настоящее время в ЭВМ не используются); – графические. 2. По способу формирования изображения графические дисплеи подразделяют на два вида: – векторные (в персональных ЭВМ не используются); – растровые. В векторном дисплее изображение строится из элементарных отрезков векторов (в случае ЭЛТ – электронный луч непрерывно "вырисовывает" контур изображения, собирая его из этих векторов). В растровых дисплеях изображение получают с помощью матрицы точек (в случае ЭЛТ – электронные лучи пробегают по строкам экрана, подсвечивая требуемые точки своим цветом). Наиболее широкое распространение получили мониторы на базе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ или CRT – Cathode Ray Tube) и на основе жидких кристаллов (ЖК или LCD – Liquid Crystal Display). 3.1.1. Устройство ЭЛТ-мониторов. В мониторах на основе ЭЛТ происходит преобразование энергии луча электронов в энергию видимого света. Рис. 24. Устройство монитора на ЭЛТ 37 Такой монитор состоит из следующих элементов (рис. 24): – электронной пушки, обеспечивающей формирование электронного луча; – экрана, на котором расположен люмирофор (вещество, при попадании на которое электронов, происходит его свечение); – отклоняющей системы, которая управляет потоком лучей для формирования изображения на экране. Она отклоняет поток электронов в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Путь электронного луча на экране схематично представлен на рис. 25. Сплошные линии – это активный ход луча, пунктир – обратный. Рис. 25. Ход луча на экране Частота перехода на новую линию называется частотой горизонтальной (или строчной) развертки. Частота перехода из нижнего правого угла в левый верхний называется частотой вертикальной (или кадровой) развертки. Чем выше частоты, тем быстрее происходит вывод изображения. В цветных мониторах используется три цветовых пушки: красная (red), зеленая (green), синяя (blue). Для точного позиционирования электронов каждой пушки на соответствующий цвету люминофор между экраном и устанавливается специальная решетка – маска. Существует два основных типа масок: 1. Теневая маска – металлический экран с отверстиями, через которые должны проходить лучи и попадать на люминофор (рис. 26). 2. Щелевая или гнездовая маска – люминофор наносится на экран не в виде точек, а в виде вертикальных чередующихся полосок (пунктиром) таким образом, чтобы одному щелевидному отверстию соответствовала своя RGB-триада (рис. 27). 3. Апертурная решетка, состоящая из большого количества проволок, натянутых вертикально (рис. 28). Обеспечивает лучшую фокусировку по сравнению с теневой маской. 38 Рис. 26. Теневая маска Рис. 27. Щелевая маска Рис. 28. Апертурная решетка 3.1.2. Устройство ЖК-мониторов. Работа ЖК-мониторов основана на свойстве некоторых веществ проявлять анизотропию в текучем ("жидком") состоянии. Первый ЖК-монитор был продемонстрирован американской фирмой RCA в 1966 году. Для изготовления ЖК-мониторов используют так называемые нематические кристаллы, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. В отсутствии электрического поля молекулы этого вещества образуют скрученные спирали (обычно 90º). В результате такой ориентации молекул плоскость поляризации проходящего света поворачивается. Если же к прозрачным электродам приложено напряжение, спираль молекул распрямляется (они ориентируются вдоль поля), при этом поворота плоскости поляризации проходящего света не происходит (TN-матрица, Twisted Nematic). Используя подходящим образом ориентированный пленочный поляризатор, 39 можно добиться, чтобы в первом случае ЖК-элемент пропускал проходящий свет, а во втором – нет (рис. 29). Рис. 29. Устройство ЖК-монитора Для адресации ЖК-элементов можно использовать два метода: прямой (пассивный) и косвенный (активный). При прямой адресации элементов каждая выбираемая точка изображения активируется подачей напряжения на соответствующий проводник-электрод для строки (общий для целой строки) и на проводник-электрод для столбца (общий для всего столбца). Множество ЖК-элементов образуют матрицу. Матрицы с пассивным управлением ("пассивные матрицы") имеют недостаточный контраст изображения, т. к. электрическое поле возникает не только в точке пересечения адресных проводников, но и на всем пути распространения тока. Эта проблема решается при использовании так называемых активных матриц, когда каждой точкой изображения управляет свой независимый электронный переключатель (как правило, TFT – Thin film transistor – тонкоплёночный транзистор). В настоящее время распространены три технологии изготовления ЖК-мониторов: TN+film, IPS и *VA (MVA/PVA). Они различаются геометрией поверхности, полимера, управляющей пластины. Все это влияет на качество изображения, время отклика (насколько быстро сменяются состояния ЖК-элемента) и углы обзора. Наиболее «быстрыми» (минимальное время отклика) считаются ЖКмониторы, построенные на матрицах TN+film. К недостаткам можно отнести невысокие углы обзора до 1600 и худшую цветопередачу. В ЖК-мониторах с матрицами IPS (In-Plane Switching) увеличены углы обзора до 1700, обеспечивается высокая контрастность и цветопередача, однако они имеют невысокое время отклика. В последних модификациях (S-IPS) уменьшено время отклика. 40 Мониторы с VA-матрицами (Vertical Alignment) имеют достаточно высокий угол обзора (до 1780), за счет использования технологий ускорения имеют небольшое время отклика и по сравнению с мониторами на матрицах TN+film имеют лучшую цветопередачу. 3.1.3. Основные параметры мониторов. К основным параметрам можно отнести: – Размер экрана – это размер по диагонали от одного угла экрана до другого, обычно указывается в дюймах (или сантиметрах). Как правило, для ЖК-мониторов паспортный размер соответствует видимому, для ЭЛТ-мониторов видимый размер всегда меньше. Например, для ЭЛТмониторов с диагональю 17” видимая область обычно составляет 16”. – Шаг маски является показателем качества изображения. Это расстояние между двумя соседними элементами люминофора одного цвета. Обычно равно 0,2–0,25мм. – Разрешение экрана (разрешающая способность) означает плотность отображаемого на экране изображения. Она определяется количеством точек или элементов изображения (пикселов – dot) вдоль одной строки и количеством горизонтальных строк. ЖК-мониторы имеют фиксированное разрешение, т. к. число ЖК-элементов (пикселей) должно точно соответствовать номинальному разрешению. В ЭЛТ-мониторах луч может попадать между люминофором, тем самым, выводя изображение с большим разрешением, однако оно будет мелким. Размер экрана и шаг маски определяют физическое разрешение экрана. – Соотношение сторон экрана – отношение ширины к высоте. Наиболее распространенные ЭЛТ-мониторы имеют соотношение 4:3, в ЖК-мониторах используются соотношения 4:3, 16:10, 16:9. – Яркость – количество света, излучаемое монитором. Измеряется в канделах на квадратный метр, чем выше значение, тем лучше. – Контрастность – отношение яркостей самой светлой и самой темной точек. – Равномерность – постоянство уровня яркости по всей поверхности экрана монитора. В основном используется критерий «равномерность белого». Наиболее важными параметрами для монитора являются: частота кадровой развертки, частота строчной развертки и полоса пропускания видеосигнала. Частота кадровой развертки во многом определяет устойчивость изображения (отсутствие мерцаний), типичное значение 60–160 Гц. Частота строчной развертки и полоса пропускания влияют на максимальное разрешение монитора. Типичное значение частоты строчной развертки – 60–80 кГц (отражает количество строк, которое монитор может воспроизвести за одну секунду). Полоса видеосигнала определяется произведением разрешения по горизонтали с учетом обратного хода на 41 частоту строчной развертки (отражает число точек в строке, которое монитор может воспроизвести за одну секунду). Также можно выделить параметры, характерные только для конкретного типа мониторов. Для ЭЛТ-мониторов это: – Тип используемой маски – апертурная, щелевая, теневая. – Сведение – это способность трех электронных пушек основных цветов попадать в точно заданное место на экране. Термин «несведение лучей» означает отклонение красного и синего от центрирующего зеленого. – Динамическая фокусировка. Если не предприняты специальные меры, электронный луч расфокусируется (увеличивается в диаметре) по мере своего удаления от центра экрана. Для компенсации искажения формируется специальный компенсирующий сигнал. Величина компенсирующего сигнала зависит от свойств ЭЛТ и ее отклоняющей системы. Чтобы устранить смещение фокуса, вызванное различием в путях пробега луча (расстоянии) от электронно-лучевой пушки до центра и до краев экрана, требуется с помощью высоковольтного трансформатора увеличивать напряжение в соответствии с ростом отклонения луча от центра. Для ЖК-мониторов можно выделить: – Тип используемой матрицы – TN, IPS,*VA. – Время отклика – время, за которое транзистор успевает переключиться из одного состояния в другое (изменение яркости пиксела). Чем ниже это время, тем более динамичные сцены можно просматривать на ЖК-мониторах, оптимальным считается время отклика 25 мс и менее. – Угол обзора. Максимальный угол обзора определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения уменьшается в 10 раз. В силу специфики работы ЖК-мониторов пропускание света через поляризационные фильтры и типа используемой матрицы углы обзора у ЖКмониторов могут быть различные. Чем выше значения горизонтальных и вертикальных углов обзора, тем лучше. – Количество отображаемых цветов – в первых ЖК-мониторах использовались матрицы с 18-битным цветом, современные передают 24битный цвет (по 8 бит на канал). При подключении мониторов к видеокарте используются в основном два типа разъемов: разъем DB-15 с аналоговым видеосигналом и опционально с цифровым интерфейсом DDC4 и интерфейс DVI (Digital Visual Interface), позволяющий передавать как аналоговый видеосигнал, так и цифровой. В последнее время для подключения мониторов с высоким разрешением (выше 1920 × 1080), применяются цифровые интерфейсы HDMI и DisplayPort. 42 3.2. Принтеры Принтеры (печатающие устройства) предназначены для вывода алфавитно-цифровой (текстовой) и графической информации на бумагу или подобный ей носитель. Принтеры классифицируют по следующим критериям: 1. По способу печати: – последовательные – печатный документ формируется символ за символом; – строчные – при печати устройство формирует сразу всю строку целиком; – страничные – на бумагу наносится изображение сразу всей страницы. 2. По технологии печати (рис. 30 и 31): – ударные – матричные или литерные, в которых для переноса красящего вещества используется механический удар; – безударные – струйные, лазерные, термические, сублимационные и термовосковые. Рис. 30. Классификация принтеров по технологии печати а) матричный принтер б) струйный принтер Рис. 31. Принтеры 43 в) лазерный принтер г) сублимационный Продолжение рис. 31. Принтеры 3.2.1. Литерные принтеры. Принцип работы похож на работу печатающей машинки. В литерных принтерах имеется определенный алфавит (литеры) и при ударе их через красящую ленту на бумаге оставался отпечаток соответствующей литеры – буква или знаки препинания. Такие принтеры способны обеспечить высокую скорость печати, однако они не способны выводить графическое изображение. 3.2.2. Матричные принтеры. В них печатающая головка из 9, 18 или 24 игл, приводимых в движение электромагнитами, крепится к каретке и перемещается вместе с ней по направляющим параллельно бумаге вдоль печатаемой строки. Часть игл матрицы приводится в движение, и они "ударяют" по красящей ленте, находящейся между головкой и бумагой, формируя таким образом след из маленьких точек (рис. 32). Рис. 32. Матрица для буквы "К" в зависимости от количества иголок в головке принтера и режима печати К недостаткам этих принтеров относят низкую скорость печати и высокий уровень шума при работе. Достоинством же является то, что они оставляют оттиски букв на бумаге, а это важно при составлении финансовых или официальных документов, есть возможность изготовлять одновременно несколько копий (до 5шт.). Следует отметить, что у этой технологии печати в общем случае нежесткие требования к качеству бумаги. 44 3.2.3. Струйные принтеры. У них, так же как и у матричных принтеров, головка движется в горизонтальной плоскости над бумагой. Печатающая головка содержит сопла, через которые подаются чернила. У разных моделей количество сопел может варьироваться от 12 до 300. Струйная технология является одним из основных видов получения высококачественной цветной печати. При печати на принтере цветное изображение формируется наложением друг на друга изображений трех основных типографских цветов: голубого (cyan), пурпурного (magenta) и желтого (yellow) – CMY. При такой печати на бумаге очень трудно получить насыщенный черный цвет, поэтому в качестве четвертого цвета добавляют еще и черный (black), и такую цветовую модель называют CMYK. В современных фотопринтерах количество используемых цветов при печати может достигать 6–7. Струйная технология печати порождает и ряд проблем, среди которых основной является проблема предотвращения засыхания чернил в соплах и одновременно с этим обеспечения быстрого их высыхания при попадании на бумагу. Она решается либо путем погружения сопел в резервуар с красителем, либо автоматизацией очистки сопел, либо благодаря использованию красителя, расплавляющегося при нагревании и затвердевающего при остывании. Для его реализации достаточно подогреть сопла и, возможно, резервуар с красителем. Хранение чернил осуществляется двумя методами: – головка принтера является составной частью патрона с чернилами, замена патрона с чернилами одновременно связана с заменой головки; – используется отдельный сменный резервуар, который через систему капилляров обеспечивает чернилами головку принтера. Фирмы-изготовители реализуют различные способы нанесения чернил на бумагу: – пьезоэлектрический метод; – метод газовых пузырей (bubblejet); – метод drop-on-demand. 3.2.3.1. Пьезоэлектрический метод. Для реализации этого метода в каждое сопло установлен плоский пьезокристалл, связанный с диафрагмой. Под воздействием электрического поля происходит деформация пьезоэлемента. При печати находящийся в трубке пьезоэлемент, сжимая и разжимая трубку, наполняет капиллярную систему чернилами. Чернила, которые отжимаются назад, перетекают обратно в резервуар, а чернила, которые "выдавились" наружу, оставляют на бумаге точку (рис. 33). Подобные устройства выпускают компании «Epson», «Brother» и др. 45 Рис. 33. Подача чернил через сопло с пьезоэлементом Учитывая, что пьезоэлектрические элементы достаточно дорогие в производстве, в принтерах с таким методом печати используется несменная печающая головка, а краска подается из сменного резервуара. 3.2.3.2. Метод газовых пузырей. Способ базируется на термическом методе и больше известен под названием Bubblejet (инжектируемые пузырьки). При использовании этого метода каждое сопло оборудовано нагревательным элементом, который при пропускании через него тока за несколько микросекунд нагревается до температуры около 500°С. Возникающие при резком нагревании газовые пузыри (bubbles) стараются вытолкнуть через выходное отверстие сопла необходимую порцию (каплю) жидких чернил, которые переносятся на бумагу. При отключении тока нагревательный элемент остывает, паровой пузырь уменьшается и через входное отверстие поступает новая порция чернил (рис. 34). Подобную технологию использует фирма «Canon». Благодаря тому, что в механизмах печати, реализованных с использованием метода газовых пузырей, меньше конструктивных элементов, такие принтеры надежнее в работе и срок их эксплуатации более продолжителен. Кроме того, использование этой технологии позволяет добиться наиболее высокой разрешающей способности принтеров. Рис. 34. Подача чернил по методу газовых пузырей 3.2.3.3. Метод drop-on-demand. Метод, разработанный фирмой «Hewlett-Packard» (HP). Так же, как и в методе газовых пузырей, здесь для подачи чернил из резервуара на бумагу используется нагревательный элемент. Однако при этом дополнительно применяется специальный механизм, отличный от метода газовых пузырей (рис. 35). 46 Рис. 35. Подача чернил по методу drop-on-demand Технология drop-on-demand обеспечивает наиболее быстрый впрыск чернил, что позволяет существенно повысить качество и скорость печати. Цветовое представление изображения в этом случае более контрастно. В зависимости от режима печати скорость работы струйных принтеров может варьироваться от нескольких минут на 1 лист формата A4 (фотографическая печать) и до 30 страниц в минуту (черновой черно-белый режим печати). Также они имеют низкий уровень шума при работе, но как правило требуют использование высококачественной бумаги. Расходные материалы для технологий струйной печати являются самыми дорогими, по сравнению с принтерами других технологий печати. 3.2.4. Лазерные принтеры. Доминирующими для лазерных принтеров являются электрофотографическая и светодиодная (LED, Light Emitting Diode) технологии печати. Электрофотографическая технология подобна применяемой в копировальных аппаратах. В светодиодной технологии в качестве оптического устройства, формирующего изображение, используются светодиоды (исторически светодиодные принтеры относятся к классу лазерных). Светодиодная технология, как правило, находит применение в широкоформатных принтерах (до 36 дюймов). Электрофотографическая технология обычно применяется в настольных и офисных лазерных принтерах. 3.2.4.1. Принцип действия лазерного принтера. Лазерные принтеры используют технологию фотокопирования, называемую еще электрофотографической, которая заключается в точном позиционировании точки на странице посредством изменения электрического заряда на специальной пленке из фотопроводящего полупроводника. Подобная технология печати применяется в ксероксах. Принтеры фирмы «HP», например, используют механизм печати ксероксов фирмы «Canon». Важнейшим конструктивным элементом лазерного принтера является вращающийся фотобарабан, с помощью которого производится перенос изображения на бумагу. Фотобарабан представляет собой металлический цилиндр, покрытый тонкой пленкой из фотопроводящего полупро47 водника (обычно оксид цинка). По поверхности барабана равномерно распределяется статический заряд с помощью тонкой проволоки или сетки, называемой коронирующим проводом. На этот провод подается высокое напряжение, вызывающее возникновение вокруг него светящейся ионизированной области, называемой короной. Лазер, управляемый микроконтроллером, генерирует тонкий световой луч, отражающийся от вращающегося зеркала. Этот луч, попадая на фотобарабан, засвечивает на нем элементарные площадки (точки), и в результате фотоэлектрического эффекта в этих точках изменяется электрический заряд. Для некоторых типов принтеров потенциал поверхности барабана уменьшается от -900 до -200 В. Таким образом, на фотобарабане возникает копия изображения в виде потенциального рельефа (рис. 36). Рис. 36. Функциональная схема лазерного принтера. На следующем рабочем шаге с помощью другого барабана, называемого девелопером (developer), на фотобарабан наносится тонер – мельчайшая красящая пыль. Под действием статического заряда мелкие частицы тонера легко притягиваются к поверхности барабана в точках, подвергшихся экспозиции, и формируют на нем изображение (рис. 37). Лист бумаги из подающего лотка с помощью системы валиков перемещается к барабану. Затем листу сообщается статический заряд, противоположный по знаку заряду засвеченных точек на барабане. При соприкосновении бумаги с барабаном частички тонера с барабана переносятся (притягиваются) на бумагу. Для фиксации тонера на бумаге листу вновь сообщается заряд и пропускается между двумя роликами, нагревающими его до температуры около 180–200 °С. После собственно процесса печати барабан полностью разряжается, очищается от прилипших частиц тонера и готов для нового 48 цикла печати. Описанная последовательность действий происходит очень быстро и обеспечивает высокое качество печати. Рис. 37. Создание копии изображения на фотобарабане 3.2.4.2. Цветная печать. При печати на цветном лазерном принтере используются две технологии: – В первой технологии на фотобарабане последовательно для каждого отдельного цвета (Cyan, Magenta, Yellow, Black) формировалось соответствующее изображение и лист печатался за четыре прохода. Такой подход достаточно медленный. – В современных моделях цветных лазерных принтеров в результате 4-х последовательных прогонов на фотобарабан наносится тонер каждого из 4-х цветов. Затем при соприкосновении бумаги с барабаном на нее наносятся все 4-е краски одновременно, образуя нужные цветовые сочетания на отпечатке. В результате достигается более ровная передача цветовых оттенков (рис. 38). Рис. 38. Схема реализации метода получения изображений "прямо на барабан" 3.2.4.3. Светодиодные принтеры. Они также относятся к лазерным принтерам, однако в них для засвечивания барабана вместо лазерного луча, управляемого с помощью системы зеркал, используется неподвижная светодиодная строка (линейка), состоящая из 2500 светодиодов, которой 49 формируется не каждая точка изображения, а целая строка. Подобный подход позволил уменьшить стоимость лазерных принтеров. На этом принципе печати основаны лазерные принтеры фирмы «OKI». 3.2.5. Термические принтеры. Технология термических принтеров основана на использовании механизма печати факсимильных аппаратов. Печатающая головка термического принтера конструктивно похожа на аналогичный узел матричного принтера – используются иголки. Для таких принтеров необходима бумага со специальным термочувствительным покрытием. Управляемые электрическим током иголки нагревают бумагу, оставляя при этом отметки. Такие принтеры обеспечивают черно-белую печать. 3.2.6. Сублимационные и термовосковые принтеры. Для получения цветного изображения с качеством, близким к фотографическому, или для изготовления допечатных цветных проб используют сублимационные и термовосковые принтеры. Общим для сублимационной и термовосковой технологий является нагрев красителя и перенос его на бумагу (пленку) в жидкой или газообразной фазе. Многоцветный краситель, как правило, нанесен на тонкую лавсановую пленку толщиной 5 мкм. Пленка перемещается с помощью лентопротяжного механизма, который конструктивно похож на аналогичный узел игольчатого принтера. Матрица нагревательных элементов за 3–4 прохода формирует цветное изображение. Отличие термовосковой печати от сублимационной заключается в том, что в первом случае пленка покрыта воскоподобной мастикой, а во втором – специальным красителем. Термовосковые принтеры переносят краситель, растворенный в воске, на бумагу, нагревая ленту с цветным воском. Как правило, для подобных принтеров необходима бумага со специальным покрытием. При сублимационной печати осуществляется перевод красителя в газообразное состояние путем нагрева ленты. Этот газ затем поглощается полистирольным покрытием специальной бумаги. Диффузионный перенос красителя обеспечивает получение высококачественного цветного изображения без видимых тональных переходов. 3.2.7. Интерфейсы принтеров и языки принтеров. Для соединения принтеров с ПЭВМ до недавнего времени применялся интерфейс Centronics (LPT-порт). В настоящее время практически все принтеры подключаются с использованием шины USB (универсальная последовательная шина), обладающей большей пропускной способностью. Некоторые модели принтеров, называемые сетевыми, поддерживают возможность печати через сеть (для этого имеют в своем составе Ethernet-адаптер). При печати документов на принтере драйвер преобразует текст и изображения в формат, понятный принтеру, т. е. принтер получает набор 50 команд, который он выполняет. Методы перевода файлов в команды принтера называются языками описания принтера. Для матричных и струйных принтеров наибольшее распространение получил язык ESC/P5. Также можно выделить языки GDI, PCL, Postscript. GDI – это самый простой язык. Поскольку печатью управляет компьютер, то такие принтеры самые дешевые, но при этом они работают только из графических операционных систем. Postscript – профессиональный язык, чем-то схожий с html. Позволяет печатать сложные документы, но требует наличие на принтере дорогой электроники, поэтому применяется для печати сложных с полиграфической точки зрения документов. PCL – язык, разработанный компанией «Hewlett Packard» (HP), достаточно прост. Полученный файл копируется в порт принтера поддерживающего PCL и на выходе получается документ в напечатанном виде. 3.2.8. Технические характеристики. Основными техническими характеристиками принтеров являются: 1. Принцип действия (в соответствии с рассмотренной классификацией). 2. Цветовые возможности (черно-белые или цветные принтеры). 3. Графические возможности или их отсутствие. 4. Разрешающая способность. 5. Качество печати, тесно связанное с предыдущим показателем и обобщающее его. 6. Скорость печати (быстродействие). 7. Стоимость. 3.3. Плоттеры (графопостроители) Плоттер (графопостроитель) – устройство для автоматического вычерчивания с большой точностью рисунков, схем, сложных чертежей, карт и другой графической информации на бумаге размером до A0 или кальке (рис. 39). Рис. 39. Плоттеры 3.3.1. Классификация плоттеров. Плоттеры можно разделить на два класса: 51 – векторного типа, в которых пишущий узел перемещается по двум или одной координате (в последнем случае по другой координате перемещается носитель информации); типичные представители – перьевые плоттеры; – растрового типа, в которых используется принцип создания изображения заполнением поверхности носителя точками красителя; типичный представитель – струйный плоттер. 3.3.2. Перьевые плоттеры (Pen Plotter). Перьевые плоттеры (ПП) являются электромеханическими устройствами векторного типа и создают изображение при помощи пишущих элементов, обобщенно называемых перьями, хотя существуют различные виды пишущих элементов, отличающиеся друг от друга используемым типом жидкого красителя. Пишущие элементы бывают одноразовые и многоразовые; шариковые, фибровые, пластиковые и другие; с чернилами на водной или масляной основе; заполненные под давлением и обычные и т. д. Перо крепится в держателе пишущего узла, который имеет одну или две степени свободы перемещения. Существуют два типа ПП: рулонные и планшетные. В ПП первого типа перо перемещается вдоль одной оси координат, а бумага – вдоль другой за счет захвата транспортным валом. В ПП второго типа бумага неподвижна, в то время как перо перемещается по всей плоскости изображения. Это ограничивает максимальный размер выводимого изображения, т. к. конструкция крепления бумаги получается громоздкой. 3.3.3. Карандашно-перьевые плоттеры. Карандашно-перьевые плоттеры (Pen/Pencil Plotter) являются разновидностью перьевых плоттеров. Их отличие от последних состоит в возможности установки специализированного пишущего узла, в котором используются обычные карандашные грифели. Держатель пишущего узла в таких устройствах благодаря наличию специального механизма обеспечивает постоянную величину усилия нажима грифеля на бумагу и автоподачу грифеля при его стачивании. Прочая механика у карандашно-перьевых плоттеров абсолютно аналогична перьевым, поэтому в них также можно применять все пишущие узлы, используемые в последних. 3.3.4. Струйные плоттеры (Ink-Jet Plotter). В плоттерах в основном используется технология пузырьковой струйной печати (bubble-jet). Принцип действия аналогичен работе струйных принтеров (см. п. 3.2.3). Существует три разновидности струйных плоттеров: монохромные, цветные (полноцветные) и с возможностью цветной печати (color capable). В струйные плоттерах с возможностью цветной печати при необходимости меняется картридж с одним цветом на другой. 3.3.5. Электростатические плоттеры (Electrostatic Plotter). В электростатических плоттерах используются жидкие красители. Электроста52 тическая технология основывается на создании скрытого электрического изображения (потенциального рельефа) на поверхности носителя. В качестве носителя используется специальная электростатическая бумага, рабочая поверхность которой покрыта тонким слоем диэлектрика, а основа пропитана гидрофильными солями, позволяющими получить требуемую влажность и электропроводность. Для записи информации используют записывающие головки, представляющие собой блоки тончайших электродов. Потенциальный рельеф появляется при осаждении на поверхность диэлектрика свободных зарядов, образующихся при возбуждении электродов высоковольтными импульсами напряжения. Когда бумага проходит через проявляющий узел с жидким намагниченным тонером, его частички остаются на заряженных участках бумаги. Полная цветовая гамма получается за четыре цикла создания скрытого изображения и прохода носителя через четыре проявляющих узла с соответствующими тонерами. 3.3.6. Плоттеры прямого вывода изображения (Direct Imaging Plotter). Технология ПВИ была изобретена в конце 50-х годов и основывалась на применении термобумаги. Изображение создается длинной (на всю ширину плоттера) "гребенкой" миниатюрных нагревателей. Каждый нагреватель имеет самостоятельное управление. Когда термобумага движется вдоль "гребенки", она меняет цвет в местах нагрева. Выводимое изображение получается монохромным. 3.3.7. Плоттеры на основе термопередачи (Thermal Transfer Plotter). В отличие от плоттеров прямого вывода изображения в них между термонагревателями и бумагой (или прозрачной пленкой) размещается донорный цветоноситель – тонкая (толщиной 5–10 мкм) пленка (например, лавсановая), обращенная к бумаге красящим слоем, выполненным на восковой основе, особенностью которой является низкая (менее 100 ºС) температура плавления. На ленте последовательно нанесены области каждого из основных цветов размером, соответствующим листу используемого формата. В процессе вывода информации бумажный лист, соприкасаясь с лентой, проходит под печатной головкой, которая состоит из тысяч мельчайших нагревательных элементов. Воск в местах нагрева расплавляется и пигмент остается на листе. За один проход наносится один цвет. Все изображение получается за четыре прохода. Таким образом, на каждый лист цветного изображения затрачивается в четыре раза больше красящей ленты, чем для монохромного. 3.3.8. Лазерные плоттеры (Laser/LED Plotter). Лазерные плоттеры базируются на электрографической технологии. Принцип работы соответствует лазерным принтерам (см. п. 3.2.4). 53 4. ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА 4.1. Накопители с магнитным носителем В настоящее время распространены три типа накопителей с магнитной записью информации: на жестких (несъемных) магнитных дисках (НЖМД или "винчестеры" или HDD – Hard Disk Drive), на гибких магнитных дисках (НГМД или флоппи-дисководы) и на магнитной ленте (НМЛ или стримеры). 4.1.1. Принцип работы НЖМД. Жесткий диск содержит один или несколько жестких алюминиевых или стеклянных дисков, покрытых слоем ферромагнитного материала, которые смонтированы на оси-шпинделе. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря тонкой прослойке воздуха (доли микрон), образуемой при быстром вращении дисков (рис. 40). Рис. 40. Устройство дискового накопителя Скорость вращения современных винчестеров составляет 5400– 15000 об/мин. Информация записывается на диск в результате изменения ориентации магнитных доменов на участке поверхности диска под записывающей головкой. Для кодирования информации в первых винчестерах использовался метод MFM. В этом случае "1" переводится в комбинацию "01", а "0" – в комбинацию "10", если следует за битом "0", или в "00", если следует за битом "1", что обеспечивает не более трех нулей подряд. При записи этой последовательности на диск логическая "1" кодируется сменой намагниченности на соответствующем участке, а логический "0" – отсутствием смены. Это означает, что один переход намагниченности соответствует 1–3 битам. Впоследствии стала использоваться схема кодирования RLL. Алгоритмы RLL обеспечивают такую закодированную последовательность, что длина поля записи (количество бит между переходами от "0" к "1" или от "1" к "0") ограничена определенным диапазоном [d+1; k+1]. Параметры d и k задаются модификацией алгоритма (обозначается RLL d, k). Для винчестеров использовался RLL 54 2,7: 8 бит данных перекодируются в 16 так, чтобы в последовательности встречалось не менее двух и не более семи нулей. Затем был внедрен RLL 3,9 (Advanced RLL) и т. п. Поверхность магнитного носителя в ее первозданном виде – это всего лишь магнитное покрытие, которое не готово к работе. Структура диска, включающая в себя дорожки (концентрические полоски, на которые разделена каждая сторона пластины), цилиндры (дорожки на обеих сторонах пластины, расположенные на окружностях с одинаковым радиусом) и сектора (участки дорожки, представляющие собой наименьший размер порции данных, которая может быть изменена в результате перезаписи), формируется при физическом (низкоуровневом) форматировании. В ходе этой операции контроллер накопителя записывает на носитель служебную информацию: байты синхронизации, указывающие на начало каждого сектора, идентификационные заголовки, состоящие из номеров головки, сектора и цилиндра, байты контрольной суммы CRC (Cyclic Redundancy Check) и коды обнаружения ошибок ECC (Error Correction Code); при этом происходит также маркировка дефектных секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации диска. Все современные винчестеры поддерживают технологию SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology), которая предполагает выполнение внутренней диагностики винчестера, определяющей состояние двигателя, магнитных головок, рабочих поверхностей носителя и контроллера. 4.1.2. Основные параметры жестких дисков. После рассмотрения устройства и работы дисковых накопителей должен быть понятным смысл их основных параметров: Форматированная емкость представляет собой объем хранимой полезной информации, то есть сумму полей данных всех доступных секторов. Неформатированная емкость представляет собой максимальное количество бит, записываемых на всех треках диска, включая и служебную информацию (заголовки секторов, контрольные коды полей данных). Интерфейс определяет способ подключения накопителя. Для накопителей со встроенным контроллером распространены интерфейсы АТА, он же IDE (все их разновидности будут рассмотрены ниже), SATA, SCSI и SAS. Внутренняя скорость передачи данных измеряется в количестве бит (мегабит) в секунду, передаваемых между носителем и буферной памятью контроллера, задает физический предел производительности накопителя. 55 Внешняя скорость передачи данных измеряется в количестве килобайт (мегабайт) полезных данных в секунду, передаваемых по шине внешнего интерфейса, зависит от быстродействия электроники контроллера, типа интерфейсной шины и режима обмена. Время перехода на соседний трек характеризует быстродействие системы позиционирования и обычно измеряется в миллисекундах. Для современных жестких дисков характерно время перехода в 0,8–2 мс, причем для записи оно несколько больше, чем для считывания (записывать лучше при более точном позиционировании). Среднее время поиска определяется по смеси обращений к случайным цилиндрам и для современных жестких дисков составляет около 8– 14 мс. Чем больше объем накопителя, тем больше и время поиска: большее число головок труднее быстро перемещать; большее число цилиндров или увеличивает длину перемещения головок, или повышает требования к точности позиционирования. Максимальное время поиска примерно в два раза превышает среднее и относится к самым дальним переходам между крайними цилиндрами. Скорость вращения шпинделя измеряется в оборотах в минуту (RPM – Rotates Per Minutes), позволяет косвенно судить о производительности (внутренней скорости). Для жестких дисков значения 5400– 7200 об/мин является обычной, 10000–15000 об/мин – высокой скоростью. Среднее ожидание сектора при одиночном обращении обычно составляет половину времени полного оборота. Современные контроллеры «позволяют» уменьшить это значение чуть ли не до нуля (Zero Latency), начиная считывание всего трека сразу после позиционирования (не дожидаясь команды). Объем буферной памяти – для современных жестких дисков буферная память составляет 8–32 МБайт. Физические параметры – ширина, высота, глубина и вес. 4.1.3. Накопители НГМД. Обычно дискета (floppy disk) представляет собой гибкую пластиковую пластину, покрытую ферромагнитным слоем. Эта пластина помещается в гибкую или жесткую оболочку, защищающую магнитный слой от физических повреждений. Запись и считывание дискет осуществляется с помощью специального устройства – дисковода (флоппи-дисковода). Дискеты обычно имеют функцию защиты от записи, посредством которой можно предоставить доступ к данным только в режиме чтения. При записи на дискету используется кодирование MFM. Внутренние дисководы подключаются при помощи интерфейса SA400, разработанного в начале 1970-х годов компанией «Shugart Associa56 tes». Интерфейс относится к категории интерфейсов на уровне устройства, т. к. содержит сигналы, характерные для функций устройства (Motor On – включить мотор, Index – проход индексной метки, Side 1 Select – выбор головки и т. п.). Интерфейс обеспечивает скорость порядка 300 Кбит/с. Для внутренних накопителей всех типов используют интерфейсы SCSI, EIDE/ATA или SerialATA, а для внешних – SCSI, IEEE 1284 (иногда), USB и FireWire. 4.2. Накопители с оптическим носителем Под накопителем для оптических носителей чаще всего подразумевают привод для компакт-дисков (CD-ROM) или привод DVD-дисков (DVD-ROM). 4.2.1. Устройство CD-ROM. Компакт-диск (compact disk) был создан в 1979 году компаниями «Philips» и «Sony». В «Philips» разработали общий процесс производства, основываясь на своей более ранней технологии лазерных дисков, а «Sony» выработала методику коррекции ошибок. Компакт-диски изготавливаются из поликарбоната толщиной 1,2 мм, покрытого тончайшим слоем алюминия с защитным слоем из лака, на котором обычно печатается этикетка. Компакт-диски диаметром 12 см вмещают до 650 МБайт информации (74 мин. аудио). Используются также объемом 700 МБайт (80 мин. аудио), 800 МБайт (90 мин. аудио) и более. Конструктивно диск представляет собой трехслойный «пирог» (рис. 41). Рис. 41. Структура компакт-диска Подложка из оптически прозрачного материала (поликарбонат), которая изготавливается методом литья под давлением. При изготовлении подложки на одной из ее поверхностей формируется информационный рисунок (спиральная дорожка), состоящий из ямок (питов) и промежутков между ямками (лэндов). На информационный рисунок напыляется тонкий отражающий слой. Поверх отражающего слоя наносится слой ла57 ка, защищающий диск от повреждений. Как правило, на защитный лак наносится лейбл. На рис. 42 отображена схема считывания информации с оптического диска. Для чтения информации с КД используется луч лазера (laser) инфракрасного диапазона (ИК). Луч подается на вращающийся диск со стороны подложки, отражается от отражающего слоя и возвращается на специальный фотоприемник (photo-electrical cell). При попадании луча на питы и лэнды интенсивность отраженного луча меняется. В итоге на выходе фотоприемника формируется электрический сигнал, повторяющий по форме информационный рисунок на поверхности компакт-диска. Рис. 42. Устройство лазерного механизма Таким образом, фиксируются логические "1" и "0, соответствующие исходным данным в коде EFM5. Для коррекции ошибок используется алгоритм CIRC6. 4.2.1.1. Виды компакт-дисков. Различают следующие виды компакт-дисков: CD-ROM, CD-R и CD-RW. Обычные компакт-диски (CDROM) штампуются на заводах при помощи стеклянной матрицы с вытравленным на ней рисунком дорожек, которой прессуется металлический слой диска. CD-R (CD-Recordable) – это однократно записываемый компактдиск. Он состоит из пластиковой основы и записывающего слоя, представляющего собой слой органического красителя (цианин, металлизированный AZO или фталоцианин) и отражающий слой из серебра, его сплава или золота. Отражающий слой покрывается защитным лаком. Чистый 58 CD-R не является полностью пустым, на нем имеется служебная дорожка с сервометками ATIP7. Эта служебная дорожка нужна для системы слежения, которая удерживает луч лазера при записи на дорожке и следит за скоростью записи. Помимо функций синхронизации служебная дорожка также содержит информацию об изготовителе этого диска, сведения о материале записывающего слоя, длине дорожки для записи и т. п. Служебная дорожка не разрушается при записи данных на диск. При записи CD-R данные наносятся на диск лучом лазера повышенной мощности, чтобы физически "прожечь" органический краситель записывающего слоя. Когда краситель нагревается выше определенной температуры, он разрушается и меняет отражательные свойства (темнеет). Управляя мощностью лазера, на записывающем слое можно получить чередование темных и светлых пятен, которые при чтении интерпретируются как питы. При чтении лазер имеет значительно меньшую мощность, чем при записи, и не разрушает краситель записывающего слоя. Отраженный от слоя серебра луч попадает на фотодиод; если же луч падает на темный ("прожженный") участок, то почти не проходит через него до отражающего слоя и фотодиод регистрирует ослабление светового потока. Прожигание записывающего слоя является необратимым химическим процессом, т. е. однократным, поэтому записанную на CD-R информацию нельзя стереть. CD-RW (CD-ReWritable) – это перезаписываемый компакт-диск. Технология CD-RW была представлена в 1997 году. В CD-RW записывающий слой состоит из материала с фазовым переходом (обычно сплав AgInSbTe). При помощи ИК-лазера кристаллические участки записывающего слоя быстро нагреваются и переходят в аморфное состояние или трансформируются при более низкой температуре и более длительном нагреве обратно в кристаллическое состояние. Различие в коэффициентах отражения аморфных и кристаллических областей интерпретируется как питы и площадки. Однако уровень сигналов в таком случае получается ниже, чем декларируется стандартами CD-ROM и CD-R, поэтому компакт-диски CD-RW могут не читаться в приводах CD-ROM. 4.2.2. Устройство DVD-ROM. В сентябре 1995 г. группой компаний («Philips», «Sony», «Toshiba» и др.), позднее образовавших «DVD Forum», была предложена спецификация оптических дисков высокой плотности – DVD9. DVD представляет собой две склеенных пластины из поликарбоната толщиной по 0,6 мм, покрытых отражающим слоем из алюминия или золота. Один слой способен хранить 4,38 ГБайт информации. Принцип работы аналогичен CD-ROM, однако для чтения DVD используется лазер с длиной волны 650 нм и большей, чем у лазеров для CD, апертурой, что позволяет значительно увеличить плотность записи. Кроме того, в DVD используются более эффективные алгоритмы кодирования (EFM-Plus10) и коррекции ошибок (RS-PC11). 59 4.2.2.1. Виды DVD-дисков. Различают следующие типы носителей DVD: – DVD-ROM – штампованные на заводе диски; – DVD-R/RW (DL) – однократно (RW – многократно) записываемые диски, стандартизованные DVD Forum (Double Layer – двухслойные); – DVD-RAM – многократно записываемые диски с произвольным доступом (RAM – Random Access Memory); – DVD+R/RW (DL) – однократно (RW - многократно) записываемые диски, предложенные DVD+RW Alliance (Double Layer – двухслойные). Стандарт записи DVD-R/RW был разработан консорциумом «DVD Forum» как официальная спецификация перезаписываемых дисков. Однако цена лицензии на эту технологию была слишком высока и поэтому несколько производителей пишущих приводов и носителей для записи объединились в «DVD+RW Alliance», который и разработал стандарт DVD+R/RW. Стандарты записи DVD+R/RW и DVD-R/RW частично совместимы. Все приводы для DVD могут читать оба формата дисков, и большинство пишущих приводов также могут записывать диски обеих технологий. DVD-RAM по технологии ближе к дисковым накопителям, чем к компакт-дискам, т. к. вместо одной спиральной дорожки содержит множество концентрических дорожек. При этом не требуется специализированного программного обеспечения. По объему выделяют следующие категории DVD-дисков: – DVD-5 – однослойные односторонние 4,7 гигабайт (4,38 ГБайт); – DVD-9 – двухслойные односторонние 8,5 гигабайт (7,92 ГБайт); – DVD-10 – однослойные двухсторонние 9,4 гигабайт (8,75 ГБайт); – DVD-18 – двухслойные двухсторонние 17,1 гигабайт (15,9 ГБайт). 4.2.3. Накопители BD-ROM. В 2006 году консорциумом «BDA» был предложен новый формат оптического носителя – Blu-Ray Disc. Для записи и чтения используется коротковолновый «синий» лазер (длина волны – 405 нм), что позволило сузить дорожку вдвое по сравнению с обычным DVD-диском (до 0,32 мкм) и увеличить плотность записи данных. Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 25 ГБайт, двухслойный диск может вместить 50 ГБайт. Скорость CD-приводов указывается в единицах, кратных 150 Кбайт/сек (1х), а DVD-приводов – в единицах, кратных 1352 Кбайт/сек (что соответствует 9х для CD-привода). Скорость передачи данных для BD-ROM измеряется в единицах, кратных 36 Мбит/сек. 60 Обычно внутренние оптические приводы подключаются через интерфейс EIDE/ATA, SATA или SCSI, а внешние – через SCSI, USB или FireWire. 4.3. Флэш-память Флэш-память – особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти. Конструктивно может состоять из двух основных элементов: непосредственно ячейка памяти и контроллер памяти. Для работы с флэшпамятью нужны кардридеры, которые могут поддерживать только один тип флэш-карт или поддерживать какое-то определенное количество. Флэш-карты бывают двух типов: с параллельным (parallel) и с последовательным (serial) интерфейсом. Карты с параллельным интерфейсом: – PC-Card (PCMCIA или ATA-Flash). – CompactFlash (CF). – SmartMedia. – xD-Picture Card. Карты с последовательным интерфейсом: – MultiMedia Card (MMC). – Sony Memory Stick. Карты с последовательно-параллельным интерфейсом: – SD-Card (Secure Digital Card). 4.3.1. PC-Card (PCMCIA) или ATA Flash. PC Card – один из первых стандартов карт флэш-памяти, ранее этот тип карт назывался PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) (рис. 43). Рис. 43. Карта PC-Card Карта снабжена ATA контроллером. Благодаря этому обеспечивается эмуляция обычного жесткого диска. PC Card бывает объемом до 2 ГБайт. Существует три типа PC Card ATA (I, II и III). Все они отличаются толщиной (3,3 5,0 и 10,5 мм соответственно). Все три типа обратно совместимы между собой. Питание карт – 3,3 В и 5 В. ATA-flash как правило 61 относится к форм-фактору PCMCIA Type I. Основное применение карт данного типа приведено в табл. 2. Таблица 2 Параметры PC-Card Type I Длина, мм 85,6 Ширина, мм 54 Толщина, мм 3,3 Type II 85,6 54 5 Type III 85,6 54 10,5 Тип Использование Память (SRAM, DRAM, Flash и т. д) Память, устройства ввода-вывода (модемы, сетевые карты и т. д) Устройства хранения данных, жёсткие диски PC-Card Flash бывают двух типов: PCMCIA Linear Flash Card и ATA Flash Card (Flash Disk). Linear встречается намного реже ATA flash и не совместим с последним. Отличие между ними состоит в том, что ATA Flash содержит в себе схему, позволяющую эмулировать обычный HDD, автоматически помечать испорченные блоки и производить автоматическое стирание блоков. 4.3.2. CompactFlash. CompactFlash – формат флэш-памяти, появился одним из первых среди карт флэш-памяти. Формат разработан компанией «SanDisk Corporation» в 1994 году. Интерфейс: параллельный, 50-ти контактный, соответствует стандарту PCMCIA ATA. Спецификацию для данного формата составляет «Association CompactFlash». По мере развития технологий данный формат развивался: 1. CompactFlash Type II – емкость памяти до 320 МБайт, скорость чтения до 1,5 МБайт/с, записи – 3 МБайт/сек. 2. CompactFlash 2.0 или CF+ – скорость чтения увеличилась до 8 МБайт/сек, записи – 6,6 МБайт/сек. 3. CompactFlash 3.0 (конец 2004 года) – поддерживает режимы UDMA33 и UDMA66, скорость передачи данных увеличена до 66 МБайт/сек. В 2007 году максимальный объём накопителей с интерфейсом CompactFlash достиг 32 ГБайт. Размеры карт составляют 42 мм на 36 мм: – для CompactFlash толщина составляет 3,3 мм; – для CompactFlash Type II – 5 мм. Карты CompactFlash Type I могут вставляться в слоты обоих типоразмеров, CompactFlash Type II – только в слот для CompactFlash Type II. CompactFlash обоих типоразмеров имеет 50-ти контактные разъёмы. Карты поддерживают два напряжения: 3,3 В и 5 В. Любая карта CF способна работать с любым из двух видов питания. В соответствии со стандартом, интерфейс накопителей CompactFlash 62 электрически совместим с интерфейсом IDE (рис. 44). Рис. 44. CompactFlash 4.3.3. SmartMedia. SmartMedia – портативная флэш-карта памяти (рис. 45), созданная компаниями «Toshiba» и «Samsung» и выпущенная на рынок в 1995 году, чтобы составить конкуренцию форматам «CompactFlash» и «PC Card». Интерфейс: параллельный, 22-х контактный. 8 из 22-х контактов карты используются для передачи данных, остальные служат для питания микросхемы, управления и несут на себе другие вспомогательные функции. Размер карты SmartMedia составляет 45,0×37,0×0,76 мм. Скорость передачи данных – 2 МБайта/сек. Рис. 45. Карта SmartMedia Карта SmartMedia состоит из одного чипа NAND EEPROM внутри тонкого пластикового корпуса (некоторые карты большого объёма состоят из нескольких связанных чипов). В карте отсутствует контроллер памяти. Основные достоинства: – сравнительно малые габариты; – невысокая цена. Недостатки: – максимальный объём карты был ограничен 128 МБайт. Есть две версии карт SmartMedia – 5 В и 3,3 В (иногда обозначается 3В), названные по рабочему напряжению. Корпус у них практически идентичен. Единственное различие – положение «срезанного» уголка. 4.3.4. xD-Picture Card. Интерфейс: параллельный, 22-х контактный. Анонсирован 30 июля 2002 года компаниями «Fujifilm» и «Olympus» (рис. 46). Теоретически емкость карт может достигать 8 ГБайт. 63 Рис. 46. Карта xD-Picture Размеры карты: 20×25×1,7 мм. Как и SmartMedia, карта xD-Picture не содержит контроллера. Существует несколько типов карт: – скорость записи обычных xD карт памяти объёмом от 64 МБайт до 512 МБайт составляет около 3 МБайт/сек и около 5 МБайт/сек – скорость чтения; – скорость записи xD карт памяти типа M составляет около 2,5 МБайт/сек и около 4 МБайт/сек – скорость чтения; – скорость записи xD карт памяти типа H составляет около 4 МБайт/сек и около 5 МБайт/сек – скорость чтения. 4.3.5. MultiMedia Card. MultiMedia Card (MMC) – портативная флэш-карта памяти, использующаяся в цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах и т. д. Интерфейс: последовательный, 7-и контактный. Разработана в 1997 году компаниями «Hitachi», «SanDisk» и «Siemens Semiconductors» (Infineon Technologies) и имеет размер 24×32×1,5 мм (рис. 47). Рис. 47. Карта MMC Карта состоит из пластиковой оболочки и печатной платы, на которой расположена микросхема памяти, микроконтроллер и разведены контакты. MultiMedia Card работает с напряжением 2,0–3,6 В, однако спецификацией предусматриваются карты с пониженным энергопотреблением – Low Voltage MMC (напряжение 1,6–3,6 В). Карты MMC могут работать в двух режимах: MMC и SPI (Serial Peripheral Interface). Режим SPI является частью протокола MMC и ис64 пользуется для коммуникации с каналом SPI, который обычно применяется в микроконтроллерах Motorola и других производителей. Режим SPI предназначен для устройств, которые используют небольшое количество карт памяти (обычно одну). Существуют еще несколько стандартов карт MMC, такие как: RSMMC, HS-MMC, CP-SMMC, PIN-SMMC. Стандарт карт RS-MMC (Redused Size MMC) утвержден в 2002 году ассоциацией производителей «MMC» (MMCA – MMC Association) и отличается от обычной MMC только габаритами – карта приблизительно в два раза меньше обычного MMC. Размеры карт RS-MMC – 24×18×1,4 мм, вес – 0,8 грамма. HS-MMC – высокоскоростная (High Speed) MMC-карта у которой не 7, а 13 контактов. Размер карты соответствует размеру обычной MMC. В режиме x8 (52 МГц) скорость передачи данных в теории может достигнуть 52 Мбит/сек. Существует также Micro Memory Card (MMCmicro), конструктивно идентичная карте MultiMedia Card. Размер таких карт составляет 12×14×1,1 мм. Cтандарт MMC+, в котором обеспечивается высокая скорость передачи данных и поддержка 8-битной шины данных (в SD и MMC используются 4-х битная шина данных), для чего была добавлена дополнительная группа контактов. Соответственно в устройствах без полной поддержки MMC+ эта карта работает как стандартная MMC). Карты MMC+ полностью совместимы с SD/MMC-устройствами и MMCmicro. 4.3.6. Secure Digital. Secure Digital Memory Card (SD-card) – портативная флэш-карта памяти, использующаяся в цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах и т. д. Разработана в 2001 году фирмой «SanDisk» на основе MMC-карты. Размер 24×32×2,1 мм (рис. 48). Интерфейс: последовательно-параллельный, 9-ти контактный. Формат разработан компаниями «Matsushita», «SanDisk», «Toshiba» в 2000 году. Рис. 48. SD-карта SD-Card работает с напряжением 2,0–3,6 В, однако спецификацией 65 предусматриваются SDLV-карты (SD Low Voltage) с пониженным энергопотреблением (напряжение 1,6–3,6 В), кроме того, спецификацией предусмотрены карты толщиной 1,4 мм (как у MMC), без переключателя защиты от записи. Фактически карты SD являются дальнейшим развитием стандарта MMC. Флэш-карты SD обратно совместимы с MMC (в устройство с разъемом SD можно вставить MMC, но не наоборот). Основные отличия от MMC: – По сравнению с MMC в SD на 2 контакта больше. По сравнению с MMC, где данные передаются по одному-единственному контакту, в SD данные могут передаваться по 4-м контактам одновременно (число линий, по которым передаются данные, может быть равно 1, 2 и 4, причём количество используемых линий можно динамически изменять). Эта особенность переводит карту из разряда карт с чисто последовательным интерфейсом в разряд карт с последовательно-параллельным интерфейсом. – В отличие от MMC SD изначально соответствует соглашениям SDMI (т. е. карты SD содержат так называемый механизм защиты авторских прав). – На карточке присутствует переключатель защиты от записи – write protection switch. – MMC по спецификации работает на частотах до 20 МГц, SD – на частотах до 25 МГц. – В режиме SPI карты SD работают по протоколу SD-Card, а не по протоколу MMC. – Добавлен один дополнительный внутренний регистр, часть остальных несколько отличаются от аналогичных в MMC. – Обычно карточка несколько толще и тяжелее MMC. – За счёт более толстой пластиковой оболочки улучшена стойкость карты к статическим разрядам (ESD Tolerance). Объём памяти может быть: – Для стандарта SD 1.0 от 8 Мбайт до 2 ГБайт. – Для стандарта SD 1.1 возможен размер до 4 ГБайт. – Стандарт SDHC разрешает размер вплоть до 32 ГБайт. Скорость обмена SD карт, как и в случае с CD-ROM, задаётся числом-множителем – 1x = 150 КБайт/сек. Простейшие карты имеют скорость 6x (900 КБайт/сек), самые новые – 150х (22500 КБайт/сек). Для миниатюрных приборов разработаны MiniSD размером 20×21,5×1,4 мм и самая маленькая из всех карт – MicroSD (ранее известная как TransFlash) размером 11×15×1 мм. Карты MiniSD и MicroSD имеют адаптеры, при помощи которых их можно вставлять в любой слот для обычной SD-карты (рис. 49). 66 Рис. 49. Адаптер MicroSD-SD и карта MicroSD SDHC – Secure Digital High Capacity – сменная карта флэш-памяти, удовлетворяющая спецификации SDA 2.00, введённой SD Card Association (SDA). SDHC стал развитием популярного формата SD (Secure Digital), унаследовав большинство его характеристик (рис. 50). Рис. 50. Карта SDHC Потенциальный максимальный объём карт SDHC увеличен до 32 Гбайт. Карты этого типа используют файловую систему FAT32 (для SD применялась FAT16/12). Карты SDHC не совместимы с карт-ридерами и прочими устройствами, работавшими с SD-картами. Устройства, способные работать с SDHC-картами, поддерживают также и SD-карты ёмкостью не более 4 Гбайт. SDA ввела также классификацию скоростных характеристик карт и устройств для работы с ними, так называемый SD Speed Class. Изначально было определено три варианта: SD Class 2 (скорость записи от 2 МБайт/сек), SD Class 4 (скорость записи от 4 МБайт/сек), SD Class 6 (скорость записи от 6 МБайт/с). 4.3.7. Sony Memory Stick. Интерфейс: последовательный, 10-ти контактный. Разработана в 1998 году компанией «Sony». Карта имеет размер 50×21,5×2,8 мм (рис. 51). Рис. 51. Карта Sony Memory Stick 67 В таких картах используется переключатель защиты от записи (Write Protection Switch). Карта работает в полудуплексном режиме. Максимальная частота, на которой может работать карта – 20 МГц. Существует разновидность Memory Stick – Memory Stick Magic Gate (сокращенно MG), в которой реализована поддержка механизма "защиты авторских прав" – Magic Gate (разновидность SDMI). В 2000 году «Sony» разработала ещё один формат – Memory Stick Duo. От обычного MemoryStick Duo отличается меньшими размерами и весом – 31×20×1,6 мм. При использовании MemoryStick Duo в устройствах, предназначенных для обычных MemoryStick, требуется специальный адаптер. Также существует модификация этого формата флэшпамяти – Memory Stick Duo MG. В 2003 была представлена карта MemoryStick Pro, разработанная «Sony» совместно с «SanDisk». Новая модификация карт «Sony» имеет те же размеры и такое же количество контактов, как и у обычных MemoryStick. Однако карта не совместима со старыми MemoryStick (в разъеме, предназначенном для обычных MemoryStick, карточка MemoryStick Pro работать не будет, однако обратная поддержка реализована в разъеме для карточек Pro, обычный MemoryStick читается). Технически карточки Pro отличаются от обычных MemoryStick тем, что работают на более высокой частоте (40 МГц), а данные передаются по четырем линиям, вместо одной. Пропускная способность интерфейса – 160 Мбит/сек или 20 МБайт/сек (4 линии × 40 МГц), однако с таким быстродействием карточка долго работать не может – на такой скорости способен работать только внутренний кэш, а по его заполнении карточка будет работать с пропускной способностью 15 Мбит/сек. В 2008 году предложен новый стандарт карт – Memory Stick PROHG Duo с увеличенной скоростью чтения до 60 МБайт/сек. 68 5. СРЕДСТВА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ 5.1. Модемы Модем (модулятор-демодулятор) – устройство передачи данных на большие расстояния, выполняющее функцию модуляции и демодуляции сигнала (рис. 52). Модулятор изменяет характеристики несущего сигнала в соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор осуществляет обратный процесс. а) внутренний модем б) внешний модем Рис. 52. Модемы 5.1.1. Устройство модема. Функциональные блоки модема отображены на рис. 53. Рис. 53. Функциональные блоки модема 69 Со стороны телефонной линии самым первым устройством является блок интерфейса с телефонной линией. Основными функциями этого блока являются: – обеспечение физического соединения с телефонной линией; – обеспечение физического соединения с телефонной линией; – защита от перенапряжения и радиопомех; – набор номера; – фиксация звонков; – гальваническая развязка внутренних цепей модема и телефонной линии. Далее сигналы попадают в дифференциальную систему, цель которой – разделение выходных и входных сигналов и компенсация влияния собственного сигнала на входные цепи. В наиболее простых моделях модемов этот узел исполняется в виде пассивной схемы, что зачастую приводит к сильной зависимости качества работы блока от сопротивления конкретной телефонной линии. Избавиться от такой зависимости могут только модели с активной дифференциальной системой, где необходимый для компенсации сигнал постоянно вычисляется сигнальным процессором и, "вычитаемый" из входного сигнала, обеспечивает необходимый уровень компенсации. Подготовленные таким образом сигналы попадают на ряд фильтров, усиливаются и оцифровываются с помощью АЦП в блоке формирования аналоговых фронтов, так что дальнейшая обработка производится в цифровом виде. Одно из преимуществ такого подхода – улучшение качества обработки сигнала и удешевление схемы. Обработанная информация поступает в цифровой сигнальный процессор (DSP – Digital Signal Processor), который и выделяет из нее на основе математических методов "нули" и "единицы". Именно возможностями цифровой обработки сигнала этого блока определяются качество и скоростные возможности современных модемов. Поддержка интерфейса с компьютером, управление DSP, реализация протоколов аппаратной коррекции ошибок и сжатия данных, управление интерфейсом с пользователем (индикаторы, кнопки и джамперы настройки), а также управление энергонезависимой памятью – за все это отвечает система управления модемом (контроллер модема). При этом если ранее микропрограмма хранилась в ПЗУ, изготовленном и "прошитом" на заводе, то теперь производители все чаще стали помещать ее в перезаписываемую флэш-память, что позволяет обновлять программу без аппаратного вмешательства. 5.1.2. Классификация модемов. Модемы различаются: По исполнению: – Внешние – подключаются к COM или USB-порту, обычно имеют 70 внешний блок питания (существуют USB-модемы, питающиеся от USB и LPT-модемы). – Внутренние – устанавливаются внутрь компьютера в слот ISA, PCI, PCMCIA, AMR, CNR. – Встроенные – являются внутренней частью устройства, например ноутбука или док-станции. По принципу работы: – Аппаратные – все операции преобразования сигнала, поддержка физических протоколов обмена, производятся встроенным в модем вычислителем (например, с использованием DSP контроллера). Также в аппаратном модеме присутствует ПЗУ, в котором записана микропрограмма, управляющая модемом. – Винмодемы (WinModem) – аппаратные модемы, лишённые ПЗУ с микропрограммой. Микропрограмма такого модема хранится в памяти компьютера, к которому подключён модем. Работоспособен только при наличии драйверов, которые обычно писались исключительно под операционные системы семейства MS Windows. – Полупрограммные (Controller based soft-modem) – модемы, в которых часть функций модема выполняет компьютер, к которому подключён модем. – Программные (Host based soft-modem) – все операции по кодированию сигнала, проверке на ошибки и управление протоколами реализованы программно и производятся центральным процессором компьютера. При этом в модеме находится аналоговая схема и преобразователи: АЦП, ЦАП, контроллер интерфейса (например, USB). По типу: – Аналоговые – наиболее распространённый тип модемов для обычных коммутируемых телефонных линий. – ISDN – модемы для цифровых коммутируемых телефонных линий. – DSL – используются для организации выделенных (некоммутируемых) линий с применением обычной телефонной сети. Отличаются от коммутируемых модемов кодированием сигналов. Обычно позволяют одновременно с обменом данными осуществлять использование телефонной линии в обычном порядке. – Кабельные – используются для обмена данными по специализированным кабелям. К примеру, через кабель коллективного телевидения по протоколу DOCSIS. – Радиомодемы (беспроводные) – это приёмопередатчик, использующий сети операторов мобильной связи для передачи и приёма информации. Для использования сети сотовой связи в модем обычно вставляется SIM-карта. 71 – Спутниковые – осуществляют прием и передачу через спутниковые каналы связи. – PLC – модемы, которые используют технологию передачи данных по проводам бытовой электрической сети. 5.1.3. Модемы с дополнительными возможностями. Существуют модемы, которые обеспечивают, помимо основных функций, еще и дополнительные функциональные возможности. Их обычно называют: – Факс-модем – позволяет компьютеру, к которому он присоединён, передавать и принимать факсимильные изображения на другой факсмодем или обычную факс-машину. – Голосовой модем – имеет функцию оцифровки сигнала с телефонной линии и воспроизведение произвольного звука в линию. Часть голосовых модемов имеет встроенный микрофон. Это позволяет осуществить передачу голосовых сообщений в режиме реального времени на другой удалённый голосовой модем, приём сообщений от него и воспроизведение их через внутренний динамик. Также возможно использование такого модема в режиме автоответчика и для организации голосовой почты. 5.2. Сетевые карты Сетевая карта (сетевой адаптер) – это устройства, предназначенные для двунаправленной передачи данных внутри локальной сети или между двумя ЭВМ (рис. 54). Рис. 54. Внешняя сетевая карта с интерфейсом USB 5.2.1. Устройство сетевой карты. Любая сетевая карта состоит из разъема для сетевого проводника и контроллера сетевой карты, который кодирует\декодирует сетевые пакеты, а также вспомогательных программно-аппаратных комплексов и служб (рис. 55). 72 Рис. 55. Устройство сетевой карты Сетевые платы характеризуются: – Разрядностью: 8 бит (самые старые), 16 бит и 32 бита. – Шиной данных, по которой идет обмен информацией между материнской платой и сетевой картой: ISA, PCI, USB и др. – Микросхемой контроллера или чипом (Chip, chipset), на котором данная плата изготовлена и который определяет тип используемого совместимого драйвера и прочее: разрядность, тип шины и т. д. – Поддерживаемой сетевой средой передачи (network media), т. е. установленными на карте разъемами для подключения к определенному сетевому кабелю. BNC – для сетей на коаксиальном кабеле, RJ-45 для сетей на витой паре или разъемы для подключения к волоконной оптике. – Скоростью работы: Ethernet (10 Мбит/с) и/или Fast Ethernet (100 Мбит/с), Gigabit Ethernet 1000Base-Т (1000 Мбит/с). – MAC-адресом. Для определения точки назначения пакетов (frames) в сети Ethernet используется MAC-адрес. Это уникальный серийный номер, присваиваемый каждому сетевому устройству Ethernet для идентификации его в сети. MAC-адрес присваивается адаптеру его производителем, но может быть изменен с помощью программы. При работе сетевые адаптеры просматривают весь проходящий сетевой трафик и ищут в каждом пакете свой MAC-адрес. Если таковой находится, то устройство (адаптер) декодирует этот пакет. Существуют также специальные способы по рассылке пакетов всем устройствам сети одновременно (broadcasting). MAC-адрес имеет длину 6 байт и обычно записывается в шестнадцатеричном виде, например 00:15:BC:24:FC:0A. В некоторых сетевых картах предусматривается установка ПЗУ – 73 BootROM, благодаря которой возможна загрузка операционной системы компьютера с сервера сети. Микросхема загрузки должна соответствовать сетевой карте. 5.2.2. Классификация сетевых карт. По физической реализации сетевые платы делятся на: – Внутренние – отдельные платы, вставляющиеся в PCI или ISA слот. – Внешние, подключающиеся через USB, PCMCIA или ExpressCard интерфейс. Последние два обычно используются в ноутбуках для подключения внешних устройств. – Встроенные – являются составной частью устройства, например материнской платы. 5.2.3. Беспроводные сетевые карты. В таких сетевых картах для передачи информации внутри сети используется радиоканал. В этом случае вместо кабеля используется встроенная или внешняя антенна для приема сигналов (рис. 56). Рис. 56. Беспроводная сетевая карта Наиболее распространенный стандарт связи – IEEE 802.11, регламентирующий работу устройств в определенном диапазоне частот и скоростью передачи. Наиболее распространенными можно считать: – IEEE 802.11a – определяет скорость передачи до 54 Мбит/сек. с рабочим диапазоном 5 ГГц. – IEEE 802.11b – стандарт предусматривает использование нелицензируемого диапазона частот 2,4 ГГц и скорость передачи до 11Мбит/сек. – IEEE 802.11g – обратно совместим с IEEE 802.11b, поддерживает скорость передачи до 54 Мбит/сек, рабочий диапазон частот – 2,4 ГГц. – IEEE 802.11n – обратно совместим с IEEE 802.11 a/b/g. Рабочий диапазон частот – 2,4 ГГц или 5 ГГц, увеличена скорость передачи данных до 300 Мбит/сек. 74 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Гук, М. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия / М. Гук. – СПб.: Питер, 2002. – 528 с. 2. Цилькер, Б. Я. Организация ЭВМ и систем: учебник для вузов / Б. Я. Цилькер, С. А. Орлов. – СПб.: Питер, 2006. – 668 с. 3. Организация ЭВМ. Память ЭВМ [электронный ресурс]. – [2008]. – Режим доступа http://ord.com.ru/files/book3/index.html 4. Принцип работы LCD-мониторов [электронный ресурс]. – [2009]. – Режим доступа http://www.pnto.ru/st/monitor5.htm 5. Характеристики мониторов [электронный ресурс]. – [2009]. – Режим доступа http://device.com.ru/material/monitor_6.shtml 6. Иллюстрированный самоучитель по WEB-графике [электронный ресурс]. – [2008]. – Режим доступа http://www.books.everonit.ru/The_WEB_schedule/menu.html 7. Устройство и принцип работы веб-камеры [электронный ресурс]. – [2008]. – Режим доступа http://www.armosystems.ru/support/faq/2.ahtm 8. Устройство модема [электронный ресурс]. – [2008]. – Режим доступа http://dimonxp.boom.ru/MODEM2.htm 9. Устройство сетевой карты [электронный ресурс]. – [2008]. – Режим доступа http://www.hardinfo.info/index.php?id=lan_1.3 75
