Организация системы ввода/вывода микроЭВМ. Назначение

Микропроцессоры и микроЭВМ
Контрольная работа №1
Вариант №7
Лиходиевская Надежда Анатольевна
Группа 74481
III – Л – 337
Содержание:
1. Общая характеристика особенностей развития современных ПЭВМ и их элементной
базы……………………………………………………………………………………..3
2. Организация системы ввода/вывода микроЭВМ. Назначение адаптеров и контроллеров
внешних устройств…………………………………………………………………….5
3. Реальный режим работы МП…………………………………………………………10
4. Печатающие устройства ПЭВМ (лазерные, струйные, термопринтеры)………….12
Литература……………………………………………………………………………..17
2
Общая характеристика особенностей развития современных ПЭВМ и их
элементной базы.
Если проследить историю развития вычислительных устройств, начиная с 1900 года,
можно заметить характерное удвоение производительности за каждые 18—24 месяца. Впервые
эту особенность в 1965 году описал соучредитель компании «Intel» Гордон Е. Мур. (см. Закон
Мура). Столь же стремительно развивается и процесс миниатюризации компьютеров. Первые
электронно-вычислительные машины (например, такие, как созданный в 1946 году Эниак) были
огромными устройствами, весящими многие тонны, занимавшими целые комнаты и
требовавшими большого количества обслуживающего персонала для успешного
функционирования. Они были настолько дороги, что их могли позволить себе только
правительства и большие исследовательские организации, и представлялись настолько
экзотическими, что казалось — небольшая горстка таких систем сможет удовлетворить любые
будущие потребности. В контрасте с этим, современные компьютеры — гораздо более мощные
и компактные и гораздо менее дорогие — стали воистину вездесущими.
До появления первых персональных компьютеров приобретение и использование
вычислительных машин обходились очень дорого, что исключало их владение частными
лицами. Компьютеры можно было найти в больших корпорациях, университетах,
исследовательских центрах, государственных учреждениях и, конечно же, у военных.
Создание персональных компьютеров стало возможным в семидесятых годах, когда
любители стали собирать свои собственные компьютеры иногда лишь для того, чтобы в
принципе иметь возможность похвастаться таким необычным предметом. Ранние персональные
компьютеры почти не имели практического применения и распространялись очень медленно.
Родившись в качестве жаргонизма, синонима названия микрокомпьютер, наименование
персональный компьютер постепенно меняло своё значение. Так, первое поколение
персональных компьютеров можно было приобрести только в виде комплекта деталей, а иногда
даже просто обыкновенной инструкции для сборки. Сама сборка, программирование и наладка
системы требовали определённого опыта, навыка работы с машинными кодами или
ассемблером. Чуть позднее, когда подобные устройства стали привычны и начали продаваться
готовыми, вместе с некоторым набором адаптированных программ, в обиход вошло название
домашний компьютер.
Домашние компьютеры стали более удобными и требовали от своих пользователей уже
гораздо меньшего количества технических навыков. В августе 1981 года IBM выпустила
компьютерную систему IBM PC (фирменный номер модели IBM 5150), положившую начало
эпохе современных персональных компьютеров.
Уже через 4 года, 23 июля 1985 года появился первый в мире мультимедийный
персональный компьютер Amiga (Amiga 1000) и персональный компьютер Apple Macintosh.
Персональные компьютеры Amiga, наряду с макинтошами, оставались самыми популярными и
продаваемыми машинами для домашнего использования (IBM PC доминировали в сфере
конторских компьютеров, и здесь их продажи были несравнимо выше) вплоть до 1995 года.
В 1995 году произошло два ключевых события в истории ПК: банкротство корпорации
Commodore и появление Microsoft Windows 95, приблизившей PC-совместимые компьютеры к
тем возможностям, которые существовали на Commodore Amiga и Apple Macintosh. Cегодня
возможности мультимедиа доступны в каждом доме и на любой аппаратной платформе.
3
Как правило, один экземпляр персонального компьютера используется только одним, или,
в крайнем случае, несколькими пользователями (например, в семье). В соответствии со своим
назначением, он обеспечивает работу наиболее часто используемых приложений, таких как
текстовые процессоры, веб-браузеры, почтовые программы, мессенджеры, мультимедийные
программы, компьютерные игры, графические редакторы, среды разработки программного
обеспечения и т. п. Для упрощения взаимодействия с людьми подобные программы
оснащаются удобным графическим интерфейсом.
По данным аналитической компании IDC, в 2005 году мировые поставки персональных
компьютеров составили 202,7 млн штук (рост на 15,8 % по сравнению с 2004 годом).
В 2007 году, по данным IDC, продажи персональных компьютеров в мире составили 269
млн штук (рост по сравнению с предыдущим годом на 14,3 %). Лидером по продажам ПК стала
компания Hewlett-Packard (около 18,2 % всех поставок).
4
Организация системы ввода/вывода микроЭВМ. Назначение адаптеров
и контроллеров внешних устройств.
Можно выделить четыре класса устройств ввода и вывода, широко используемых в
микро-ЭВМ, это:
1.
устройства, обеспечивающие взаимодействие пользователя и микро-ЭВМ
(клавиатуры, переключатели, светодиодные индикаторы и табло, дисплеи, печатающие и
звуковоспроизводящие устройства);
2.
устройства массовой памяти, обеспечивающие хранение, ввод и вывод
программ и данных, используемых в микро-ЭВМ (накопители информации на
магнитных и оптических дисках);
3.
устройства сопряжения с объектами. Этот класс устройств крайне
разнообразен, как разнообразны и сами объекты. Сюда могут входить разного рода
регистры, в том числе и релейные, аналого-цифровые и цифро-аналоговые
преобразователи, модуляторы и демодуляторы, усилители, фильтры и так далее;
4.
сетевое оборудование, обеспечивающее включение микро-ЭВМ в
информационно-вычислительную сеть.
Ни одно из перечисленных устройств не может быть непосредственно подключено к
шинам адреса, данных и управления микро-ЭВМ. Здесь необходимы специальные устройства
сопряжения, которые называют иначе контроллерами, адаптерами или интерфейсами. С точки
зрения микроЭВМ любой контроллер независимо от его сложности, рассматривается как один
или несколько портов ввода или вывода со своими конкретными, вполне определенными
адресами.
Организация портов безусловного ввода-вывода
Порты безусловного ввода-вывода строятся по функциональным схемам, показанным на
рис.1.
Рис.1.Функциональные схемы портов безусловного ввода-вывода
5
Внимательный анализ этих схем показывает что:
1.
на внешнем участке обмена порты безусловного ввода – вывода являются
одновременно портами прямого ввода – вывода, так как не используют каких – либо
сигналов сопровождения кода на этом участке;
2.
безусловный порт вывода поддерживает на внутреннем участке обмена
синхронный обмен;
Безусловный порт ввода поддерживает на внутреннем участке обмена обмен с
квитированием.
Поэтому порты безусловного ввода-вывода вносят в микро-ЭВМ все проблемы названных
видов обмена. Пути решения этих проблем наиболее очевидны для порта вывода. Здесь
достаточно обеспечить нужное соотношение быстродействий приемника и передатчика.
Труднее решаются проблемы порта ввода. Здесь приходится компенсировать отсутствие
известительного сигнала программным управлением приемом, повышающим до необходимого
уровня «понятливость» приемника.
Следует подчеркнуть, что отдельно взятый порт безусловного ввода-вывода обеспечивает
только прямую передачу кодов между портом и внешним устройством. Однако несколько таких
портов могут, при соответствующем программном обеспечении, реализовать и любой другой
способ обмена.
Организация порта условного вывода
Порт условного вывода обеспечивает асинхронный обмен кодами как с процессором, так
и с внешним устройством. Основу такого порта составляет порт безусловного вывода
параллельного кода, дополненный однобитным портом безусловного ввода сигнала управлении
. Функциональная схема порта условного вывода может иметь вид,
представленный на рис.2.
Рис.2.Функциональная схема порта условного вывода
6
Схему образует основной порт RG, дополнительный порт BF, логика аппаратной
поддержки протокола (триггеры Т1 и Т2), а также формирователи сигналов записи в основной
порт и чтения из дополнительного порта. На схеме не показаны цепи начальной установки в
нуль триггеров Т1 и Т2.
Формирователи сигналов записи и чтения получают сигналы I/OW I и /OR с шины
управления микро-ЭВМ, а сигналы
— «выбор основного порта» и
— «выбор
дополнительного порта» – с дешифратора выбора портов. Асинхронный протокол на внешнем
участке обмена поддерживается здесь аппаратно с помощью триггера Т2. Асинхронный
протокол на внутреннем участке обмена поддерживается как аппаратно, так и программно.
Аппаратную поддержку осуществляет триггер Т1, формирующий квитирующий сигнал
внутреннего участка обмена (IBF). Программная поддержка заключается в соответствующем
управлении основным и дополнительным портами. При этом квитирующий сигнал внутреннего
участка обмена (IBF) передается в микропроцессор по линии D0 шины данных через
дополнительный порт прямого ввода. Временные диаграммы известительных и квитирующих
сигналов порта изображены на рис.3.
Рис.3.Временные диаграммы работы порта условного вывода
На этом рисунке буквами отмечены:
A – момент переписи выводимого кода с шины данных в основной порт;
В – момент переписи выводимого кода с шины внешнего устройства в регистр памяти
этого устройства.
Для работы порта характерны:
1.
фиксированная длительность импульса (STB)
. Эта длительность
равна длительности сигнала I/OW и жестко задается микропроцессором;
2.
жесткая связь очередности формирования стробирующих сигналов (STB) и
OBF. Сигнал OBF формируется по заднему фронту сигнала (STB). В этом случае
обеспечивается минимально возможное время вывода кода;
3.
жесткая связь задних фронтов квитирующих сигналов (IBF) и ACK на
обоих участках обмена. В этих условиях вывод в порт последующего кода оказывается
невозможным, пока внешнее устройство полностью не завершило прием и обработку
предыдущего кода.
Инверсию сигнала (IBF) часто рассматривают как признак готовности порта условного
вывода к обмену с микропроцессором – RDY. Он принимает истинное значение только после
полного завершения процессов приема и обработки выведенного кода внешним устройством.
7
Организация порта условного ввода
Порт условного ввода обеспечивает асинхронный обмен кодами как с внешним
устройством, так и с процессором. Основу такого порта составляет порт безусловного ввода
параллельного кода, дополненный однобитным портом безусловного ввода сигнала управления
(OBF = RDY). Функциональная схема порта условного ввода может иметь вид, представленный
на рис.4.
Рис.4.Функциональная схема порта условного ввода
Схему образует основной порт BF1, дополнительный порт BF2, регистр памяти RG,
логика аппаратной поддержки протокола (триггеры Т1 и Т2), а также формирователи сигналов
чтения из основного и дополнительного портов. На схеме не показаны цепи начальной
установки в нуль триггеров Т1 и Т2. Формирователи сигналов чтения получают сигнал I/OR с
шины управления микро–ЭВМ, а также сигналы
– «выбор основного порта» и
–
«выбор дополнительного порта» с дешифратора выбора портов. Асинхронный протокол на
внешнем участке обмена поддерживается здесь аппаратно с помощью триггера Т1.
Асинхронный протокол на внутреннем участке обмена поддерживается как аппаратно, так и
программно. Аппаратную поддержку осуществляет триггер Т2, формирующий известительный
сигнал внутреннего участка обмена (OBF). Программная поддержка заключается в
соответствующем управлении основным и дополнительными портами. При этом
известительный сигнал внутреннего участка обмена (OBF) передается в микропроцессор по
линии D0 шины данных через дополнительный порт прямого ввода. Временные диаграммы
известительных и квитирующих сигналов порта изображены на рис.5.
На этом рисунке буквами отмечены:
A – момент переписи вводимого кода с шины данных внешнего устройства в регистр RG;
В – момент переписи вводимого кода из регистра RG в буферный регистр данных
микропроцессора.
8
Рис.5.Временные диаграммы работы порта условного ввода
Для работы порта характерны:
1.
фиксированная длительность импульса (ACK) t(ACK). Эта длительность
равна длительности сигнала I/OR и жестко задается микропроцессором;
2.
жесткая связь очередности формирования стробирующих сигналов STB и
(OBF). Сигнал (OBF) формируется по заднему фронту сигнала STB;
3.
жесткая связь задних фронтов квитирующих сигналов IBF и (ACK) на
обоих участках обмена. В этих условиях прием портом последующего кода от внешнего
устройства оказывается невозможен, пока микропроцессор полностью не завершил
прием предыдущего кода.
Сигнал (OBF) часто рассматривают как признак готовности порта условного ввода к
обмену с микропроцессором – RDY. Он принимает истинное значение в момент переписи кода
с шины внешнего устройства в регистр RG.
Микроконтроллер — микросхема, предназначенная для управления электронными
устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и
периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный
компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо
целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах,
значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе
микроконтроллеров.
Адаптер — структурный шаблон проектирования, предназначенный для организации
использования функций объекта, недоступного для модификации, через специально созданный
интерфейс.
Контроллеры и адаптеры предназначены для подключения устройств к сетевой шине.
9
Реальный режим работы МП.
Начиная с МП 80286 микропроцессоры могут работать в двух режимах: реальном (Real
mode) и защищенном (Protected mode). В реальном режиме имитируется (эмулируется) работа
МП 8086 - однозадачная. Среда выполнения в реальном режиме копирует среду выполнения
МП 8086/88. Для программы МП 8086/88 современный микропроцессор в реальном режиме
ведет себя как высокоскоростной МП 8086.
Для среды выполнения в реальном режиме характерны следующие особенности:
1. Процессор поддерживает адресное пространство до 1Мбайт, организованное как "модель
режима реального адреса". Адресное пространство разбито на сегменты по 64Кбайт. 20битный базовый адрес сегмента вычисляется сдвигом значения селектора на 4 бита влево.
Данные внутри сегмента адресуются 16-битным смещением.
В этом режиме формирования линейного адреса есть возможность адресовать пространство
между 1Мб и 1Мб+64Кб (например, указав в качестве селектора 0FFFFh, а в качестве
смещения 0FFFFh, мы получим линейный адрес 10FFEFh). Однако МП 8086, обладая 20разрядной шиной адреса, отбрасывает старший бит, "заворачивая" адресное пространство
(в данном примере МП 8086 обратится по адресу 0FFEFh). В реальном режиме
микропроцессоры IA-32 "заворачивания" не производят. Для 486+ появился новый сигнал A20M#, который позволяет блокировать 20-й разряд шины адреса, эмулируя таким образом
"заворачивание" адресного пространство, аналогичное МП 8086.
Хотя в программах для реального режима можно использовать префикс смены размера
адреса, смещение в любом случае не должно выходить за 0FFFFh (предел сегментов в
реальном режиме), в противном случае генерируется исключение #13 (или #12 для стека).
2. В реальном режиме поддерживаются все регистры общего назначения и сегментные
регистры МП 8086. Команды оперируют с 8-битными и 16-битными регистрами. Кроме
того, программам доступны новые сегментные регистры FS и GS. Более того, используя
префикс смены размера операнда, программа может использовать 32-битные операнды и
все 32 разряда регистров общего назначения.
3. Программа работает с единым 16-битным стеком, на который указывает регистр SS.
Регистр SP содержит 16-битное смещение вершины стека. Для адресации внутри стека
можно также использовать регистр BP. При выполнении вызова (CALL) процессор
помещает младшие 16 бит регистра EIP в стек (а при выполнении межсегментного вызова также значение CS). При возврате по инструкции RET процессор извлекает из стека адрес
следующей команды (и значение CS - при межсегментном возврате). При вызове
обработчика прерывания или исключения процессор помещает в стек младшие 16 бит
регистра EIP, значение CS и младшие 16 бит регистра флагов EFLAGS. При возврате из
обработчика по инструкции IRET процессор извлекает из стека эти значения.
10
4. Адреса обработчиков прерываний и исключений хранятся в таблице векторов прерываний.
Номер прерывания или исключения является индексом для этой таблицы, а ее элементы вектора прерываний (4 байта) - представляют собой 16-битные селекторы и 16-битные
смещения точек входа в процедуры обработчиков.
Базовый адрес таблицы векторов прерываний хранится в специальном регистре IDTR и
может быть изменен с помощью инструкции LIDT, в отличие от МП 8086, у которого
таблица векторов прерываний всегда располагается по адресу 00000h. При вызове
обработчика микропроцессор очищает флаги TF, RF и IF. В реальном режиме исключения
процессора не генерируют код ошибки и не включают его в стек. МП 8086 генерирует
лишь исключения #0, #2, #3 и #4, а остальные микропроцессоры IA-32 генерируют
исключения #0-#8, #12 и #13 (при превышении пределов сегментов), #16 и #18 (Pentium+).
5. В реальном режиме микропроцессоры IA-32 поддерживают все инструкции МП
8086/186/286, но кроме них программа может использовать также новые инструкции:
 инструкции работы с управляющими регистрами и регистрами отладки (MOV
to/from CRx, DRx);
 инструкции загрузки сегментных регистров LSS, LFS, LGS;
 инструкции загрузки со знаковым расширением (MOVSX, MOVZX);
 инструкции условных переходов с 16-битным смещением;
 инструкции обмена CMPXCHG (486+), CMPXCHG8B (Pentium+), XADD (486+);
 инструкции тестирования и сканирования битов BT, BTS, BTR, BTC, BSF, BSR;
 инструкции обмена байтами BSWAP (486+);
 инструкции проверки условия SETcc;
 инструкции двойного сдвига SHLD, SHRD;
 инструкцию идентификации процессора CPUID;
 системные инструкции CLTS, LGDT, SGDT, LIDT, SIDT, LMSW, SMSW;
 инструкции управления кэшем (486+) INVD, WINVD, INVLPG;
 инструкции для работы со специальными регистрами RDMSR (Pentium+), WRMSR
(Pentium+), RDTSC (Pentium+), RDPMC (P6+).
При попытке выполнить
генерироваться исключение #6.
другие
инструкции
11
микропроцессоров
IA-32
будет
Печатающие устройства ПЭВМ (лазерные, струйные, термопринтеры).
Компьютерный принтер (англ. printer — печатник) — устройство печати цифровой
информации обычно на бумагу. Процесс печати называется вывод на печать, а получившийся
документ — распечатка. Принтеры имеют преобразователь цифровой информации (текст, фото,
графика), хранящейся в запоминающих устройствах компьютера, фотоаппарата и цифровой
памяти, в специальный машинный язык.
Принтеры бывают струйные, лазерные, матричные и сублимационные, а по цвету печати
— полноцветные и монохромные.
Монохромные принтеры имеют несколько градаций, обычно 2-5, например: черный —
белый, одноцветный (или красный, или синий, или зелёный) — белый, многоцветный (чёрный,
красный, синий, зелёный) — белый.
Получили распространение многофункциональные принтеры, в которых в одном приборе
объединены принтер, сканер, копир и факс. Такое объединение рационально технически и
удобно в работе. Широкоформатные (А3, А2) принтеры иногда неверно называют плоттерами.
Способы соединения принтера с носителем цифровой информации
1.
последовательный порт
2.
параллельный порт
3.
Universal Serial Bus
Современные принтеры читают флэш-память, имеют видеоэкран и могут печатать
фотографии без компьютера. Принтеры, имеющие сетевой интерфейс, подключаются в
локальную сеть, что позволяет пользоваться принтером автономно с нескольких компьютеров.
По распространённости лидером является струйная печать, второй — лазерная, третьей —
термосублимационная, четвёртой — матричная. При струйном, лазерном и матричном способах
печати линиатура составляет 300-80-30 lpi, и зависит от разрешающей способности устройства.
При сублимационной печати линиатура получаемых полутонов более 300 lpi, поэтому наиболее
массовое применение монохромные лазерная и матричная технологии находят при печати
текстов и графики, а полноцветная термосублимационная технология используется в
фотопринтерах. Цветная струйная печать показывает хорошие результаты при печати текстов,
графики и фотографий.
По цветообразованию к полноцветным (англ. continuous tone — непрерывный тон цвета)
относится только термосублимационная технология. Струйная, лазерная и матричная
технологии — растровые (англ. bi-level — два уровня), то есть для получения одной
полноцветной точки растра (2 уровень) нужен микрорастр — по 16х16=256 «служебных»
микропиксел каждого цвета (1 уровень). Главный конструктивный недостаток лазерных
технологий — трудности достижения разрешения более 1200dpi, точек на дюйм. В настоящее
время предел для лазерной печати каждого цвета при растрировании 2400dpi /16=150 lpi, что на
порядок хуже характеристик аналоговой цветной фотобумаги.
Новые модификации лазерных, струйных и термосублимационных технологий печати
дают хорошие результаты и относятся к комбинированным (англ. contone — полутоновый
цвет). Contone = bi-level + continuous tone. Такое полутоновое изображение местами печатается
точками, а местами непрерывной заливкой красителем. Струйная и лазерная технологии
печатают точки с «резкими» границами, без перекрытия, что хорошо при высоком разрешении,
а если разрешение менее 4800dpi, то на конечном изображении виден растр, в аналоговой
фотографии говорили о зернистости изображения. На аналоговой цветной фотобумаге
изображение создается тоже точками (зерном) с «резкими» границами, но разрешение
12
фотобумаги высокое и изображение получается мелкозернистым и отличного качества. При
термосублимационной технологии соседние пиксели частично перекрываются. Это, к
сожалению, снижает разрешение до 300 lpi (300 lpi для растра — 300х16=4800dpi), но создает
эффект непрерывности изображения, как на аналоговой цветной фотобумаге. Визуально, фото,
отпечатанное на термосублимационном принтере, выглядит отлично.
Лазерные принтеры
Технология — прародитель современной лазерной печати появилась в 1938 году —
Честер Карлсон изобрёл способ печати, названный электрография, а затем переименованный в
ксерографию. Принцип технологии заключался в следующем. По поверхности фотобарабана
коротроном (скоротроном) заряда, либо валом заряда равномерно распределяется статический
заряд, после этого светодиодным лазером (либо светодиодной линейкой) на фотобарабане
снимается заряд — тем самым на поверхность барабана помещается скрытое изображение.
Далее на фотобарабан наносится тонер, после этого барабан прокатывается по бумаге, и тонер
переносится на бумагу коротроном переноса, либо валом переноса. Тонер, в зависимости от
знака его заряда, может притягиваться к поверхности, сохранившей скрытое изображение или
фону. После этого бумага проходит через блок термозакрепления для фиксации тонера, а
фотобарабан очищается от остатков тонера и разряжается в узле очистки.
Первым лазерным принтером, стал EARS (Ethernet, Alto, Research character generator,
Scanned Laser Output Terminal), изобретённый в 1971 году в корпорации Xerox, а серийное
производство было налажено во второй половине 70х. Принтер Xerox 9700 можно было
приобрести в то время за 350 тысяч долларов, зато печатал он со скоростью 120 стр./мин.
К достоинствам лазерной печати относится постоянная готовность к работе. У лазерного
принтера порошок тонера не сохнет, ничто не засоряется. Правда, на простых моделях
принтеров тонер и бумага царапают светочувствительный слой на барабане, что ограничивает
срок службы барабана 4-5 заправками ёмкости картриджа. В недорогих принтерах ресурс
фотобарабана рассчитан на 10.000-15.000 страниц, а ресурс картриджа рассчитан на 2.000 —
5.000 страниц при 5 % заполнении.
Запасные картриджи лазерных принтеров у многих фирм одноразовые и продаются в
комплекте со светочувствительным барабаном, что, относительно дорого. Это выгодно фирмам
производителям, но не оправдано технически. Многие пользователи сами заправляют
картриджи тонером по 4-5 раз и экономят на этом до 300€. За границей заправку картриджей
лазерных и струйных принтеров выполняют в маленьких салонах за 10€. Но лучше все же
покупать фирменные картриджи.
Лазерные принтеры печатают быстрее струйных и др. принтеров. Лазерные принтеры
могут использовать разную (например, текстурную) бумагу и плёнки. Отпечатки с лазерного
принтера более стойки к влаге, агрессивным средам, однако, поскольку тонеры изображения
лазерного принтера термически напекаются на носитель, то, со временем, может происходить
осыпание изображения, особенно если бумага подвергается механическому воздействию.
Расходные материалы для лазерных принтеров в пересчете на 1 стандартную страницу
почти вдвое дешевле, чем для струйных принтеров. Самые дешевые расходные материалы для
матричных принтеров.
Полноцветный лазерный принтер состоит фактически из 4 монохромных, поэтому эта
аппаратура стоит достаточно дорого (от 250€) по сравнению со струйными,
термосублимационными и матричными принтерами (45-150€). Комплект картриджа со
светочувствительным барабаном для лазерного монохромного принтера ценой до 150€ стоит
около 70€. Комплект картриджей для полноцветного лазерного принтера со
светочувствительными барабанами стоит примерно в 5 раз дороже одного монохромного
картриджа.
13
Струйные принтеры
Принцип действия струйных принтеров похож на матричные принтеры тем, что
изображение на носителе формируется из точек. Но вместо головок с иголками в струйных
принтерах используется матрица печатающая жидкими красителями. Картриджи с красителями
бывают со встроенной печатающей головкой — в основном такой подход используется
компаниями Hewlett-Packard, Lexmark. Фирмы Epson, Canon производят струйные принтеры, в
которых печатающая матрица является деталью принтера, а сменные картриджи содержат
только краситель. При длительном простое принтера (неделя и больше) происходит высыхание
остатков красителя на соплах печатающей головки. Принтер умеет сам автоматически чистить
печатающую головку. Но также возможно провести принудительную очистку сопел из
соответствующего раздела настройки драйвера принтера. При прочистке сопел печатающей
головки происходит интенсивный расход красителя. Особенно критично засорение сопел
печатающей матрицы принтеров Epson, Canon. Если штатными средствами принтера не удалось
очистить сопла печатающей головки, то дальнейшая очистка и/или замена печатающей головки
проводится в ремонтных мастерских. Замена картриджа, содержащего печатающую матрицу, на
новый проблем не вызывает.
Печатающие головки струйных принтеров создаются с использованием следующих типов
подачи красителя:
Непрерывная подача (Continuous Ink Jet) — подача красителя во время печати происходит
непрерывно, факт попадания красителя на запечатываемую поверхность определяется
модулятором потока красителя. Утверждается, что патент на данный способ печати
выдан(англ.) Вильяму Томпсону (William Thomson) в 1867 году.
В технической реализации(англ.) такой печатающей головки в сопло под давлением
подается краситель, который на выходе из сопла разбивается на последовательность микро
капель (объемом нескольких десятков пиколитров), которым дополнительно сообщается
электрический заряд. Разбиение потока красителя на капли происходит расположенным на
сопле пьезокристаллом, на котором формируется акустическая волна (частотой в десятки
килогерц). Отклонение потока капель производится электростатической отклоняющей
системой (дифлектором). Те капли красителя, которые не должны попасть на запечатываемую
поверхность, собираются в сборник красителя и, как правило, возвращаются обратно в
основной резервуар с красителем. Первый(англ.) струйный принтер изготовленный с
использованием данного способа подачи красителя выпустила Siemens в 1951 году.
Подача по требованию (Drop-on-demand(англ.)) — подача красителя из сопла печатающей
головки происходит только тогда, когда краситель действительно надо нанести на
соответствующую соплу область запечатываемой поверхности. Именно этот способ подачи
красителя и получил самое широкое распространение в современных струйных принтерах.
На данный момент существует две технические реализации данного способа подачи
красителя:
Пьезоэлектрическая (Piezoelectric Ink Jet) — над соплом расположен пьезокристалл с
диафрагмой. Когда на пьезоэлемент подаётся электрический ток он изгибается и тянет за собой
диафрагму — формируется капля, которая впоследствии выталкивается на бумагу. Широкое
распространение получила в принтерах компании Epson. Технология позволяет изменять
размер капли.
Термическая (Thermal Ink Jet), также называемая BubbleJet — Разработчик — компания
Canon. Принцип был разработан в конце 70-х годов. В сопле расположен микроскопический
нагревательный элемент, который при прохождении электрического тока мгновенно
нагревается до температуры около 500 °C, при нагревании в чернилах образуются газовые
пузырьки (англ. — bubbles — отсюда и название технологии), которые выталкивают капли
жидкости из сопла на носитель. В 1981 году технология была представлена на выставке Canon
Grand Fair. В 1985-ом появилась первая коммерческая модель монохромного принтера — Canon
14
BJ-80. В 1988 году появился первый цветной принтер — BJC-440 формата A2, разрешением 400
dpi.
Главные конструктивные недостатки струйных технологий: проблемы с засыханием
чернил и засорением сопел и дефекты воспроизведения слабоокрашенных фрагментов
изображения.
Причин засорения сопел много. Например:
а) на поверхности чернил образуется плёнка окисла, которая при полном израсходовании
чернил картриджа устремляется в сопла,
б) испарение воды из чернильной суспензии и загустение чернил,
в) слипание зерен в пигментных чернилах,
г) чернила пригорают на термоэлементах и эта чешуя летит в фильтр и сопла и т. д.
Фильтры картриджа из поролона не достаточно эффективны и накапливают «мусор» при
неоднократном использовании картриджа после перезаправки. При разрешении 4800dpi капли
должны падать на бумагу с шагом 25,4\4800=0,0053 мм. При каждой распечатке термические
или пьезоэлектрические насосы выталкивают из каждого сопла миллионы капель чернил
емкостью от 1 пиколитра. При встрече с бумагой капля разбрызгивается, чернила впитываются
и расплываются. Пятно чернил по диаметру получается, примерно, в 2 раза больше сопла,
выбросившего каплю. Сопло имеет диаметр порядка 0,0053\2=2,6 микрон. Естественно, что
засориться соплу диаметром менее 3 микрон очень просто. Какое-то из более 400 сопел
печатающей головки обязательно засорится.
Для воспроизведения светлого участка изображения любого цвета требуется мало
окрашенных «служебных» микропикселей, в результате получаются редкие точки на
«большой» площади изображения — просто неокрашенная бумага. А человек судит о качестве
изображения, в первую очередь, исходя из достоверности воспроизведения именно светлых
оттенков изображения. Чтобы смягчить этот недостаток, к четырем базовым цветам (CMYK)
добавляются по одному или по два светлых (light) варианта голубых (C-light), пурпурных (Mlight), желтых (Y-light) и черных (К-light или grey) чернил. Обычно бывает не более 8
чернильниц. Комплект фирменных картриджей для струйного принтера емкостью по 5-10 мл
стоит достаточно дорого (12-30€), а расходуются чернила не только на печать, но и на
прочистку сопел. Лучше, когда чернильницы неподвижны на корпусе принтера, они больше по
объему, можно использовать больше светлых цветов, они не снижают скорости печати за счет
инерции и создаются условия для снижения эффекта засыхания чернил за счет продувки
воздухом сопел печатающей головки после окончания работы.
Другие недостатки струйных технологий: невысокая скорость полноцветной печати,
обусловленная в основном растрированием и количеством дополнительных светлых цветов,
выцветание красок изображения, «водобоязнь» отпечатков, при использовании
водорастворимых чернил и осыпание изображения, при использовании пигментных чернил,
чувствительность к сорту бумаги.
Сублимационные принтеры
Термосублимация (возгонка) — это быстрый нагрев красителя, когда минуется жидкая
фаза. Из твердого красителя сразу образуется пар. Чем меньше порция, тем больше
фотографическая широта (динамический диапазон) цветопередачи. Пигмент каждого из
основных цветов, а их может быть три или четыре, находится на отдельной (или на общей
многослойной) тонкой лавсановой ленте (термосублимационные принтеры фирмы Mitsubishi
Electric). Печать окончательного цвета происходит в несколько проходов: каждая лента
последовательно протягивается под плотно прижатой термоголовкой, состоящей из множества
термоэлементов. Эти последние, нагреваясь, возгоняют краситель. Точки, благодаря малому
расстоянию между головкой и носителем, стабильно позиционируются и получаются весьма
малого размера.
15
К серьезным проблемам сублимационной печати можно отнести чувствительность
применяемых чернил к ультрафиолету. Если изображение не покрыть специальным слоем,
блокирующим ультрафиолет, то краски вскоре выцветут. При применении твердых красителей
и дополнительного ламинирующего слоя с ультрафиолетовым фильтром для предохранения
изображения, получаемые отпечатки не коробятся и хорошо переносят влажность, солнечный
свет и даже агрессивные среды, но возрастает цена фотографий. За полноцветность
сублимационной технологии приходится платить большим временем печати каждой
фотографии (печать одного снимка 10х15 см принтером Sony DPP-SV77 занимает около 90
секунд). Стоимость печатающих механизмов фотопринтера Canon Selphy CP-510 всего 59€ 99.
К наиболее известным производителям термосублимационных принтеров относятся
фирмы: Mitsubishi, Sony и Toshiba.
К достоинствам сублимационной печати относится возможность смешивать на носителе
изображения (бумаге) цвета в достаточно широком диапазоне (до 6 бит каждого из базовых
цветов). Наиболее светлые тона формируются в облачке красителя также естественно, как и
более темные. У струйных принтеров эта задача частично решается, к сожалению, за счет
добавления чернильниц светлых тонов — то есть усложнения аппаратуры и удорожания
печати. Не менее трудны пути решения этой задачи для лазерных технологий, где используют
предварительное смешивание цветов на барабане с помощью магнитных добавок к тонеру или
смешивание цветов на промежуточном носителе с последующей печатью на бумагу.
К серьёзным проблемам сублимационной печати можно отнести крайне медленный вывод
фотографий (фото10х15 см печатается более 1 минуты) и чувствительность применяемых
чернил к ультрафиолету. Комплекты для сублимационной печати пока еще дороги (одно
фото10х15 см стоит не меньше 0,4€, комплект на 100 листов стоит 35€).
16
Литература
1. http://www.dims.karelia.ru/
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница
3. http://www.yandex.ru/
17