Тема урока: Периферийные устройства ввода-вывода. Классификация.
Цели:
1. Познакомить с понятием периферийных устройств ввода-вывода в ЭВМ.
2. Рассмотреть основные принципы классификации устройств ввода-вывода в ЭВМ.
3. Содействовать в ходе урока формированию мировоззренческого понятия познаваемости мира.
4. Развивать познавательные способности, интерес к предмету.
Методы: информационно-развивающие, действенно-практические.
Тип: Комбинированный.
Форма проведения: урок.
ТСО и материалы: Персональный компьютер.
Литература: МогилёвА.В., Пак Н.И., Хённер Е.К. Информатика: Учебное пособие для студентов пед.вузов.-М.,1999.-816 с.
Всё о компьютере/ В.Н.Мирошников. – М.: ООО «Издательство АСТ», 2003. – 319с.
Ход урока
Организационный момент
Объяснение нового материала Периферийные устройства ввода-вывода Классификация
Вопросы организации ввода/вывода в вычислительной системе иногда оказываются вне внимания потребителей. Это привело к тому, что при оценке производительности системы часто используются оценки только производительности процессора. Такое отношение к системам ввода/вывода, как к некоторым не очень важным понятиям, проистекает также из термина “периферия”, который к ним применяется.
Однако, очевидно, что одной из наиболее правильных оценок производительности системы является время ответа (время между моментом ввода пользователем задания и получения им результата), которое учитывает все накладные расходы, связанные с выполнением задания в системе, включая ввод/вывод.
Существует множество видов периферийных устройств.
Периферийное устройство – устройство, которое не относится к системе компьютер-дисплей-клавиатура, подключается через порт. Среди них можно выделить два больших класса: устройства ввода информации в ЭВМ и устройства вывода.
Устройства ввода предназначены для ввода данных и программ, а также для внесения исправлений в программу и данные, хранящиеся в памяти ЭВМ; подразделяются на неавтоматические (ручные) и автоматические. Автоматические характеризуются тем, что в них информация вводится автоматически: с магнитных носителей, с напечатанных текстов и графиков. Их быстродействие выше, чем у ручных. Ручные устройства отличаются меньшим быстродействием, но позволяют корректировать информацию в процессе ввода. К ним относятся различные пульты управления.
Устройства вывода служат для вывода из ЭВМ информации, результатов обработки данных в текстовой, графической, мультимедийной или цифро-аналоговой форме. Они разделяются на следующие виды:
• устройства вывода на промежуточный или машинный носитель (магнитные носители);
• устройства для вывода и фиксации информации в виде текстов, графиков, таблиц (печатающее устройство, графопостроитель);
• устройства вывода информации во внешнюю среду (ЦАП, вывод на линию связи).
Наиболее распространенными устройствами вывода являются: принтеры; графопостроители; стриммеры.
К устройствам ввода относятся: мыши; трэкболлы; джойстики; световые перья; дигитайзеры; цифровые камеры; сканеры.
Модем может служить как для ввода, так и для вывода информации.
Рассмотрим основные виды периферийных устройств.
Принтеры
Принтер – устройство для отображения информации на бумаге или специальной плёнке.
Существует несколько типов принтеров: матричные, струйные, лазерные, твёрдочернильные, термосублимационные и т.д.
Первичное разделение принтеров на классы обычно производят по механизму нанесения отпечатков.
Матричные принтеры
Это самый старый из применяемых тип принтеров. Строка формируется за счет прохода по ней головки с вертикальным рядом иголок (точнее, тонких цилиндров), которые бьют по красящей ленте и оставляют отпечаток, как пишущая машинка. Любой символ формируется на базе матрицы точек размером m x n. По числу иголок различают два типа: 9- и 24-игольчатые. Были 48-игольчатые, но они не получили широкого распространения.
Символ в строке печатается за один проход печатающей головки при низком качестве печати – режим Draft (черновик), и за несколько проходов – при нормальном и высоком качестве печати. Этой особенностью матричных принтеров объясняется низкое быстродействие.
Достоинства матричных принтеров:
низкая стоимость отпечатка (в силу дешевизны красящей ленты); нетребовательность к бумаге.
Недостатки:
отсутствие цветности (иногда применяют двухцветные ленты); шумность; медлительность;
относительно низкое качество печати.
Матричные принтеры выходят из употребления. Фактически, наследниками матричных принтеров являются струйные.
Струйные принтеры
Принцип работы принтеров этого типа основан на разбрызгивании микроскопических капелек чернил на бумагу сквозь тонкие сопла (или дюзы) в печатающей головке. Печатающая головка при печати перемещается поступательно слева направо, а отпечатав строку, передвигается вниз по листу. Работают эти принтеры практически бесшумно.
С труйные принтеры подразделяются на устройства непрерывного действия (continuous drop) и дискретного (drop-on-demand) действия. Ввиду менее высокой цены более распространенными являются принтеры второго типа, в свою очередь, подразделяющиеся на пьезоэлектрические (piezo-ink) и пузырьковые (bubble-jet).
В пьезоэлектрических печатающих головках в каждое их сопло установлен пьезокристалл, связанный с диафрагмой. Под воздействием короткого импульса электрического тока он деформируется, и часть чернил выталкивается из красочного резервуара через сопло на бумагу. Наиболее распространенные принтеры, работающие по этой технологии, производит японская фирма Epson.
Достоинством пьезоэлектрических принтеров является достаточно высокое качество изображения, а недостатком — засорение сопел засыхающей краской (правда, большинство таких принтеров оснащено специальным механизмом, самостоятельно выполняющим чистку головок перед печатью).
В пузырьковых печатающих головках каждое сопло оборудовано термоэлементом, который под воздействием электрического тока практически мгновенно нагревается до высокой температуры. При этом чернила закипают, образуются газовые пузырьки, выталкивающие микрокапли чернил наружу. После этого термоэлемент остывает, пузырьки уменьшаются и из красочного резервуара подается новая порция чернил. Достоинством этого типа принтеров является высокая долговечность (исключая печатающие головки, которые изнашиваются очень быстро и заменяются вместе со сменой чернильного картриджа), а недостатком — недостаточная резкость получаемых отпечатков. Эту технологию использует большинство принтеров, произведенных фирмами Hewlett-Packard, Canon и Lexmark.
Печать цветных изображений на струйных принтерах происходит путем смешения четырех основных цветов — голубого, пурпурного, желтого и черного. Эти цвета часто называют базовыми триадными цветами, а в полиграфии это называется цветовой моделью CMYK (от английских названий цветов Cyan, Magenta, Yellow, Blасk). В дорогих моделях принтеров используются дополнительные два цвета — либо светло-голубой и светло-пурпурный, либо оранжевый и зеленый (такие модели называют также фотопринтерами: они отличаются повышенным качеством цветопередачи). Хороший струйный фотопринтер на сегодняшний день обеспечивает вполне приемлемую альтернативу дорогим цветным лазерным устройствам.
Отметим, что струйные принтеры очень критичны к качеству бумаги, поэтому здесь следует придерживаться рекомендаций производителя принтера. Наивысшее качество струйной печати достигается на специальной фотобумаге, отличающейся достаточно высокой ценой. В результате себестоимость хорошего цветного струйного отпечатка составляет около 1,5-2 евро.
Параметр, характеризующий величину наименьших деталей изображения, которые принтер способен передавать без искажений, называется разрешением. Измеряют его обычно в точках на дюйм (dpi). Заметим, что разрешение принтера соответствует числу физических точек черного либо одного из основных цветов, наносимых на бумагу. Для печати промежуточных оттенков принтер прибегает к растрированию полутонов. С точки зрения пользователя это означает, что только 1-битное черно-белое (либо голубо-белое, пурпурно-белое, желто-белое) изображение (bitmap) без полутонов может быть напечатано с разрешением, равным заявляемому разрешению принтера, а полутоновое изображение должно иметь разрешение в 6-8 раз меньше.
Иначе говоря, для качественной струйной печати полутонового или цветного изображения с разрешением 120 dpi необходим принтер с разрешением 720 dpi, а для изображения с разрешением 180 dpi — принтер на 1440 dpi. Заметим, что реальное физическое разрешение головок принтеров Epson составляет 720 dpi (1440 у высших моделей), а за счет половинного перемещения головки достигается разрешение 1440x720 dpi (соответственно, у высших моделей 2880 х 1440 dpi).
Реальное физическое разрешение струйных принтеров Hewlett Packard составляет всего 300 dpi (при черно-белой струйной печати -600 dpi). Правда, за счет переменного диаметра капель и нескольких проходов головки визуально отпечаток выглядит ненамного хуже соответствующего отпечатка принтера Epson, но в светах и особенно на градиентных заливках разница видна четко.
Физическое разрешение струйных пузырьковых принтеров Canon составляет 1200 dpi, но за счет недостатков самой технологии bubble-jet отпечатки Canon смотрятся чуть хуже отпечатков Epson.
Учитывая большой объем данных, необходимых для качественной цветной струйной печати, такие принтеры оснащаются оперативной памятью объемом 32—64 Мб с возможностью расширения путем покупки дополнительных специальных модулей памяти SIMM для принтеров.
Как у всякой современной техники, у «струйников» есть свои недостатки. Скорость их печати довольно невысока — от одной до трех страниц в минуту. Это скорость для одноцветной печати. А скорость цветной печати еще ниже — распечатка одной страницы производится за 3-5 минут. К другим существенным недостаткам струйных принтеров следует отнести высокую стоимость одного листа, требовательность к качеству бумаги (особенно для цветной печати) и достаточно малый ресурс картриджа с чернилами (заметим, что последние модели картриджей к струйным принтерам имеют развитые системы слежения за уровнем чернил, не позволяющие перезаправлять кончившиеся картриджи).
В целом в низшей ценовой категории на субъективный взгляд лидирующее положение принадлежит Epson, второе тесто держит Canon и третье — Hewlett-Packard.
Лазерные принтеры
В настоящее время наиболее современный, универсальный, высококачественный и самый дорогой принтер для персонального компьютера — это лазерный принтер. Следует оговориться, что цены на некоторые модели лазерных принтеров на момент написания книги составляют около 600 евро.
Принцип печати в лазерных принтерах напоминает принцип работы копировального аппарата фирмы «Ксерокс». Одним из важных элементов этого типа принтеров является барабан — металлический цилиндр, покрытый тонким слоем полупроводника. При печати барабан равномерно электризуется, затем лазерный луч, которым управляет электронная система, отражаясь от вращающегося зеркала, попадает на барабан и в нужных местах изменяет его статический заряд за счет фотоэффекта. Таким образом на барабане получается виртуальная копия изображения. Затем при помощи другого барабана, непонятно почему называемого девелопером (англ, developer - «разработчик»), на фотобарабан наносится порошкообразное вещество тонер. В результате притяжения под действием электрического поля частицы тонера прилипают к поверхности фотобарабана в тех точках, где произошла лазерная экспозиция поверхности. После этого подается бумага, которой в ходе прохождения через тракт принтера сообщается статический заряд, противоположный по знаку заряду засвеченных точек. В результате тонер переходит с барабана на бумагу, которая затем «запекается» при температуре около 200° С, что и фиксирует тонер на бумаге окончательно. Весь этот процесс, такой долгий для описания, происходит за считанные секунды, после чего заряд с барабана снимается, оставшийся тонер счищается и принтер начинает печать следующего листа.
Все вышеописанное относилось к черно-белым лазерным принтерам. Цветные аппараты, по сути, представляют собой четыре черно-белых аппарата с одним общим фотобарабаном. Соответственно, имеется четыре емкости для тонера каждого из основных цветов — голубого, пурпурного, желтого и черного. В старых аппаратах краски каждого из этих цветов последовательно наносились на фотобарабан и бумагу, в результате лист печатался за 4 прогона. В более современных цветных лазерных принтерах отдельными прогонами краски наносятся только на барабан, а на бумагу с него переносятся все сразу.
Типичные значения разрешения лазерных принтеров составляют 300 и 600 dpi (в высших моделях до 1200 dpi) для черно-белой печати и 200 и 400 dpi (в высших моделях до 600 dpi) для цветной печати. Естественно, для обработки изображений такого разрешения необходим солидный объем оперативной памяти. Действительно, черно-белые принтеры оснащаются 8-32 Мб, а цветные — 64-256 Мб «оперативки» с возможностью расширения специальными принтерными модулями SIMM.
В прямой зависимости от цены лазерного принтера находится его скорость: чем он дороже, тем быстрее идет процесс печати. Так, самые дешевые лазерные принтеры печатают от 4 до 12 страниц в минуту, более серьезные принтеры для рабочих групп — от 12 до 24 страниц в минуту, а специальные принтеры для организаций с большим документооборотом — свыше 32 страниц в минуту (правда, и цена их иногда оказывается намного дороже обычного цветного «лазерника»). Последние обычно представляют собой не просто принтеры, а целые компьютеры с собственным микропроцессором и жестким диском.
Дорогие лазерные принтеры часто оснащаются устройством двусторонней (дуплексной) печати, а в обычных иногда имеется возможность дооснащения принтера устройством дуплекса. На самом деле качественная печать с обеих сторон бумажного листа возможна исключительно при наличии этого устройства: при ручном переворачивании листа для запечатки его оборотной стороны, во-первых, возможно попадание полузапекшегося тонера на барабан (эти частицы не снимаются стандартным устройством счистки ввиду их повышенной плотности и вызывают появление на последующих листах полос), а во-вторых, возможно застревание листа бумаги в принтере за счет его изменившихся физических свойств при первой запечатке. В последнем случае приходится останавливать работу принтера и извлекать застрявший лист бумаги с риском запачкаться незапекшимся тонером.
На Западе использованные картриджи для лазерного принтера возвращают компании-производителю. В России довольно успешно существуют комании, занимающиеся дозаправкой использованных картриджей. Причем необходимо отметить, что дело это менее безнадежное, чем, к примеру, заправка картриджей для «струнников»: лазерные картриджи действительно выдерживают 2-3 заправки тонером, причем перезаправленный картридж печатает ненамного хуже нового. После этого использованный картридж все же необходимо выбросить, потому что за такой срок фотобарабан, как правило, приходит в негодность. Не стоит соблазняться перспективой заменить барабан: практика показывает, что после замены картридж не выдерживает более 1-2 заправок. Но в целом с учетом всего вышеописанного «шаманства» себестоимость одной страницы лазерного принтера оказывается существенно ниже аналогичной для «струйника».
Лазерный принтер — довольно быстрое устройство, поэтому для его подключения рекомендуется использовать скоростные порты USB или сетевые порты с соответствующими принт-серверами. Для еще большего ускорения работы можно воспользоваться специальным программным растеризатором (raster image processor, RIP), который перекладывает работу по созданию растровой карты со встроенного в принтер процессора «на плечи» центрального процессора компьютера.
Достоинства лазерных принтеров:
• высокая скорость печати; большой ресурс работы; высокое качество печати.
Заметим, что растровый характер изображения, получаемого на таком принтере, меньше, чем у матричных, но больше, чем у сублимационных.
К недостаткам лазерных принтеров можно отнести:
• большой расход энергии (поэтому принтер нельзя питать через источник бесперебойного питания в силу недостаточной мощности последнего);
• дороговизну; громоздкость; большую электризацию воздуха.
Эти принтеры наилучшим образом подходят для офисной работы, где их недостатки не имеют большого значения.
Принтеры на светодиодах
Как вариант лазерного принтера можно рассматривать так называемый светодиодный принтер, где для засвечивания барабана используется неподвижная линейка светодиодов (порядка нескольких тысяч), формирующих изображение не по отдельным точкам, а целой строкой. На основе этой технологии работают принтеры японской фирмы OKI .
В данных принтерах метод нанесения отпечатков схож с методом, используемым в лазерных, только единицей обработки является строка, чей наэлектризованный образ создает ряд светодиодов. По сравнению с лазерными принтерами, эти принтеры более простые и дешевые, так как не нужна сложная оптическая система для управления лазерным лучом. Кроме того, они существенно меньше электризуют воздух.
К недостаткам относится трудность реализации цвета.
Сублимационные принтеры
Эти принтеры специально используются для распечатки фотографий и обычно имеют небольшие размеры, поэтому не могут использоваться как универсальные.
Изображение наносится на бумагу за счет испарения (сублимации) красителя со специальной пленки.
Красителем непрерывно покрывается вся рабочая часть бумаги (в отличие от дискретных красящих кружочков у других классов принтеров), что повышает качество отпечатков. Особенно заметна разница на светлых участках, где сублимационная печать обеспечивает и плавность переходов, и хорошую проработку деталей. У других классов принтеров в таких местах будут только редкие точки (для осветления) и, соответственно, плохая проработка мелких деталей.
Достоинством принтеров является высокое качество, особенно на светлых участках изображения.
К недостаткам следует отнести:
• невозможность печатать текстовые документы (из-за ограниченных размеров бумаги и ее дороговизны);
• высокую цену принтера (за счет сложности конструкции) и расходных материалов.
Т вердочернильные принтеры
Твердочернильные (Solid Ink) принтеры были разработаны в попытке устранить основные недостатки цветных лазерных принтеров, а именно низкую скорость печати за счет совершения 4 проходов барабана по бумаге. Перед началом работы такого принтера твердые красители плавятся, затем поступают в печатающую головку и переносятся на бумагу, где практически мгновенно застывают (в этом состоит их существенное отличие от струйных принтеров, в которых краситель растекается по бумаге, за счет чего изображение может получаться более темным, чем необходимо).
Разрешение таких принтеров составляет 600 и 1200 dpi, а скорость печати — около 6-10 страниц в минуту. Отпечаток, сделанный на твердочернильном принтере, получается немного зернистым из-за физических свойств красителя (как правило, это цветной воск), зато очень насыщенным и хорошо передает полутона. Типичными представителями этого типа являются устройства Tektronix фирмы «Ксерокс».