ПОДСИСТЕМА ВНЕШНЕЙ ПАМЯТИ

Московский инженерно-физический институт
(государственный университет)
Кафедра «Компьютерные системы и технологии» (№12)
Электронный конспект лекций по курсу
«Периферийные устройства ЭВМ»
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Раздел 1. «Подсистема внешней памяти (ВЗУ)» .................................................................... 5
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВНЕШНЕЙ ПАМЯТИ ............................................. 5
1.1
РАЗНОВИДНОСТИ ВНЕШНЕЙ ПАМЯТИ .................................................................. 5
1.2
НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ ВНЕШНИХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ... 5
1.3
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАПИСИ-СЧИТЫВАНИЯ НА МАГНИТНЫЙ
НОСИТЕЛЬ ..................................................................................................................................... 11
1.4
МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ В НАКОПИТЕЛЯХ ...................... 13
2. НАКОПИТЕЛИ НА МАГНИТНЫХ ЛЕНТАХ И ДИСКАХ ......................... 16
2.1
2.2
НАКОПИТЕЛИ НА МАГНИТНЫХ ЛЕНТАХ ............................................................. 16
НАКОПИТЕЛИ НА МАГНИТНЫХ ДИСКАХ ............................................................. 19
3. СТРУКТУРА ДИСКОВОЙ ПАМЯТИ ................................................................. 31
3.1
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДИСКОВ ............................................. 31
3.2 ФИЗИЧЕСКАЯ И ЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ДИСКОВ ................................. 33
4. НАКОПИТЕЛИ НА ОПТИЧЕСКИХ ДИСКАХ................................................. 43
4.1
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.................................................................................................... 43
4.2 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАПИСИ-СЧИТЫВАНИЯ НА ОПТИЧЕСКИХ ДИСКАХ
............................................................................................................................................................ 44
Раздел2 «УСТРОЙСТВА ВВОДА-ВЫВОДА ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
(Дигитайзеры, сканеры, плоттеры) ........................................................................................ 50
1. ОСОБЕННОСТИ ВВОДА-ВЫВОДА ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ .. 50
2. РАЗНОВИДНОСТИ УСТРОЙСТВ ВВОДА-ВЫВОДА ГРАФИЧЕСКОЙ ... 52
3. ДИГИТАЙЗЕРЫ ...................................................................................................... 52
4. СКАНЕРЫ ................................................................................................................. 65
5. ПЛОТТЕРЫ .............................................................................................................. 75
5.1 РАЗНОВИДНОСТИ ПЛОТТЕРОВ ................................................................................................... 75
5.2. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПЕРЬЕВЫХ ПЛОТТЕРОВ .............................................................. 75
5.3 ФОРМИРОВАНИЕ ГРАФИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ
ПЕРОМ В ПЛОТТЕРЕ .......................................................................................................................... 77
5.4 ВЫВОД СИМВОЛОВ НА ПЛОТТЕРАХ ........................................................................................... 81
5.5 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПЛОТТЕРОВ ............................................................................ 82
5.6 РАСТРОВЫЕ ПЛОТТЕРЫ .............................................................................................................. 87
Раздел3 «Устройства вывода информации на печать (принтеры) .................................. 95
1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПЕЧАТАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ................... 96
2. ОРГАНИЗАЦИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИНТЕРА С ПЭВМ ................... 112
3. СПОСОБЫ ЗНАКОГЕНЕРАЦИИ В ЗНАКОСИНТЕЗИРУЮЩИХ
ПРИНТЕРАХ .............................................................................................................. 125
4. ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПЕЧАТЬЮ ........................................... 1333
Раздел 4 «Основы видеосистемы компьютера ................................................................... 1411
1.ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 142
2. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ И ПЛОСКИЕ ПАНЕЛИ ................... 145
3
4. РАСТРОВЫЙ ПРИНЦИП ВЫВОДА ИЗОБРАЖЕНИЙ И ТЕКСТА ..... 1533
4. УПРАВЛЕНИЕ ГРАДАЦИЯМИ ЯРКОСТИ И ЦВЕТОМ В ЭЛТ- И LCDДИСПЛЕЯХ ................................................................................................................ 156
5. ВИДЕОАДАПТЕРЫ И ВИДЕОМОНИТОРЫ ................................................ 160
6. РЕЖИМЫ РАБОТЫ РАСТРОВОГО ДИСПЛЕЯ ........................................ 165
6.1. ГРАФИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ............................................................................................................ 165
6.2. ТЕКСТОВЫЙ РЕЖИМ ................................................................................................................ 168
7. ВИДЕО BIOS И ВИДЕОСЕРВИС BIOS ............................................................ 171
8. ИНТЕРФЕЙСЫ ДИСПЛЕЕВ ............................................................................. 172
Раздел 5 «Речевой диалог пользователя с компьютером» ................................................. 177
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................. 178
ПРОЦЕСС РЕЧЕОБРАЗОВАНИЯ И ЗВУКИ РЕЧИ .......................................... 179
1. ПРИЗНАКОВОЕ ОПИСАНИЕ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ .............................. 181
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
СПЕКТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА ............................................................. 182
КЛИППИРОВАНИЕ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА............................................................................ 183
ВЫДЕЛЕНИЕ ФОРМАНТНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЧИ ............................................................. 183
КЛП-АНАЛИЗ РЕЧИ ............................................................................................................ 186
АВТОКОРРЕЛЯЦИЯ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА .......................................................................... 186
2. УСТРОЙСТВА РАСПОЗНАВАНИЯ РЕЧИ ................................................... 186
РАЗНОВИДНОСТИ УСТРОЙСТВ РЕЧЕВОГО ВВОДА И МОДЕЛЬ УСТРОЙСТВАРЕЧЕВОГО
.............................................................................................................................................. 186
2.2
ОБОБЩЁННАЯ СТРУКТУРА УСТРОЙСТВА РАСПОЗНАВАНИЯ РЕЧИ ................................. 190
2.3 СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ ПРЕДПРОЦЕССОРА .......................................................................... 192
2.1
ВВОДА
3. СИНТЕЗАТОРЫ РЕЧИ ........................................................................................ 199
3.1 РАЗНОВИДНОСТИ СИНТЕЗАТОРОВ РЕЧИ ............................................................................... 199
3.2 СИНТЕЗАТОРЫ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ КОДИРОВАНИЕМ/ВОССТАНОВЛЕНИЕМ
ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ РЕЧИ ................................................................................................................... 2011
3.3 АНАЛОГОВЫЙ СИНТЕЗ ФОРМАНТНЫХ ЧАСТОТ ................................................................. 205
3.4 ЛПК- СИНТЕЗАТОРЫ ............................................................................................................. 213
Содержание:
Раздел 1. «Подсистема внешней памяти (ВЗУ)» .................................................................... 5
Раздел2 «УСТРОЙСТВА ВВОДА-ВЫВОДА ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
(Дигитайзеры, сканеры, плоттеры) ........................................................................................ 50
Раздел3 «Устройства вывода информации на печать (принтеры) .................................. 95
Раздел 4 «Основы видеосистемы компьютера ..................................................................... 141
Раздел 5 «Речевой диалог пользователя с компьютером» ................................................. 177
4
Содержание первого раздела
Раздел 1. «Подсистема внешней памяти (ВЗУ)» .................................................................... 5
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВНЕШНЕЙ ПАМЯТИ ............................................. 5
1.1
РАЗНОВИДНОСТИ ВНЕШНЕЙ ПАМЯТИ .................................................................. 5
1.2
НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ ВНЕШНИХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ... 5
1.3
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАПИСИ-СЧИТЫВАНИЯ НА МАГНИТНЫЙ
НОСИТЕЛЬ ..................................................................................................................................... 11
1.4
МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ В НАКОПИТЕЛЯХ ...................... 13
2. НАКОПИТЕЛИ НА МАГНИТНЫХ ЛЕНТАХ И ДИСКАХ ......................... 16
2.1
2.2
НАКОПИТЕЛИ НА МАГНИТНЫХ ЛЕНТАХ ............................................................. 16
НАКОПИТЕЛИ НА МАГНИТНЫХ ДИСКАХ ............................................................. 19
3. СТРУКТУРА ДИСКОВОЙ ПАМЯТИ ................................................................. 31
3.1
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДИСКОВ ............................................. 31
3.2 ФИЗИЧЕСКАЯ И ЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ДИСКОВ ................................. 33
4. НАКОПИТЕЛИ НА ОПТИЧЕСКИХ ДИСКАХ................................................. 43
4.1
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.................................................................................................... 43
4.2 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАПИСИ-СЧИТЫВАНИЯ
НА ОПТИЧЕСКИХ ДИСКАХ ...................................................................................................... 44
5
Раздел 1. «Подсистема внешней памяти (ВЗУ)»
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВНЕШНЕЙ ПАМЯТИ
1.1 РАЗНОВИДНОСТИ ВНЕШНЕЙ ПАМЯТИ
Внешней памятью ЭВМ называют устройства, предназначенные
для долговременного хранения больших объёмов информации, которая не
разрушается при отключении питания компьютера.
Устройства внешней памяти (ВП) оперируют блоками информации.
Эти блоки обычно имеют фиксированный размер, кратный степени двойки.
Блок информации может быть переписан из оперативной (внутренней) памяти во внешнюю или обратно только целиком, и для выполнения
любой операции обмена с внешней памятью требуется специальная процедура.
Процедуры обмена с ВП привязаны к типу устройства, его контроллеру и способу подключения устройства к системе (интерфейсу).
Все устройства ВП делятся на два класса: устройства прямого доступа и устройства последовательного доступа.
Прямой доступ (Direct access) подразумевает возможность обращения к блокам информации по их адресам в произвольном порядке. Традиционными устройствами прямого доступа являются дисковые накопители
Часто в понятие «диск» или «дисковое устройство» (Disk device) вкладывают – устройство внешней памяти прямого доступа.
Последовательный доступ является характерным для устройств,
работа которых основана на использовании магнитной ленты – НМЛ, они
же стримеры. Здесь каждый блок информации также имеет свой адрес, но
для обращения к нему устройство должно найти некоторый маркер начала ленты (тома), после чего последовательным, холостым чтением блока
за блоком дойти до требуемого места и только тогда производить собственно операции обмена данными (чтения или записи). Каждый раз возвращаться на начало ленты не нужно, однако необходимость последовательного сканирования блоков (вперёд или назад) сохраняется.
Внешняя память получила своё название ещё и потому, что она подключается к системному блок (компьютеру) аналогично тому, как подключаются и другие периферийные устройства.
1.2 . НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ
ВНЕШНИХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
В конструкциях В3У используются носители информации различно
го типа. В то же время носители информации существенно влияют на конструктивное решение устройства ВП. Конструктивно ВП на магнитных
носителях могут быть трёх типов:
- Накопители на гибких магнитных дисках – НГМД;
- Накопители на жёстких магнитных дисках с несменными дисками (Винчестеры) – НЖМД;
- Накопители на жёстких дисках со сменными пакетами дисков –
НМД;
6
- Накопители на оптических дисках – НОД.
На практике накопители второго и третьего типов принято называть
накопителями на магнитных дисках – НМД.
Накопители на магнитных лентах (НМЛ) используют магнитную
ленту шириной от 3,81 до 12.7 мм, которая конструктивно оформляется в
виде катушек (бобин) или в виде стримеров (специальных кассет) (см.
рис.14 и 15 на стр.18-19 в книге «Системы ввода-вывода и интерфейсы
компьютеров в иллюстрациях и схемах»).
НМЛ имеют следующие (обобщённые) характеристики:
- Запас ленты на катушке или в стримере
от 100 до 750 м;
- Плотность записи
от 32 до 750 бит/мм;
- Информационный объём блока
от 2 до 32 Кбайт;
- Число дорожек
от 2 до 24;
- Скорость ленты в режиме считывания/записи – от 0,63 до 5 м/с;
- Объём информации в сменном элементе
от 1 до 500 Мбайт;
- Скорость обмена
от 0,01 до 2-3 Мбайт/c.
Носители информации в НМД могут быть трёх разновидностей:
Гибкие диски – майларовые диски (дискеты), на которые нанесён
ферромагнитный слой. Первые накопители использовали дискеты диаметром 5,25 дюйма (133мм). В настоящее время используются дискеты с диаметром диска 3.5 дюйма с форматированной ёмкостью 1,44 Мбайт (см.
рис. 1,а);
Жёсткие диски, диаметр которых определяется конструкцией накопителя. Накопитель на жёстких дисках может содержать от одного до нескольких дисков (см. рис. 1, б);
Оптические диски имеют прозрачную поликарбонатную (пластиковую) основу, над которой расположен слой, хранящий информацию, покрытый защитным слоем (см. рис.2).
Устройства, осуществляющие запись и считывание информации и
вращение диска называются дисководами. Все дисководы (НГМД,
НЖМД, НОД) принципиально построены аналогично, но их характеристики существенно различны.
В дисководах НГМД головка записи-считывания плотно прижимается к поверхности гибкого диска, обеспечивая тем самым контактный
способ записи-считывания информации. Информация на гибких дисках
размещается на концентрических дорожках (треках). На современных гибких дисках информация размещается на обеих сторонах диска, количество
дорожек на каждой из сторон равно 40-90. Дисковод имеет два двигателя –
один осуществляет вращение дисков со скоростью 250 – 500 оборотов в
минуту, а второй (как правило шаговый двигатель) – перемещает головки
по радиусу диска. Команды контроллера НГМД преобразуются в электрические сигналы различной полярности. При положительных сигналах головка перемещается на один или несколько шагов вперёд (к шпинделю),
при отрицательных – в обратную сторону. Дисковод обеспечивает ёмкость
диска в 1,44 Мбайт и скорость считывания-записи 60 Кбайт/c. Информация, размещаемая на дорожках, разделена на секторы фиксированного
объёма (128, 512 или 1024 байта). Дорожки, расположенные друг над другом на разных сторонах диска, именуются цилиндром. Адресация к информации на гибких дисках производится по номеру цилиндра, номеру
головки и номеру сектора (СНS- C-Cylinder, H – Head, S – Sector).
7
8
В такой системе время поиска информации достаточно велико (десятки
миллисекунд).
В дисководах НЖМД (винчестерах) и НМД (со сменными пакетами дисков) головка записи-считывания располагается над диском на
некотором расстоянии, что обеспечивает бесконтактный метод записи информации и значительно более высокую скорость вращения дисков (от
3600 об/мин до 15 тысяч об/мин). Герметичность корпуса НЖМД (винчестера) обеспечивает очень маленький зазор между поверхностью диска и
головкой (несколько микрон), что делает возможным существенно увеличить продольную (по дорожке) и поперечную (по радиусу диска) плотности записи и тем самым высокую скорость записи-считывания. В современных НМД вместо шаговых приводов для перемещения головки используются линейные двигатели (так называемые «звуковые катушки»)
поворотного типа (с использованием соленоидов), что обеспечивает высокие скорости и точности позиционирования головок.
Введение новых технологий в жёсткие диски сделало совершенно
непригодным для использования режим адресации CHS, так как у современных моделей дисков число секторов на дорожках постепенно уменьшается от края диска к центру диска (в соответствии с уменьшением длины дорожки. На рис. 3,а приведён диск с постоянным количеством секторов. На таком диске плотность записи на внутренних дорожках резко возрастает. В дисках с переменным количеством секторов в различных зонах
диска удаётся уравнять плотность размещения информации в различных
зонах (см. рис. 3,б). В этом случае, однако, адресация данных с использованием режима CHS затруднена, так как диск делится на множество зон, в
которых количество секторов разное.
Проблема адресации была решена введением в конструкцию дисковода «интеллектуального контроллера» (микропроцессора), который
преобразует трёхмерные адреса секторов (физические) в линейные
(одномерные) адреса. Новый вид адресации получил название логическая
адресация блоков (LBA – Logical Block Addresing).
В накопителях на жёстких дисках со сменными пакетами большой ёмкости принципиально всё организовано так же, как в винчестерах.
Но, к сожалению, разработчики этих накопителей не сумели договориться
о едином стандарте на носитель информации – сменном пакете дисков. В
результате в настоящее время используются более десятка разновидностей накопителей, имеющих несовместимые друг с другом носители информации. Дисководы этих носителей обычно имеют линейную адресацию и те же интерфейсы (ATA/ATA PI, SCSI, USB) что и винчестеры, но
по скорости записи и считывания они сильно уступают винчестерам
вследствие низкой скорости вращения дисков и невысокой продольной
плотности записи информации.
В дисководах оптических дисков используется оптический и магнитно-оптический принцип записи и считывания информации с помощью
полупроводникового лазера. Оптические диски по способу размещения
информации на них могут быть двух разновидностей – диски со спиральной формой дорожки и диски с концентрическими дорожками. На рис.2.
приведён диск со спиральной дорожкой. По своему внутреннему устройству и логике работы дисковод оптических дисков аналогичен дисководу
9
10
для гибких магнитных дисков – лазерный луч перемещается вдоль радиуса
диска и производит запись и считывание информации. Оптические технологии записи и считывания позволяют ввести в дисковод различные способы автоподстройки, что обеспечивает лазерным дисководам более высокую плотность записи информации. Спиральная дорожка обеспечивает
преимущество при воспроизведении аудио- и видеозаписей так как реализуется непрерывность потока информации. С другой стороны, такая форма
дорожки создаёт проблемы, когда нужно вести запись отдельных порций
данных на диск при наличии больших временных интервалов между операциями записи. Геометрические параметры оптического диска (CD,
DVD) приведены на рис.4. В настоящее время используются оптические
диски следующих типов:
1. CD (Compact Disk) – компакт-диск первого поколения;
2. DVD (Digital Video Disk) – цифровой видеодиск;
Среди компакт-дисков различают три типа:
1. CD ROM (Compact Disk – Read Only Memory) – диски, предназначенные только для считывания;
2. CD-R (CD Recordable) – однократно записываемые диски;
3. CD-RW (CD-ReWritable) – перезаписываемые компакт-диски.
Среди DVD-дисков можно выделить также три разновидности:
1. DVD-ROM – диски, допускающие только считывание;
2. DVD R – диски, допускающие однократную запись;
3. DVD RV – диски, допускающие многократную запись-считывание.
11
1.3 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЗАПИСИ-СЧИТЫВАНИЯ НА МАГНИТНЫЙ НОСИТЕЛЬ
При записи-считывании информации на магнитный носитель используется явление гистерезиса магнитных материалов – окислов железа,
кобальта и др.). Суть гистерезиса заключается в создании остаточной
намагниченности (+Br и –Br) в материале при воздействии внешнего
магнитного поля H, образуемого зазором магнитной головки. Значения
+Br и –Br принимаются за логические «1» и «0» (см. рис 5,а). В обмотку
записи магнитной головки (МГ) подаётся ток записи Iзп, и в магнитном
слое диска образуется намагниченный участок (см. рис. 5б)
При считывании информации остаточная намагниченность образует
в обмотке считывания магнитной головки сигнал Iсч (см. рис. 5б).
В магнитных дисках и лентах накопителей используется двухуровневый способ записи: +Br – «1», – Br – «0» (или наоборот). Этот способ
получил название «Без возвращения к нулю при записи единицы» – БВН
(NRZ – Not Return Zero).
В результате воздействия внешнего магнитного поля (Н) магнитные
элементы среды хранения – домены ориентируются в определённом
направлении подобно стрелкам компаса. В магнитном материале, таким
образом, образуются так называемые битовые элементы – минимальные
участки (или минимальные интервалы времени при постоянной скорости
движения носителя V), на котором записываются биты данных. Битовый
элемент измеряется в микросекундах.
При использовании способа записи БВН-1 упрощенная логическая
схема тракта записи и временная диаграмма процесса записи приведены
на рис. 6,а. На рисунке использованы следующие обозначения:
ТЗ – триггер записи (триггер временного хранения);
УЗ1 – усилитель записи (первый);
УЗ2 – усилитель записи (второй), выполняющий роль генератора тока;
МГ – магнитная головка записи;
Н и К – начало и конец полуобмоток записи МГ;
iз (i з1, i з2) – токи записи;
СИ – синхроимпульсы;
РЗ – рабочий зазор магнитной головки.
Из временной диаграммы видно, что переключение магнитного потока в магнитной головке происходит только в момент поступления бита
данных (вход), равного «1».
Безошибочное считывание записанных данных при наличии больших (более двух) последовательностей следующих друг за другом нулей
возможно только при наличии синхросигналов, указывающих место нуля
на носителе. При отсутствии СИ возможны ошибки считывания.
На рис. 6б приведены логическая схема считывания информации и
временная диаграмма процесса считывания.
Избежать ошибок считывания информации при больших (длинных)
последовательностях нулей возможно двумя способами:
12
13
1. Вводом в информационную последовательность синхросигналов;
2. Преобразованием исходной последовательности с тем, чтобы эта
последовательность стала самосинхронизируемой.
На практике используются оба способа. На их основе построены различные методы кодирования данных при записи их на магнитный носитель:
1. Метод частотной модуляции (FM)
2. Метод модифицированной частотной модуляции (MFM)
3. Метод Миллеровской частотной модуляции (M²FM)
4. Метод группового кодирования ( ГК или RLL, ARLL)
1.4 МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ
В НАКОПИТЕЛЯХ
Метод записи БВН-1 в «чистом виде» не может быть использован
при записи и считывании информации, так как он требует синхронизации,
то есть размещения на одной из поверхностей пакета дисков синхросерий,
что ведёт к потере значительного объёма внешней памяти и, кроме того,
не обеспечивает высокой плотности записи. Выходом из положения является применение методов преобразования (кодирования) исходной информации. Поэтому в реальных накопителях тракт записи-считывания дополняется устройствами, осуществляющими кодирование (а, точнее, перекодирования) двоичной информации. Эти устройства получили название кодеров и декодеров (см. рис. 7).
Рассмотрим два метода кодирования информации, получивших
наибольшее распространение на практике – первый в НГМД, а второй в
НМД.
Метод частотной модуляции предполагает встраивание синхросигналов непосредственно на дорожку диска, на которую записываются
данные. При этом гарантируется по меньшей мере одна перемена магнитного потока в магнитной головке в течение битового интервала, что позволяет уверенно различать нулевой бит на дорожке. Так как длительность
битового интервала определяется частотой синхронизации, то при таком
методе упрощается кодирование и декодирование информации.
Временная диаграмма, иллюстрирующая метод частотной модуляции (MFM) приведена на рис. 8а. Этот метод обеспечивает длительность
битового элемента 8 микросекунд, что позволяет записать на диск байт
данных за 64 микросекунды.
К числу недостатков метода следует отнести:
а) Наличие синхросерий на рабочей дорожке диска наполовину (как
максимум) снижает объём памяти;
б) При записи всех единиц частота переключений магнитного потока в магнитной головке оказывается вдвое выше частоты поступления
данных.
Этот метод сохранился только при записи информации на гибкие
диски, обеспечивая скорость передачи данных на диск и с диска не более
125 Кбит/с. Максимальная продольная плотность записи составляет 233
бит/мм (с учётом синхросигналов, а по отношению к данным в 2 раза
меньше).
14
15
Методы группового кодирования исключают, в принципе, размещение синхросигналов на рабочей дорожке, что было бы катастрофой для
метода частотной модуляции.
Суть методов группового кодирования (на примере метода ГК 4/5)
заключается в разделении байта данных на две части и замене каждого полубайта пятиразрядным кодом, который и записывается на диск. При считывании этого кода происходит обратное преобразование в полубайт. Пятиразрядный код, который заменяет полубайт должен удовлетворять условию: каждое число в нём должно содержать по меньшей мере одну перемену направления потока перемагничивания носителя. Или, проще
говоря, в любом 5-разрядном числе не должно быть больше 2-х рядом стоящих нулей. В 32-х комбинациях 5-разрядного кода этим условиям удовлетворяют только 16 комбинаций, приведённых в таблице 1.
Таблица 1
Полубайт
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
5-разр.код
11001
11011
10010
10011
11101
10101
10110
10111
Полубайт
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
5-разр код
11010
01001
01010
01011
11110
01101
01110
01111
Временная диаграмма, иллюстрирующая метод ГК 4/5 приведена на
рис. 8б.
Скорость передачи данных при реализации этого метода возрастает
до 380 Кбит/c. Число перемен направления магнитного потока в магнитной головке на единицу длины дорожки возрастает до 3330 переключений
в секунду. Длина битового элемента снижается до 2.6 мкс.
В жёстких дисках скорость обмена минимум в 12-15 раз выше, чем в
дискетах. В современных дисках винчестерского типа диски вращаются со
скоростью от 3600 до 10000 оборотов в минуту. Максимальная скорость
вращения гибкого диска составляет 300 – 500 оборотов в минуту.
16
2. НАКОПИТЕЛИ НА МАГНИТНЫХ
ЛЕНТАХ И ДИСКАХ
2.1 НАКОПИТЕЛИ НА МАГНИТНЫХ ЛЕНТАХ
До появления магнитных дисков единственными способами организации внешней памяти были накопители на магнитной ленте (НМЛ) и на
магнитном барабане (НМБ).
Первые НМЛ обладали огромной ёмкостью, но были весьма медленными устройствами. Время доступа к требуемому блоку информации составляло от сотен миллисекунд до нескольких секунд.
Накопители на магнитных барабанах были более быстрыми устройствами, но обладали небольшой ёмкостью.
С совершенствованием механизмов НМЛ и появлением новой элементной базы ленточные накопители существенно улучшили свои характеристики.
Накопители на магнитных лентах могут быть двух разновидностей:
а) Стартстопные НМЛ;
б) Потоковые НМЛ.
Стартстопные НМЛ получили наибольшее развитие и применение
в больших ЭВМ (ЕС ЭВМ) и машинах серии СМ ЭВМ. Эти накопители
работали с использованием магнитных 9-дорожечных лент шириной 12,7
мм. На рис.9 приведена схема лентопротяжного механизма НМЛ ЕС ЭВМ.
На схеме цифрами обозначены:
1. Бобины (катушки) магнитной ленты; на катушках вмещалось до
750 метров ленты;
2. Магнитная лента шириной 12,7 миллиметров;
3. Блок магнитных головок;
4. Блок очистки ленты;
5. Направляющие ролики;
6. Вакуумные компенсаторы, предотвращающие разрыв ленты при
быстрых стартах и остановках ленты;
7. Фотоэлементы, контролирующие запас ленты в вакуумных компенсаторах.
Стартстопный режим работы накопителя предполагает, что в том
случае, если ЭВМ не обращается к НМЛ, лента не движется мимо магнитной головки. Когда поступает команда записи или считывания данных,
стартстопный механизм быстро (десятки миллисекунд) приводит ленту в
движение и начинается поиск информации или поиск места, куда необходимо записать блок информации.
Структурная схема стартстопного НМЛ приведена на рис.10. На
схеме приведены следующие механизмы накопителя:
1. Следящие системы приводных механизмов катушек. Они обеспечивают постоянство скорости транспортировки ленты;
2. Приводные механизмы катушек ленты;
3. Катушки ленты (подающая и приёмная);
17
18
4. Следящие системы компенсаторов, осуществляющие контроль за
количеством ленты в компенсаторах;
5. Компенсаторы (вакуумные), осуществляющие защиту ленты от
разрыва при быстром старте накопителя;
6. Следящая система скорости ленты, измеряющая и стабилизирующая скорость ленты в режимах записи и считывания, а также
корректирующая работу следящих систем приводных механизмов;
7. Стартстопный механизм;
8. Блок магнитных головок записи-считывания;
9. Магнитная лента.
Потоковые НМЛ – устройства, в которых магнитная лента движется постоянно вне зависимости от того, есть или нет команд считывания
или записи информации. При наличии одной из этих команд накопитель
переходит в режим поиска свободной зоны (при записи) или производит
поиск блока информации, которую запросил процессор. Эти устройства
работают более медленно, чем стартстопные НМЛ. В них используются
узкие 2-х или 4-х дорожечные ленты, ширина ленты 3,81 мм. В потоковых
накопителях используются ленты, оформленные в кассету стримерного
типа, в которой транспортировка ленты осуществляется с помощью фрикционных пасиков, что защищает ленту от продольных нагрузок и делает её
более долговечной. Схема стримерной кассеты приведена на рис 11. Запас
ленты в стримере составляет 100 –120 метров.
19
В таблице 2 приведены обобщённые характеристики НМЛ.
Таблица 2
Параметр НМЛ
Диапазон
1. Ширина ленты
3,81 – 12,7 мм
2. Длина ленты в сменном блоке (кассете, от 100 до 750 м
катушке, стримере)
3 Продольная плотность записи
от 32 до 750 бит/мм
4. Информационный объём блока на ленте. от 2 до 32 Кбайт
5. Число дорожек
от 2 до 24 (и более)
6. Скорость ленты в режимах записи– чте- от 0,63 до 5 м/c
ния
7. Ёмкость сменного блока носителя
от 1 до 500 Мбайт (и
более)
8. Скорость обмена через интерфейс
от 0,01 до 2 – 5 Мб/c
2.2. НАКОПИТЕЛИ НА МАГНИТНЫХ ДИСКАХ
Накопители на магнитных дисках (НМД) пришли в вычислительную технику в конце 60 годов прошлого века и сразу завоевали ведущее
положение в системах внешней памяти ЭВМ.
На практике используются три разновидности НМД:
1. Накопители на гибких магнитных дисках (Floppy Disk) – НГМД;
2. Накопители на жёстких несменяемых жёстких дисках – винчестерах – НЖМД;
3. Накопители на жёстких дисках со сменными пакетами дисков –
НМД.
Указанные выше разновидности дисков принципиально схожи друг с
другом как по структуре, так и по принципу действия. Поэтому принцип
действия накопителя на дисках будем рассматривать на обобщённой
структурной схеме накопителя. Схема накопителя приведена на рис.12. На
кинематической схеме цифрами обозначены следующие узлы накопителя:
1. Пакет магнитных дисков который может содержать от одного до
нескольких дисков;
2. Блок магнитных головок; количество головок соответствует количеству рабочих поверхностей пакета дисков;
3. Рычаги (плоские пружины), на которых размещены магнитные
головки и которые механически соединяют блок головок с кареткой;
4. Каретка – узел накопителя, осуществляющий перемещение блока
головок над поверхностью дисков;
5. Позиционер – устройство, перемещающее каретку и позиционирующее головки;
6. Контроллер накопителя, осуществляющий управление накопителем;
7. Тахометр, измеряющий скорость движения каретки;
8. Датчик-преобразователь перемещения головок в код;
9. Датчик скорости вращения шпиндельного двигателя;
20
10. Шпиндельный двигатель, вращающий пакет дисков с заданной
скоростью;
11. Шток каретки, механически связывающий каретку и позиционер.
В реальных НМД на гибких, жёстких и сменных дисках отдельные
детали приведённой на рисунке кинематической схемы могут отсутствовать или, по крайней мере, иметь другую конструкцию. Это ни в коей мере не изменяет принцип функционирования накопителя любого из приведённых выше разновидностей НМД. Однако конструктивное исполнение
НМД приводит к существенной разнице параметров накопителя с системной точки зрения:
Скорость вращения дисков:
в НГМД – 250 – 500 об/мин;
в НМД типа винчестер – от 3600 до 15000 об/мин;
в НМД со сменными пакетами – такого же порядка.
Способ взаимодействия магнитной головки с диском:
в НГМД – контактный метод записи-чтения (головка
плотно прижата к диску)
в НМД других типов – бесконтактный метод записисчитывания (зазор между головкой и диском).
Количество дисков в пакете:
в НГМД – всегда один диск;
в НМД других типов от 1 диска до 16.
Объём хранимых данных:
в НГМД – 1,44 Мбайт (2, 88 Мбайт);
в НМД других типов – сотни Мбайт – Гбайт.
Управление позиционированием магнитных головок в НМД любого типа осуществляется с помощью позиционеров под управлением
контроллера накопителя. Позиционированием называется процесс пере-
21
мещения магнитных головок над поверхностью диска с текущей позиции
на заданную. Позиционером называется устройство, осуществляющее
выработку сигналов для двигателей, непосредственно перемещающих каретку НМД.
Существуют два типа позиционеров, используемых в современных
НМД:
1. Позиционеры на основе шаговых двигателей;
2. Позиционеры на основе линейных двигателей (звуковых катушек).
Шаговый двигатель представляет собой устройство, состоящее из
магнитопровода П-образной формы, на который намотана обмотка
(см.рис.13,а) На обмотку подаются электрические сигналы в виде прямоугольных импульсов различной полярности. П-образный магнитопровод
представляет собой статор шагового двигателя. Ротор двигателя представляет собой постоянный магнит. При подаче положительного импульса в
обмотку статора ротор делает поворот на элементарный угол – шаг. Два
последовательно поданных импульса перемещают ротор на два шага. При
смене полярности импульсов возбуждения (Uвозб.) ротор повернётся на
количество шагов, определяемое числом импульсов, но в противоположном направлении. На рис.13,а приведён однофазный шаговый двигатель,
на практике же используются двухфазные и трёхфазные двигатели, имеющие более совершенные характеристики (более точно отрабатывается
элементарный угол поворота – шаг).
Идея линейного двигателя заимствована из звуковой системы динамика – громкоговорителя радиоприёмника или магнитофона, что послужило тому, что двигателю присвоили второе название – звуковая катушка. Схема «звуковой катушки» приведена на рис.13,б.
Е-образный постоянный магнит (статор двигателя) на N-полюсе имеет немагнитный подвижный цилиндр, на который нанесена обмотка возбуждения. При подаче возбуждающего напряжения (Uвозб) катушка выдвигается вправо на расстояние, пропорциональное величине возбуждающего напряжения. При смене полярности напряжения катушка движется в
обратную сторону. Перемещения катушки осуществляются с большой
скоростью и высокой точностью, что позволяет быстро и точно позиционировать магнитные головки.
Позиционеры на базе шаговых двигателей значительно дешевле,
но медленнее и менее точны, что сделало возможным использовать их в
накопителях на гибких дисках, в которых количество дорожек невелико
(40 дорожек) и не требует высокой точности позиционирования. Схема
позиционера на базе шагового двигателя приведена на рис.14 В этом
позционере используется метод счисления пути, пройденного зубчатой
рейкой, механически жёстко связанной с кареткой позиционера. Перемещение шагового двигателя на один шаг вправо или влево перемещает рейку на один зубчик и изменяет содержимое регистра, в котором хранится
код, пропорциональный позиции головки на диске.
В позиционерах на базе линейного двигателя перемещение магнитной головки строится на основе сервосистем с отрицательной
22
23
обратной связью, что позволяет выводить головку на нужную дорожку
(цилиндр) с высокой скоростью и точностью.
Введём понятие цилиндра и сервосистемы. Цилиндром называют
совокупность магнитных дорожек с одинаковым номером и расположенных на различных поверхностях пакета магнитных дисков.
Севосистемой называют устройство, использующее специальные
сигналы (сервосигналы), несущие информацию о том, где (на каком цилиндре) находится головка, сравнивает эту информацию с информацией о
заданном (конечным) положением головки и вырабатывает сигнал разности ΔN = ±( N тек – Nзад), где N тек и N зад – текущий и заданный номера
цилиндров, соответственно. Эта разность в виде электрического сигнала
подаётся в сервосистему и служит для вывода головки на заданную позицию. Схема (упрощенная) сервосистемы приведена на рис. 15. Схема содержит следующие узлы:
1. РгК – регистр команды позиционера, содержащий данные о заданном номере цилиндра (N зад);
2. РгСС – регистр сервосистемы, содержащий данные о текущем
номере цилиндра (N тек);
3. ЦК – цифровой компаратор, образующий код разности (∆N);
4. ЦАП – цифроаналоговый преобразователь, преобразующий цифровой код разности в напряжение, управляющее двигателем позиционера;
5. П – позиционер;
6. СД – серводиск, на котором записана сервоинформация;
7. РД – рабочие диски накопителя.
Сервосистема работает следующим образом.
1. При поступлении команды «Позиционировать головки» в регистр
команд (РгК) из команды считываются биты, кодирующие номер
заданного цилиндра;
3. В регистре сервосистемы (РгСС) хранится код, текущего цилиндра (цилиндра, в котором находятся головки перед поступлением
команды);
4. Цифровой компаратор вычисляет разность ±∆N;
5. Эта разность поступает на вход ЦАП, и на его выходе образуется
напряжение ±∆U;
6. В зависимости от величины и знака этого напряжения позиционеру задаётся скорость движения и направление движения;
7. Закон изменения скорости движения позиционера имеет ступенчатый характер; скорость движения тем больше, чем больше
напряжение ±U. По мере уменьшения этого напряжения скорость
позиционирования уменьшается и становится равной нулю по достижении головкой заданного цилиндра. Если головка по какимлибо причинам «уйдёт» с дорожки (трека), то вырабатывается
сигнал разности, так как с серводиска по цепи отрицательной обратной связи на регистр РгСС придёт другой код, который, сравнившись с кодом номера заданного цилиндра, вновь образует
разность этих кодов, которая заставит позиционер откорректировать положение головки. В этом, (кратко) заключается основная
роль цепи отрицательной обратной связи в сервосистеме.
24
Кроме того цепь отрицательной обратной связи обеспечивает:
1. Более точное позиционирование нежели в случае использования
шагового двигателя;
2. Более высокую поперечную плотность записи;
3. По мере износа (старения) механических узлов привода головок
система сама компенсирует этот износ.
На практике разработано несколько методов позиционирования с использованием сервосистем. Эти методы, будучи однотипными, различаются тем, ГДЕ размещена сервоинформация и тем, КАК размещается сервоинформация относительно данных, записываемых на диск.
Практически используются следующие варианты размещения сервоинформации в дисковой памяти:
1. Сервосистема со специально выделенным диском;
2. Сервосистема с сервоклином;
3. Встроенная сервосистема и ряд других.
В сервосистемах с выделенным диском один из дисков выделяется
для размещения сервоинформации. При этом поверхность этого диска (в
некоторых НМД обе поверхности диска) делятся на сегменты, в которых
на каждой дорожке по всем цилиндрам диска записывается информация о
номере цилиндра и ещё некоторая фирменная информация (например,
данные о диске или информация для тестирования дисковой памяти). Таким образом, номер цилиндра повторяется на дорожке столько раз, сколько сегментов уместилось на диске. В зависимости от размера (геометрического) диска на дорожке размещается несколько десятков или сотен номеров цилиндров При эксплуатации диска в режиме записи-чтения сервоголовка имеет возможность прочитать номер цилиндра несколько десятков
или сотен раз и передать этот номер в регистр РгСС. При уходе головки с
трека сервосистема может откорректировать положение головки в течение
одного оборота диска и, таким образом, возвратить головку на заданный
цилиндр.
Этот вариант имеет недостатки:
1. Сервоинформация занимает в пакете дисков очень много места,
поэтому этот вариант следует использовать в больших пакетах, где потеря
дисковой памяти не так ощутима;
2. В системе приходится полагать, что идеально этот вариант работает, если магнитные головки неподвижны друг относительно друга, что
на практике весьма сложно осуществить (наклон системного блока, сильный и резкий удар и т.п.).
В сервосистеме с сервоклином сервоинформация размещается всего в одном сегменте – так называемом сервоклине на той же стороне каждого диска, на котором размещаются данные. Сервоинформация в клине
имеет ту же структуру, что и в предыдущем случае и используется сервосистемой аналогично. Такая система ликвидировала недостаток предыдущей – затрата большого объёма памяти для сервоинформации. Кроме того,
размещение данных и сервоклина на одной поверхности диска сделало невозможным второй недостаток в предыдущем случае.
Однако клиновая система имеет собственные недостатки:
1. Поскольку в сервоклине содержится ограниченное количество
информации, накопитель должен «ожидать» нескольких оборотов диска
для точной фиксации головки на нужном цилиндре;
25
2. Сервосистема не может узнать о дрейфе головки до следующего
восприятия сервоклина (до следующего оборота диска).
Во встроенной системе пакеты сервоинформации (так называемые
«клинья») располагаются после каждого дискового сектора с данными.
Таким образом, сервоинформация является доступной сервосистеме на
одном обороте диска столько раз, сколько секторов данных размещается
на одной дорожке В дисковой памяти Quantum Corporation, например, таких «клиньев» на одной дорожке 84. Это бесспорное преимущество данной системы перед предыдущей. И всё-таки недостаток встроенной системы – значительное количество памяти тратится на сервоинформацию.
В некоторых накопителях в различных зонах поверхности диска
имеется разное количество секторов. Например, во внешней зоне число
секторов равно 75, в средней зоне – 50 секторов и во внутренней – 25 секторов. В таких накопителях «клин» сервоинформации приходится на целый диапазон радиальных позиций и для каждой зоны записывается перед
каждым сектором внутри зоны. Для рассмотренного выше примера во
внешней зоне размещают 75 пакетов сервоинформации на один оборот
диска, в средней 50 пакетов, а во внутренней всего 25 пакетов.
Встроенные системы используются в большинстве современных дисковых накопителей на жёстких дисках.
Однако у встроенных систем имеется несколько слабых мест:
1. Поскольку сервосигналов не так много, поэтому наличие коротких пакетов сигналов означает, что при отклонении головок от дорожки
(или даже переходе на соседнюю дорожку) система дольше позиционирует головку на заданную дорожку;
2. Даже при наличии пакета сервоинформации перед каждым сектором при записи и считывании в середине сектора невозможно узнать о
том, что головка «сошла» с дорожки.
Управление работой накопителя на магнитных дисках выполняет
контроллер – КНМД. Необходимо сделать несколько предварительных
замечаний относительно контроллера. Если вопросы функционирования
контроллера накопителей на гибких магнитных дисках достаточно широко
освещены в отечественной и зарубежной литературе вплоть до структурных схем и алгоритмов функционирования, то с контроллерами на жёстких магнитных дисках дело обстоит существенно иначе. Это объясняется
рядом причин, из которых, пожалуй, самой главной является та, что с момента объединения в одном конструктиве собственно накопителя и его
контроллера КНМД стал предметом «ноу хау» фирм, выпускающих на
рынки накопители, в частности винчестеры. Обеспечив внешние параметры накопителя – интерфейс, скорость передачи данных и их форматы,
фирмы «закрыли» все остальные данные: структурную и принципиальную
схемы, алгоритмы реализации различных режимов работы и т.п. В силу
этого рассмотрение процессов взаимодействия собственно накопителя с
его контроллером ниже рассматривается на уровне некоторой абстракции,
т.е. с использованием «виртуальной» структуры контроллера.
Общая схема подключения КНМД к ядру ЭВМ – процессору и
ОЗУ приведена на рис.16. На схеме приняты следующие обозначения:
НМД1 – НМДN – накопители, подключаемые к контроллеру;
КНМД – контроллер НМД;
26
КПДП – контроллер прямого доступа к памяти (ОЗУ), который в
большинстве случаев входит в структуру КНМД;
КПР – контроллер прерываний, также являющийся частью КНМД;
ЦП и ОЗУ – центральный процессор и оперативная память
СИ – системный интерфейс.
На структурной схеме выделены некоторые важные сигналы:
DRQ – сигнал от КНМД к КПДП (запрос прямого доступа к памяти);
DACK – ответ КПДП контроллеру НМД;
TC – тактовые сигналы;
IRQ-N – сигнал прерывания от КНМД к процессору.
Основные функции КНМД весьма обширны, что свидетельствует о
большой функциональной значимости контроллера в системе. Перечислим основные функции КНМД:
1. Электрическое и логическое подключение НМД к системному
блоку компьютера (системному интерфейсу);
2. Выполнение команд чтения и записи данных;
3. Организация режима прямого доступа к памяти;
4. Кодирование и декодирование данных, КЭШ-ирование данных
при записи и чтении;
5. Выработка сигналов для непосредственного управления отдельными компонентами накопителя
6. Управление режимами обмена (отдельные байты или блоки данных;
7. Форматирование дисковой памяти;
8. Интерпретация команд процессора и доведение их до уровня сигналов управления агрегатами накопителя;
9. Синтез сигнала прерывания от НМД к ЦП и наоборот;
10. Поиск файла в памяти при чтении данных и размещения данных
при записи;
11. Управление шпиндельным двигателем накопителя
12. Передача в ОЗУ каталога и таблиц размещения файлов (FAT).
В качестве интерфейсов, с помощью которых контроллер подключается к системной шине используются в основном 4 типа интерфейсов: последовательные – SТ506/412, ESDI и параллельные – SCSI, ATA (IDE). В
некоторых моделях контроллеров в настоящее время встречаются контроллеры, в которых используется интерфейс USB.
Интерфейс ST506/412 работает с дисками, имеющими 25 – 26 секторов на дорожке и обеспечивает передачу данных со скоростью 5 – 7,5
Мбит/с.
Интерфейс ESDI работает с дисками, имеющими 36 секторов и обеспечивает скорость обмена до 24 Мбит/c.
Оба интерфейса передают информацию последовательно, т.е. побитно.
27
28
Интерфейс SCSI является параллельным, разрешающим передачу
побайтно, что повышает скорость передачи до 40 Мбит/c.
Интерфейс ATA (IDE) является альтернативой интерфейсам SCSI и
ESDI. Его особенность – реализация функций контроллера в накопителе.
Большинство IDE-дисков форматируется на 34 и больше секторов и имеет
чередование секторов 1:1.
В современных дисковых системах для разгрузки компьютера от рутинных операций в контроллерах предусматривается:
1. Микропрограммное управление накопителем;
2. Прямой доступ к памяти ЭВМ;
3. Буферизация считываемых и записываемых данных;
4. Процедуры повышения достоверности считываемой информации
(повторение чтения или коррекция считанных данных).
Структурная схема «виртуального» контроллера с элементами накопителя (для наглядности) приведена на рис.17. (Блоки структурной схемы,
относящиеся безусловно к КНМД на схеме представлены с двойной обводкой контура блока).
Структурная схема содержит:
А. Узлы (собственно) накопителя:
1. Пакет жёстких дисков;
2. Блок магнитных головок:
3. Каретка позиционера;
9 Линейный двигатель;
14 Шпиндельный двигатель;
15. Шток (толкатель) каретки.
Б. Узлы (основные) контроллера:
4. Коммутатор головок;
5. Схемы формирования сигналов записи-считывания;
6. Блок кодирования-декодирования;
7. Внутреннее ОЗУ (буфер);
8. Внутренняя (локальная) шина;
10.Позиционер с сервосистемой;
11. Блок интерфейса;
12. МикроЭВМ (микроконтроллер);
13. Блок управления шпиндельным двигателем.
В схеме не показаны отдельные регистры (регистр состояния, регистр данных и др.) и локальный контроллер (управление записьюсчитыванием), детектор сервометок и др.
Управляющая микроЭВМ (12) обеспечивает взаимодействие всех
узлов контроллера и НМД и связь с внешним интерфейсом (11). При подключении питания и по сигналу аппаратного сброса микроЭВМ выполняет самотестирование, сначала проверяя собственное «хозяйство» (ОЗУ,
ПЗУ, регистры), а затем и остальные блоки контроллера. Далее выполняется запуск шпиндельного двигателя, и когда он наберёт достаточные обороты, головки выводятся из зоны парковки и ими начинает управлять сервосистема. Теперь микроЭВМ может загрузить со служебных дорожек
диска необходимую ей информацию. На диске может храниться таблица
трансляции секторов, списки дефектных блоков, паспорт диска и даже
часть программы микроЭВМ.
29
На основании служебной информации микроЭВМ конфигурируется
под конкретный гермоблок (НМД), с которым она работает: определяет
списки рабочих головок, число цилиндров, число секторов на дорожках
каждой зоны и т.д. Успех конфигурации означает готовность винчестера к
исполнению команд, поступающих от компьютера по внешнему интерфейсу. Теперь винчестер способен предъявить паспорт диска (для интерфейса АТА) – 512 байтный набор данных, описывающих все доступные
извне свойства устройства.
При получении команды микроЭВМ выполняет трансляцию внешнего адреса запроса, поступившего по интерфейсу, в адреса реальных
секторов реальных поверхностей носителя. Трансляция выполняется по
таблицам, загружаемым в ОЗУ микроЭВМ, учитывая текущую внешнюю
(логическую) геометрию диска АТА (у SCSI такого понятия нет), размеры
зон, а также переназначение физических секторов для обхода дефектных
участков поверхностей дисков.
Внешнее ОЗУ (буфер) (7) используется для хранения записываемых
и считываемых данных и локального «кэширования». Объём буфера составляет от десятков килобайт до единиц мегабайт.
В некоторых накопителях ставят второй буфер для хранения, который
после считывания очередной порции данных начинает «общаться» с интерфейсом, а первый готов к новой порции данных.
Блок управления шпиндельным двигателем (13) обеспечивает запуск и останов двигателя по команде от микроЭВМ и поддерживает постоянную скорость его вращения по сигналам от датчика (см. кинематическую схему НМД) скорости вращения дисков. Блок сигнализирует микроЭВМ о достижении минимальной скорости вращения, на которой можно
выпускать головки из зоны парковки.
Блок управления позиционированием с сервосистемами (10) формирует сигналы управления звуковой катушкой (соленоид ЛЭД для перехода с цилиндра на цилиндр по командам микроЭВМ) и следит за положением головки на дорожке по принятым сервосигналам.
Комутатор головок (4), совмещённый с предусилителями считывания
и формирования тока записи, представляют собой стандартную микросхему, смонтированную непосредственно вблизи головок.
Схемы формирования сигналов записи-считывания (5) формируют токи записи в магнитные головки и сигналы считывания, выделяя их из
служебных сигналов.
Задачи, стоящие перед КНМД весьма просты, несмотря на сложность
и функциональную насыщенность контроллера:
1. Как можно быстрее обработать запрос на чтение и запись информации. При этом время, затрачиваемое на обмен данными одного сектора складывается из времени поиска цилиндра (t1), времени ожидания
подхода сектора к головке (t2), времени обмена данными сектора между
накопителем и контроллером (t3). Таким образом общее время обмена будет равно:
30
2.
Tобм = t1 + t2 + t3
Времена t1 и t2 определяются, в основном, механическими характеристиками накопителя: скоростью позиционирования, скоростью вращения
дисков. Время ожидания сектора в среднем это время половины оборота
диска. При скорости вращения от 3600 до 10000 оборотов в минуту время
ожидания равно t2=16,6 мс – 6 мс. Время поиска цилиндра определяется
скоростью позиционирования. Максимальная скорость позиционирования
составляет около 2м/с.
2.Максимальное время обмена определяет скорость обмена между
диском и ОЗУ компьютера. Это время в предположении, что в дисковой
памяти данные располагаются побитно равно при 20 секторах на дорожке, объёме сектора 512 байт и скорости вращения 7200 об/мин 8мс.
Если объём дорожки равен 20х 512 = 10240 байт, скорость считывания равна 10240 / 8 = 1,28 Мбит/с. Эти несложные расчёты показывают, что дисковая память весьма медленная система. Поэтому достигаемая внешняя скорость определяется рядом дополнений дисковой памяти. Достигается это, в частности, «кэшированием» диска, смещением (перекосом) головок, зонной записью на диск и другими методами.
31
3. СТРУКТУРА ДИСКОВОЙ ПАМЯТИ
4.1 ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДИСКОВ
В предыдущем разделе было показано, что собственно диск является
весьма медленным устройством. Скорость передачи данных, измеренная
непосредственно на выходе головки считывания, составляет единицы мегабайт в секунду.
Повышение производительности дисковой памяти – это прежде всего увеличение скоростей передачи данных в накопитель и с накопителя.
При самой удачной структуре накопителя низкие скорости передачи данных делают накопитель неэффективным устройством.
Одним из методов повышения скорости передачи является чередование секторов на диске. Секторы на диске можно нумеровать поразному. Простейшим способом нумерации секторов является нумерация
секторов естественным способом, например, 1, 2, 3, ,17 и т.д. Другой способ нумерации секторов предполагает чередование номеров, это даёт повышение скорости считывания данных. Рассмотрим следующий пример:
пусть количество секторов на диске равно 17 (это типично для MFMкодирования данных). Если считываемый файл расположен в последовательных секторах (1, 2, 3 и т.д. ), то при подходе головки к 1-му сектору
контроллер НМД считывает заголовок сектора, отрабатывает его, затем
считывает коды циклического контроля, а затем 512 байт данных, после
чего читаются коды ЕСС. Если контроллер НМД не очень быстрый, то
вполне допустима ситуация, что готовность контроллера к считыванию
следующего сектора наступит тогда, когда головка пройдёт какую-либо
часть этого сектора. Таким образом, считывание 2-го сектора становится
невозможным – приходится ждать целого оборота диска. Таким образом,
один сектор читается за один оборот диска, что снижает скорость передачи данных. Такое же снижение характерно для записи информации на
диск.
Выходом из этого положения является так называемое чередование
секторов. Суть чередования заключается в следующем: файл, записываемый на диск размещается в секторах с номерами 1, 3. 5 7 9, 11, 13, 15, 17, а
затем в секторах 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16. Это даёт возможность после считывания сектора 1, перескочить сектор 2 и начать считывание сектора 3,
когда он подойдёт к головке. Коэффициент чередования при этом будет
равен 2:1 (пропуск одного сектора). На практике используют также коэффициенты 3:1, 4:1, что зависит от скоростных характеристик контроллера.
При коэффициенте чередования 2:1 и в случае, когда файл размещён
во всех 17 секторах дорожки, головка должна «пробежать» по дорожке
минимум дважды.
При определении «идеального» коэффициента чередования для данного накопителя приходится учитывать несколько факторов:
1. Быстродействие контроллера НМД;
2. Частоту синхронизации материнской платы;
3. Скорость работы шины ввода-вывода.
Таким образом определить правильный коэффициент чередования
можно лишь на системном уровне.
32
Во многих накопителях (особенно в накопителях с интерфейсами
IDE и SCSI) встроен буфер дорожки. Этот буфер позволяет считывать сразу всю дорожку, не обрабатывая каждый сектор до считывания следующего. Некоторые контроллеры имеют даже два буфера: один для хранения
считываемых или записываемых данных, а второй для обработки или подготовки к предыдущей или следующей дороже. Это позволяет работать с
коэффициентом чередования 1:1 независимо от быстродействия системного блока.
Вторым методом повышения производительности диска является
метод «перекоса головок». Здесь речь не идёт о перекосе головок, как о
дефектном явлении в блоке головок дисковой памяти. Так называемый
«перекос головок» организуется специально.
При записи файла на диск сначала заполняется одна дорожка цилиндра, а затем контроллер переключает записываемый файл к следующей
головке этого же цилиндра. Когда весь цилиндр заполнен информацией,
происходит переход к следующему цилиндру (если файл не уместился в
цилиндре). Каждый переход с одной дорожки на другую и с одного цилиндра на другой, занимает время, в течение которого диски продолжают
вращаться, но считывания (или записи) не происходит:
Tn = K·tд + L·tц,
где: Tn – суммарное время перехода на новую дорожку в другом
цилиндре;
t д – время перехода другую дорожку в пределах цилиндра;
tц – время перехода на соседний цилиндр;
К – коэффициент, равный количеству дорожек, через которые
головка должна «перескочить» (если соседние цилиндры заняты);
L – коэффициент, увеличивающий время t ц, если дорожка в
цилиндре не первая.
С учётом этого обстоятельства несложно понять, что производительность диска снижается при считывании или записи файла, который пересекает границу дорожек или цилиндров.
Идея перекоса головок достаточно проста и иллюстрируется рисунком (см. рис. 18):
На рисунке для простоты рассмотрения использован коэффициент
чередования 1:1 и количество секторов – 17.
33
В двухдисковом накопителе (4 рабочих дорожки в цилиндре на четырёх рабочих поверхностях пакета дисков) секторы пронумерованы так,
как показано на рис.18 Если файл занимает все 4 дорожки одного цилиндра, то при считывании его сначала читаются секторы 1 – 17 нулевой головкой (Гол.0), а затем происходит переключение головок и считывание
продолжает первая головка (Гол.1). Переключение на первую головку
происходит за время прохода 17-го сектора под этой головкой, затем читаются секторы 1 – 17 и так далее по всем дорожкам цилиндра. В рассмотренном случае «перекос» первой головки относительно нулевой равен +1,
второй относительно нулевой + 2 и так далее.
Номера секторов хранятся в их заголовках, поэтому значение чередования секторов и перекос головок определяется при записи информации
в заголовки секторов. Первоначально программа подготовки дисков (форматтер низкого уровня) решает эту задачу, просто вызывая специальную
функцию контроллера диска.
3.2 ФИЗИЧЕСКАЯ И ЛОГИЧЕСКАЯ
ОРГАНИЗАЦИЯ ДИСКОВ
В накопителях на жёстких магнитных дисках информация хранится в
секторах. Сектором диска называют часть магнитной дорожки заключённая между идентификаторами смежных секторов. Сектор содержит 512
(1024, 2048) байтов данных. Реальный размер сектора несколько больше,
так как в секторе помещается также служебная информация. Сектор диска
состоит из двух основных частей (см. рис.19):
а) Идентификатор сектора;
б) Сегмент данных.
Идентификатор сектора и сегмент данных содержат:
1. Заголовок сектора (СНS): трёхмерный адрес–цилиндр (С), головка (поверхность цилиндра Н) физический номер сектора (S).
Здесь же располагаются: флажок «плохого сектора», указатель
заменяющего сектора и другие элементы.
2. Коды циклического контроля (CRC – Cyclical Redundancy Chek).
3. Промежуток между заголовком сектора и данными (интервал для
переключения головок при необходимости).
4. Сегмент данных 512 байт (1024 или 2048 байтов).
5. Коды исправления ошибок.
6. Межсекторный промежуток.
Физическое форматирование дисков преследует присваивание
каждой стороне диска дорожке и сектору числового адреса. Физическое
форматирование осуществляется специальной программой или програм-
34
мой из ПЗУ расширения BIOS в контроллере или ROM BIOS материнской
платы.
При физическом (низкоуровневом) форматировании для каждого цилиндра и головки контроллер записывает полную дорожку информации в
том формате, который ему потребуется для считывания и записи данных.
В результате выполнения физического форматирования на дисках
образуется служебная информация:
ИНДЕКС – маркер, индицирующий начало всех дорожек;
ЦИЛИНДР – образуются цилиндры, количество которых соответствует количеству дорожек на поверхности дисков с числовыми номерами
от 0 и далее;
СЕКТОР– диск делится на секторы и в них записывается информация, приведённая на рис.19. На место данных в сегменте данных записываются фиктивные коды. Данные в секторах защищены с помощью кодов
исправления ошибок – контрольной суммы ECC (Error Correction Code) –
от 4 до 7 байтов. Контрольная сумма записывается при записи данных на
диск, а также образуется при чтении информации и сравнивается с записанной ранее.
ДАННЫЕ записываются в сектор в последовательном коде старшим
битом вперёд. Чтение производится в том же порядке.
Нельзя подвергать физическому форматированию ранее отформатированный диск. Это может привести к выходу из строя диска.
Логическое форматирование жёстких дисков. Это форматирование, называемое также высокоуровневым форматированием, позволяет
создать на дисках логическую структуру дисковой памяти – файловую
систему, с помощью которой конкретная операционная система организует хранение данных.
Контроллеру диска достаточно форматирования на физическом
уровне – он может найти любой сектор. Но для операционной системы
этого недостаточно.
Логическое форматирование осуществляется в 2 этапа:
1. Этап организации разделов на диске;
2. Этап собственно логического форматирования.
Разработчики DOS могли не вводить разделов в жёсткие диски, но
они появились в период «молодости» MS DOS, когда диски были дороги.
Разработчики «чувствовали», что нужно обеспечить пользователю возможность инсталлировать на ПК несколько ОС, включая DOS. С тех пор
разделы остались, обеспечивая тем самым совместимость новых дисков с
прежними версиями BIOS и DOS.
Организация разделов на диске означает разделение дискового пространства на части. На жёстком диске должно быть по крайней мере один
раздел, но не более 4-х. На рис.20 приведена схема разделения дисковой
памяти. В результате такого разделения на дисках образуется четыре секции:
1. Главная загрузочная запись (MBR – Master Boot Record);
2. Средняя часть дисковой памяти;
3. Диагностический цилиндр;
4. «Секретный» цилиндр.
35
Главная загрузочная запись – «вводная» секция на диске, которая
служит для того, чтобы хранить таблицу разделов, без которой невозможно попасть в каждый из разделов дисковой памяти. Она занимает нулевой цилиндр дисковой памяти.
Диагностический цилиндр служит для проведения тестовой проверки дисков.
Секретный (инженерный) цилиндр содержит информацию о параметрах накопителя и некоторую фирменную информацию (этого цилиндра
может и не быть).
Средняя часть дисковой памяти – основная часть, в которой хранятся файлы пользователя, состоит (в качестве варианта):
1. ПЕРВИЧНЫЙ РАЗДЕЛ DOS создаётся любой операционной
системой. Если его создаёт DOS, он называется первичным.
2. РАСШИРЕННЫЙ РАЗДЕЛ DOS рассматривается как отдельный диск или как совокупность дисков. При наличии в винчестере
одного (физического) диска ими могут быть диски от D до I.
3. ОСТАЛЬНЫЕ РАЗДЕЛЫ могут быть разными. В данном случае это разделы, отведённые, например, под OS/2 и UNIX.
Логическую организацию разделов (верхний уровень форматирования) рассмотрим на примере раздела DOS (остальные разделы форматируются аналогично).
В результате работы программы FORMAT раздел DOS будет выглядеть так, как показано на рис.21.
Загрузочный сектор содержит:
а) Программу загрузки операционной системы;
б) Таблицу данных с информацией об этом разделе DOS.
Таблицы размещения файлов содержат информацию о состоянии
всех кластеров (см. ниже) в разделе DOS (или логическом накопителе).
Состояние кластеров отражается в таблицах FAT1 и FAT2 –таблицах размещения файлов, в которых содержится информация об учёте распределения дискового пространства. FAT – таблица чисел (по одному числу на
кластер), которая описывает состояние этих кластеров. Таких таблиц две –
одна резервная.
Корневой каталог – упорядоченная таблица сведений о файлах.
Именно здесь DOS хранит информацию о каталоге файлов, связывая имя
файла с его расположением на диске.
Область данных – данные, помещаемые пользователем и считываемые в оперативную память.
Несколько важных замечаний !
1. Логическое форматирование позволяет создать внутри тома (пакета дисков) логическую структуру диска – файловую систему, с помощью
которой конкретная ОС организует хранение данных. Диски, работающие
в системах DOS, Windows 9X, используют файловую систему FAT (в разных модификациях), а Windows NT/2000/XP могут работать с файловыми
системами FAT и NTFS.
36
37
2. Существуют 2 типа разделов: основные и дополнительные. Основной раздел – раздел с которого компьютер может загрузиться. Основной раздел может содержать только один диск, отформатированный для
конкретной ОС. Этому диску присваивается одна буква латинского алфавита. На жёстком диске может быть от 0 до 4-х основных разделов. Дополнительный раздел – это виртуальный физический диск, который в
свою очередь может быт разделён на несколько логических томов. На диске может быть либо один дополнительный раздел, либо ни одного. Компьютер не может загружаться с дополнительного диска, хотя файлы ОС
могут находиться на логическом диске в дополнительном разделе.
3. На одном из своих уровней DOS следит за файлом. Она следит либо за символом (когда файл поступает из символьного устройства или передаётся в него), либо за сектором (когда он поступает от блокового
устройства, например, от НМД или передаётся в НМД). Поэтому можно
подумать, что DOS использует при записи и считывания с диска ту же
единицу (сектор). Однако это не так. Вместо сектора DOS использует
другую единицу, называемую кластером или единицей распределения дисковой памяти.
Кластер – это некоторое удобное число секторов с последовательными номерами. Разбивая дисковое пространство на эти большие (больше,
чем сектор) единицы, DOS должна следить за меньшим числом единиц,
экономя объём памяти, отводимой для FAT-таблиц.
4. В среде DOS / Windows 9X имеются два типа файловых систем –
FAT 16 и FAT 32.
FAT 16 поддерживается версиями MS DOS и Windows 95. FAT 16
использует 16-разрядную адресацию, что устанавливает ограничение на
максимальное количество адресов – 65536. Если бы FAT 16 работала с
секторами, она позволила бы адресовать всего 655636 х 512 = 33554432
байта или 32 Мбайт. В таблице 3 представлены размеры кластера в секторах и байтах в зависимости от размера раздела диска:
Таблица 3
Размер раздела
Мбайт
0 – 32
33 – 64
65 – 128
129 – 255
256 – 511
512 – 1023
1024 - 2047
Секторов на
кластер
1
2
4
8
16
32
64
Размер кластера
Кбайт
512 байт
1 Кбайт
2 Кбайт
4 Кбайт
8 Кбайт
16 Кбайт
32 Кбайт
Как видно из таблицы количество секторов в кластере пропорционально степени двойки.
Недостаток кластеров заключается в том, что кластер является
наименьшим адресуемым блоком тома, поэтому каждый файл может занимать не менее одного кластера. В среднем на каждый файл приходится
половина потерянного кластера. Это означает, что на файл размером 1
38
байт на диске с FAT 16 размером 1 Гбайт требуется 32 762 байт дискового
пространства, а на файл размером 32 769 байт уходит 65 536 байт диска.
Создание FAT 32 обязано тому, что в FAT 16 были огромные кластерные потери и ограничение на размер тома (2 Гбайт). FAT 32 обращается к 268 435 456 кластерам. FAT 32 использует кластеры значительно
меньших размеров (см. таблицу 4):
Таблица 4
Размер раздела
Менее 256 Мбайт
256 Мбайт – 8 Гбайт
8 – 16 Гбайт
16 – 32 Гбайт
Более 32 Гбайт
Секторов на кластер
1
8
16
32
64
Размер
кластера
512 байт
4 Кбайт
8 Кбайт
16 Кбайт
32 Кбайт
Недостатком FAT 32 является:
а) Кластеры в FAT 32 меньше по размеру, но количество их больше,
что снижает скорость обращения к файлам (производительность FAT 32
на 3 – 5 % ниже, чем FAT 16).
б) FAT 32 поддерживают только Windows 95 OSR.2.X / 98 /2000 / XP
и Linux.
5. Файловая система NTFS (New Times Fyle System) – это «родная»
файловая система Windows / 2000 / XP; она не накладывает практически
никаких ограничений на размеры разделов, томов и файлов. Она быстрее,
надёжнее и безопаснее, чем любая модификация FAT.
Каталог файлов представляет собой таблицу, каждая строка которой
(32 байта) описывает один файл (см. рис. 22).
Первые 8 байтов строки каталога отводятся для имени файла, затем 3
байта занимает расширение имени и 1 байт отводится под атрибут файла.
Следующие 10 байтов ничем не заняты (пусто). По 2 байта отводятся на
указание времени создания файла, даты создания и номер начального кластера файла. В последних 4-х байтах указывается длина (размер) файла.
39
Рассмотрим кратко процедуру отыскания файла с именем
MYFILE.TXT (файл № 3 на рис.23). Номер начального кластера – 08 (файл
начинается с кластера 08):
1. В контроллер НМД поступает команда «считать файл». Имя файла указывается в команде.
2. Контроллер отдаёт приказ – скопировать каталог в КЭШпамять диска (ЗУПВ – запоминающее устройство прямой выборки). Таким образом, каталог помещается в буфер для более быстрого общения
контроллера с каталогом.
3. По каталогу DOS отыскивает строку, описывающую данный
файл с именем MYFILE.TXT, и считывает из строки каталога номер
начального кластера этого файла.
4. Затем DOS обращается к таблице размещения файлов – FAT и копирует таблицу в оперативную память компьютера.
5. DOS просматривает FAT, образует «цепочку кластеров», входящих в файл. Сначала считывается кластер 08 (начальный), затем кластер,
указанный в конце начального кластера – 09 и так далее (см. рис.23). Образуется цепочка кластеров: 08, 09, 10, 11, 13, 14, 17. При этом дефектный
кластер 12 (F7), а также свободные кластеры 15 и 16 обходятся и не включаются в цепочку.
6. DOS генерирует команду «установить головки на соответствующий цилиндр» начинает считывать кластеры с номера 08 до 17 (см.
рис. 23). Считанная информация записывается в буфер НМД (КЭШпамять).
7. Считав файл, DOS возвращает головки в зону расположения
FAT и вносит изменения (если они нужны) в таблицу.
При записи файла процедура выполняется аналогично, но имеются
некоторые отличия: в современных накопителях хранятся программы, которые позволяют некоторым образом оптимизировать размещение файлов на диске и тем самым уменьшить время их обработки. Программа оптимизации предварительно ищет свободные кластеры и подбирает в цепочку записываемых кластеров те из них, которые расположены наиболее
близко друг к другу. Процедура записи выглядит, кратко, следующим образом:
1 Каталог копируется в КЭШ-память диска, и в него заносится строка с именем нового файла.
2. В оперативную память копируется таблица FAT и определяются
номера свободных кластеров.
3. Включается программа «оптимизации» размещения файла, и подбираются номера близко расположенных друг к другу кластеров.
4. Образуется цепочка кластеров, а далее, аналогично тому, что было
рассмотрено выше.
Логическая организация данных на дискетах мало отличается от
таковой на жёстком диске. Главное отличие – на дискете нет разделов
диска. Дискета так же форматируется, но форматирование дискеты – физическое и логическое – происходит одновременно. При форматировании
определяется количество дорожек и число секторов на них.
40
Формат D-9, количество дорожек на одной стороне дискеты – 40,
количество секторов на одной стороне дискеты – 360.
В MS DOS предусмотрены 4 логические области дискеты:
1. Загрузочный сектор (ЗС);
2. Таблицы размещения файлов (FAT);
3. Каталог дискеты;
41
4. Область данных.
Для наиболее популярного формата D-9 двухсторонней дискеты с
количеством дорожек на обеих сторонах 80 Разметка дискеты приведена
на рис 25.
Величина области данных, размер каталога и таблиц FAT зависит от
количества секторов. В таблице 5 приведены данные, характеризующие
параметры дискет для различных форматов записи:
Таблица 5
Формат
Секторов на
дискете
Размер FAT
(секторов)
Размер каталога (сект.)
Размер области данных (сект)
D-8
D-9
DD-9
QD-15
QD-18
640
720
1440
2400
2880
2
4
10
14
18
7
7
7
14
18
630
708
1422
2371
2843
Примечание: D-8 и D-9 – двухсторонние дискеты, по 40 дорожек на
каждой стороне дискеты.
DD и QD – двухсторонние дискеты ,по 80 дорожек на
на каждой стороне.
На рис.25 приведена схема размещения информации на дорожке
дискеты, записанной в формате D-9 после форматирования дискеты.
42
На рис.25 приняты следующие обозначения:
На дорожке дискеты.
И – индекс , определяющий начало дорожек;
ЗИ – зазор индекса;
ИС – идентификатор сектора;
БД – блок данных;
ЗБД – зазор блока данных;
ЗД – зазор дорожки.
В идентификаторе сектора.
МИ – маркер идентификатора;
ИА – идентификатор адреса;
ЗИд – зазор идентификатора (адреса);
МД – маркер данных;
ЦК – байт циклического контроля;
ЗБд – зазор блока данных.
В идентификаторе адреса.
АД – адрес дорожки;
СД - сторона дискеты;
НС – номер сектора;
ДС – длина сектора;
ЦК – байты циклического контроля.
43
4. НАКОПИТЕЛИ НА ОПТИЧЕСКИХ
ДИСКАХ
4.1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Оптические (лазерные) диски пришли в вычислительную технику из
аудио-видеотехники и во многом сохранили параметры, характерные для
техники воспроизведения звука и изображений.
Накопители на оптических дисках (НОД) обладают по сравнению с
НМД заметными преимуществами, основными из которых являются:
1. Очень высокая плотность записи информации, превышающая на
несколько порядков плотность записи в НМД. Поверхностная
плотность достигает 2 – 25 Мбит/мм²;
2. Скорость передачи данных за счёт буферизации накопителя достигает величины около 200 Мбит/c;
3. Время доступа к данным в пределах одного диска приближается
к 0,01 с – 10 мс;
4. Ожидается реализация поперечной плотности до 1000 дор/мм;
5. Длительность хранения информации составляет от 10 до 100 лет
(это прогноз);
6. Малая подверженность оптического диска воздействию внешних
факторов, пыли, механических царапин, радиации, магнитного
поля и т.п.
К недостаткам оптических дисков следует отнести:
1. Наличие прецизионных механических и оптических узлов, не выдерживающих ударов и вибраций;
2. Использование дорогих материалов для дисков (в том числе редкоземельных: теллур, тербий и др., а также золота);
3 Многие методы оптической записи обеспечивают только однократную запись;
4. Селективное (выборочное) стирание и повторная запись требует
сравнительно дорогих средств и затрат времени.
Некоторые технические характеристики оптических дисков:
1. Расстояние между оптической головкой и поверхностью диска
составляет величину около 1 миллиметра;
2. Луч лазера даёт на поверхности диска пятно размером около 1
мм. На запоминающем слое за счёт фокусировки пятно уменьшается до микронных размеров;
3. Расстояние между дорожками составляет 1,1 – 1,6 микрон;
4. Один бит информации занимает на дорожке расстояние 0,31 –
0,52 микрон;
5. Размер сектора на оптическом диске может быть 512 или 2048
байтов:
6. Скорость вращения диска от 3000 до 4500 об/мин;
7. Задержка доступа около 7 мс, среднее время поиска 20 – 30 мс.
8. Основными разработчиками оптических дисков являются фирмы
Sony (Япония), Philips (Голландия) и IBM (США).
44
4.2 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАПИСИ-СЧИТЫВАНИЯ
НА ОПТИЧЕСКИХ ДИСКАХ
Оптический диск в разрезе представляет собой многослойную структуру, схема которой представлена на рис. 26
При работе с оптическими дисками используется запись информации
с помощью лазерного луча – оптический метод записи и считывания. Оптические технологии записи-считывания позволяют ввести в систему различные способы автоподстройки, что обеспечивают высокую точность
нахождения дорожки и высокую поперечную плотность размещения информации на диске.
Существенной особенностью некоторых типов оптических дисков
является использование спиральной дорожки вместо множества концентрических дорожек как на магнитных дисках. Спиральная дорожка обеспечивает одно важное преимущество при воспроизведении аудио- и видеозаписей – непрерывность потока информации.
С другой стороны, такая форма дорожки создаёт проблемы, когда
необходимо вести запись отдельных порций данных на диск при наличии
между операциями записи больших временных промежутков – например,
при выполнении периодической архивации данных на персональном компьютере. Размещённые на дорожке секторы нумеруются последовательно,
начиная от центра диска.
Существуют несколько режимов записи и чтения информации на оптический диск:
1. Режим однократной записи и многократного считывания;
2. Режим многократной записи со стиранием записанной информации.
Режим однократной записи и многократного считывания допускает два варианта записи-считывания:
а) Абляционная запись – удаление участка рабочего (запоминающего) слоя при нагреве его лазерным лучом;
б) Образование вспучивания рабочего слоя при нагреве.
Схема реализации этих двух вариантов записи считывания приведена
на рис. 27. На левой части рисунка (а) приведена схема записи. Мощный
45
луч от лазера (И1) через фокусирующую систему (ФС) попадает через защитный прозрачный слой диска (ЗСл) на тонкий слой хранения (СлХр),
лежащий на подложке (П), и образует «ямку» – удаляет часть слоя хранения. Во втором варианте луч лазера разогревает участок слоя хранения и
образует «вспучивание» вещества слоя хранения. Таким образом, обеспечивается запись бита информации. Удалить ямку или вспучивание невозможно, поэтому такой способ записи является однократным – возможно
только многократное считывание.
Схема считывания приведена на правой части рисунка (б). Менее
мощный лазер (лазерный диод И-2) через фокусирующую систему ФС1
«ощупывает» своим лучом поверхность диска. От тех участков диска, на
которых информация не записана (светлые участки слоя хранения) луч лазера отражается по оптическим законам – угол падения луча равен углу
отражения. Отражённый луч через фокусирующую систему (ФС2) попадает на фотодетектор, на выходе которого не формируется сигнал считывания. Если луч попадает в «ямку» или на «вспучивание», на выходе фотодетектора формируется бит данных.
В режиме многократной записи со стиранием используется технология изменения фазового состояния участка битовой информации, приводящая к изменением оптических констант – коэффициента преломления
или коэффициента поглощения. Благодаря использованию магнитного поля, создаваемого специальной головкой, удаётся получить реверсивный
(стираемый) диск.
Запись осуществляется термомагнитным способом: магнитное
поле головки способно перемагнитить только микроскопическую зону носителя разогреваемую лазерным лучом до температуры точки Кюри (порядка 200°С). Эта температура придаёт сплаву слоя хранения возможность
изменить ориентацию вектора намагниченности под воздействием слабого
внешнего магнитного поля головки. Зона вышедшая из под луча лазера
«замораживает» полученное состояние намагниченности.
Схема записи-считывания приведена на рис.28. На левой части рисунка (а) приведена схема записи с использованием термомагнитного способа. Луч лазера генерируется лазерным диодом; луч подаётся на коллиматор, который превращает расходящийся лазерный луч в параллельный
пучок. Зеркало направляет лазерный пучок на фокусирующую систему
(ФС), которая фокусирует луч на слое хранения диска (СлХр). В зоне
разогрева температура поднимается до точки Кюри. Домены зоны разогрева при подаче на обмотку магнитной головки напряжения ±U ориентируются определённым образом и остаются в этом состоянии при выходе
зоны разогрева из под луча лазера. Если сменить полярность напряжения,
подаваемого на магнитную головку, на обратную, то можно стереть записанную информацию, то есть привести домены зоны разогрева в исходное
состояние. Это является основой процесса стирания ранее записанной информации.
Считывание информации, записанной на диск осуществляется аналогично тому, как это было рассмотрено выше. Единственное отличие заключается в том, что отражённый от доменов, содержащих записанный
бит информации, луч лазера изменяет угол поляризации, что приводит появлению на выходе фотодетектора (ФД) сигнала.
46
47
В магнитооптике традиционно используют двухпроходную запись.
Для того, чтобы записать информацию в секторе, после позиционирования
головки за первый оборот, сектор стирают. Для этого головка создаёт постоянное магнитное поле, а лазер включается на полную мощность, когда
под ним проходит требуемый сектор (требуемые секторы). В результате
все «засвеченные» области данных переводятся в состояние с одним и тем
же направлением намагниченности. На следующем обороте выполняется
собственно запись – направление магнитного поля головки меняется на
противоположное и формируются мощные импульсы лазера над теми точками, состояние которых нужно изменить, чтобы закодировать требуемую
информацию. Для большей достоверности на третьем обороте выполняется верификация – считывание записанной информации.
В принципе, возможна и однопроходная запись, если модулировать
магнитное поле (переключать его направление) над каждой битовой областью. Однако в данной технологии (на большом расстоянии головки от
диска, которое уменьшать не хотят принципиально) из-за явления индукции магнитная модуляция при больших скоростях записи требует непомерных затрат энергии.
Считывание информации с магнитного слоя диска выполняется тоже с помощью лазера (при малой мощности излучения) и основано на эффекте Керра – изменение поляризации света под действием магнитного
поля. Отражённый от поверхности диска луч проходит через поляризационную оптику, в результате на фотоприёмник приходит луч, интенсивность которого модулирована (по амплитуде) в соответствии с записью на
магнитном слое. Разрешающая способность оптики и фотоприёмника
определяют достижимую плотность хранения информации.
Магнитооптические диски организованы так же, как и магнитные – у
них имеются дорожки, разбитые на секторы, только нумерация дорожек
начинается от центра диска. Размер сектора может быть стандартным (512
байт данных) или увеличенным (2048 байт данных). Количество секторов
на дорожке (треке) переменно – здесь тоже применяется зонная запись.
Магнитооптические диски бывают двух размеров – 5,25" (двусторонние) ёмкостью 650 Мбайт;1,3; 2,6; 4,6 Гбайт и 3,5" (односторонние)
ёмкостью 128, 230, 540, 640 Мбайт и 1.3 Гбайт.
По формату дорожек оптические диски могут быть двух типов:
а) Диски с концентрическими дорожками (ныне встречаются редко);
б) Диски со спиралевидными дорожками.
Диски первого типа дешевле, но время доступа к информации в таких дисках больше. Диски второго типа не разрывают длинных файлов, но
механизм позиционирования у таких дисков сложнее и дороже.
По способу записи диски могут быть отнесены к трём разновидностям:
1. CD ROM (Compact Disk – Read Only Memory) – компакт-диск
только для чтения. Запись на этот диск производится в процессе
его изготовления на заводе;
2. CD R (CD Recordable) – компакт-диск однократно записываемый. Запись на него производится в дисководе компьютера;
3. CD RW (CD ReWritable) – перезаписываемый компакт-диск;
Дисководы для упомянутых выше дисков получили те же названия,
48
что и диски для них:
- Читающие дисководы (CD-ROM);
- Пишущие дисководы (CD R);
- Перезаписывающие дисководы (CD RW).
Кроме указанных выше разновидностей используются диски DVDтипа. DVD-диск (Digital Video Disk) – цифровой видеодиск или цифровой универсальный диск, в котором нашли своё развитие принципы CD,
направленные на повышения плотности хранения и скорости передачи
информации. Эти диски имеют те же внешние размеры, однако представляют собой «бутерброд» из двух пластин. Для повышения ёмкости ширина
дорожки и продольный размер битовой ячейки уменьшены примерно
вдвое, снижены издержки избыточного кода коррекции ошибок. Кроме того, могут использоваться две стороны диска, а на каждой стороне информация может храниться в двух слоях. Таким образом, один диск может
иметь уже четыре рабочих плоскости. Достаточно полная информация о
дисках этого типа изложена в [1].
Запись информации на оптический диск имеет свою специфику,
связанную как с организацией диска (одна спиральная дорожка), так и с
особенностями управления лазером [1].
В дисках CD-R в течение всего времени записи, когда работает прожигающий лазер, на устройство записи в требуемом темпе должна поступать записываемая информация. Опустошение буфера устройства записи
недопустимо – в режиме записи устройство не может ждать. Прерывание
процесса записи (приостановка потока данных), как правило, губит болванку диска. С появлением перезаписываемых дисков CD-RW появился
пакетный режим записи, позволяет снять эти ограничения.
Ддя устройств и дисков CD-R возможны следующие режимы записи:
1. Весь диск сразу (режим DAO – Disk At Once). В этом режиме лазер включается на всё время записи всего диска от начала до конца. Вся
информация записывается на диск, включая вводную и выводную зоны, и
последующая запись на эту болванку невозможна, даже если остаётся место на диске. Для записи в режиме DAO требуются чистые болванки.
2. Потрековая запись (режим TAO – Track At Once) В этом режиме лазер включается на время записи одного трека. В начале каждого трека записывается предзазор длительностью 2 секунды (150 секторов). Этот
режим применяется как для односеансовой, так и для многосеансовой записи. Режим пригоден для любого назначения (аудио, CD-ROM и т.п.).
Нормально записанные диски будут читаться на любых приводах.
3. Пакетная запись ( режим Packet writing) В этом режиме за одно
включение лазера записывается произвольное количество блоков информации – пакет. Длина пакета не превышает объёма буфера устройства записи, благодаря чему опустошение буфера при записи не грозит порчей
диска [1].
Структура данных на компакт-дисках также специфична и отличается от структуры данных на магнитных дисках. Физически для встроенного контроллера дисковода единицей представления данных на
компакт-диске является «малый кадр». Запись данных на компакт-диск
выполняется в виде непрерывного потока малых кадров. Каждый байт
малого кадра записывается на диск в 14-битном коде EFM; всего в малом
49
кадре содержится 588 EFM битов. Формат малого кадра приведён на
рис.29.
Малые кадры для программиста недоступны: минимально адресуемой единицей данных на компакт-диске является кадр (Frame). Один кадр
компакт-диска содержит 98 последовательно расположенных малых кадров. Кадр содержит 24 х 98 = 2352 байт данных основного канала и 98
байт субканала (2 байта синхронизации и 96 байт данных).
Дорожка диска, записанного за одну операцию записи (сессию) состоит из 3-х последовательно расположенных зон:
1 Вводная зона – разделительная область диска, которая должна
предшествовать каждой области (зоне) программ, размещённых
на диске. Вводная зона закодирована как трек 0.
2 Программная зона – эта область диска, именуемая в документации также областью пользователя, содержит записанные на диск
данные.
4. Выводная зона – эта область диска следует за каждой программной зоной. Она закодирована как трек ААh.
На диске, записанном в режиме MSD (многосессионный диск) сессии
следуют друг за другом (см. рис.30) без каких-либо пустых промежутков.
Сессия 1
1 2
3
Сессия 2
4
5
6
7
Сессия 3
8
9
1 – Зона калибровки (РСА); 2 – Область сохранения координат
(РМА); 3 – Вводная зона сессии 1 (LIA1); (4)– Область данных сессии 1
(РА1); 5 – Выводная зона сессии 1 (LOA1); 6 – Вводная зона сессии 2
(LIA2); 7 – Область данных сессии 2 (PA2); 8 – Выводная зона сессии 2
(LOA2); 9– Область данных сессии 3 (PA3 сессия, 3 не закрытая).
Рис.30
50
Сессией называют набор треков (от 1 до 99), которому предшествует вводная зона, содержащая таблицу содержимого (ТОС), в которой
описаны координаты каждого трека и выводной зоны. За последним треком имеется и выводная зона, начало которой также задано в таблице.
Каждая сессия (структура, записанная за один сеанс) выглядит как
обычный CD-ROM, но есть нюансы в записях вводной зоны. Сессия называется закрытой , когда её программная область обрамлена вводной и
выводной зонами. Однако в её ТОС указатель на выводную зону может
указывать либо на начало выводной зоны, либо на её конец, то есть на
начало вводной зоны следующей сессии. Когда указатель описывает начало выводной зоны, диск становится закрытым – следующую сессию к
нему уже не добавить. Когда указатель указывает на конец вводной зоны,
на диск возможна запись последующей сессии (если хватает ресурсов: места на диске, места в области сохранения координат (РМА) и номеров треков).
ЛИТЕРАТУРА
1. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия, 2-е изд. –
СПб. : Питер , 2001. – 928 с.: ил.
2. Томпсон Р., Томпсон В. Железо ПК. 2-е изд. – СПб .: Питер, 2003.
– 846 с.: ил.
3. Хамахер К., Врашневич З., Заки С. Организация ЭВМ, 5-е изд. –
СПб. : Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2003. – 848 с.: ил.
Раздел 2 «УСТРОЙСТВА ВВОДА-ВЫВОДА
ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
(Дигитайзеры, сканеры, плоттеры)
Раздел2 «УСТРОЙСТВА ВВОДА-ВЫВОДА ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
(Дигитайзеры, сканеры, плоттеры) ........................................................................................ 50
1. ОСОБЕННОСТИ ВВОДА-ВЫВОДА ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ .. 50
2. РАЗНОВИДНОСТИ УСТРОЙСТВ ВВОДА-ВЫВОДА ГРАФИЧЕСКОЙ ... 52
3. ДИГИТАЙЗЕРЫ ...................................................................................................... 52
4. СКАНЕРЫ ................................................................................................................. 65
5. ПЛОТТЕРЫ .............................................................................................................. 75
5.1 РАЗНОВИДНОСТИ ПЛОТТЕРОВ ................................................................................................... 75
5.2. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПЕРЬЕВЫХ ПЛОТТЕРОВ .............................................................. 75
5.3 ФОРМИРОВАНИЕ ГРАФИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ
ПЕРОМ В ПЛОТТЕРЕ .......................................................................................................................... 77
5.4 ВЫВОД СИМВОЛОВ НА ПЛОТТЕРАХ ........................................................................................... 81
5.5 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПЛОТТЕРОВ ............................................................................ 82
5.6 РАСТРОВЫЕ ПЛОТТЕРЫ .............................................................................................................. 87
51
1. Особенности ввода-вывода графической информации
Документ, несущий графическую информацию (ГИ) и текст, называют визуальным сообщением. Это сообщение содержит информацию от
простейших графиков до сложнейших цветных и многоградационных
изображений.
Особенностью преобразования визуальных сообщений в двоичные
коды состоит в том, что объём информации, описывающей сообщение,
очень велик. Рассмотрим следующий пример:
а) Имеется цветное изображение на носителе размером 0,5 х 0,5 метра;
б) Изображение представлено в виде мозаики элементов – пикселей.
Размер пикселя составляет 0,5 х 0,5 мм;
в) Изображение можно рассматривать как совокупность 1000 х 1000
элементов;
г) Если при преобразовании «картинки» используется до 100 цветовых оттенков и столько же уровней яркости, то для кодирования цвета
необходимо иметь 7 двоичных разрядов и столько же разрядов для кодирования яркости.
Нетрудно подсчитать, что таблица кодов, представляющая «картинку» будет иметь объём около 1,7 мегабайт.
Рассмотренный пример показывает, что кодирование графики – довольно сложная техническая задача.
Изображение может рассматриваться с точки зрения проблем его
оцифровки и последующего ввода в ЭВМ как систему оптических неоднородностей, которые характеризуются следующими параметрами:
а) Оптическая яркость B=B(X,Y), где X и Y представляют координаты точек изображения. Оптическая яркость характеризуется количеством света, отражённого от участка изображения;
б) Коэффициент отражения ρ=ρ(X,Y);
в) Цветовой тон (цветовая палитра) λ=λ(Х,Y);
г) Чистота цвета изображения P=P(X,Y).
В ряде практических случаев функция λ=λ(X,Y) может не приниматься в расчёт, а функции B=B(X,Y) и ρ=ρ(X,Y) принимают два значения
0 и 1.
Простейшая форма визуального сообщения – функция вида Y=F(X).
Это типично для различных самопишущих приборов, шлейфовых осциллографов, снимков, получаемых при ядерных исследованиях и т.п. В этих
графических сообщениях преобразование «графиков» сводится к измерению координат точек кривых с последующей обработкой полученных
данных с помощью прикладных программ.
Более сложно осуществляется преобразование штриховых изображений, представляющих собой неоднозначные функции одного аргумента:
чертежи, диаграммы, схемы.
Ещё более сложно осуществляется ввод полутоновых изображений, в
том числе многоцветных – картография, текстовые документы и др.
52
2. Разновидности устройств ввода-вывода графической
информации
С ростом производительности компьютеров и увеличением объёма
оперативной и внешней памяти появилась возможность обработки огромных массивов информации в приемлемое для пользователя время как при
вводе, так и при выводе графической информации.
В практику использования больших и малых ЭВМ вошли графические периферийные устройства – графопостроители (плоттеры), оцифровщики данных (дигитайзеры), читающие автоматы, сканирующие устройства (сканеры). Появление этих устройств заставило создать различные
технологии ввода и вывода графической информации, языки программирования и управления этими устройствами так как подготовка данных для
ввода вручную весьма трудоёмка, а кодирование рисунков и чертежей для
ввода в ЭВМ требует объёмных программных средств.
Первыми из графических устройств, пришедших в цифровую технику, были читающие автоматы, которые наряду с графическими данными
вводили в ЭВМ и текст. За ними появились графопостроители, во многом
повторившие конструктивные основы аналоговых устройств, выводящих
на носитель кривые и графики, получаемые в аналоговых вычислительных
машинах (АВМ).
Затем были разработан ряд устройств – оцифровщиков данных (дигитайзеров), которые использовали различные физические принципы
оцифровки данных, положенных в основу их конструкций.
И, наконец, с появлением новых элементов преобразования графических величин в код появились сканирующие устройства – сканеры.
Появление периферийных устройств, перечисленных выше, создало
предпосылку для развития Систем Автоматизированного Проектирования
(САПР). Графические периферийные устройства, таким образом, обеспечили совместно с графическими дисплеями:
1. Возрастание производительности труда проектировщиков;
2. Повышение точности съёма и скорости ввода графики;
3. Повышение скорости вывода графической информации;
4. Включение ЭВМ в технологический процесс подготовки конструкторской документации;
5. Улучшение эргономических характеристик труда проектировщиков;
6. Повышение качества конструкторских документов, получаемых в
САПР.
Кроме того, появление этих устройств создало предпосылки для возникновения нового раздела компьютерной науки – машинной графики.
3. Дигитайзеры
Дигитайзеры производят оцифровку графических изображений, то
есть преобразуют графические элементы изображения (примитивы) – точки, линии различного типа, окружности, дуги прямоугольники и т.п. в
цифровые данные и формируют так называемый графический файл – последовательность цифровых данных, считывая которые ЭВМ воспринимает графическое изображение как некоторую последовательность кодов,
53
обрабатывая которые ЭВМ получает данные о графическом изображении
в целом.
Дигитайзер относится к числу полуавтоматических устройств, в процессе работы которого принимает непосредственное участие пользователь.
Процесс ввода графического изображения (ГИ) в коды состоит из 4-х этапов:
1. Поиск графического примитива на носителе (бумаге, плёнке и
т.п.);
2. Выделение элемента изображения, подлежащего кодированию;
3. Преобразование яркости, цветности, типа и координат графического примитива в цифровую форму;
4. Формирование графического файла и передача его в ЭВМ.
В дигитайзерах этапы 1 и 2 выполняются с участием пользователя,
остальные – автоматически, то есть непосредственно ЭВМ.
В дигитайзерах описание исходных данных в виде чертежей, эскизов
или рисунков, выполненных на бумаге или кальке, производится на графическом языке, который позволяет (в отличии от устройств автоматического типа – сканеров) избежать ввода каждой точки изображения, что
требует огромной памяти. Графические изображения задаются в виде признаков основных элементов чертежа: отрезков прямой (векторов), дуг,
окружностей, их координат и размеров, а также в виде типовых элементов
чертежей и схем (элементы электронных схем, микросхемы, транзисторы,
резисторы и т.п.) с указанием их координат в виде базовых точек, размеров и других признаков. На рисунке 3.1 приведена схема транзисторного
элемента, в которой транзистор, резистор и заземление заданы в виде типовых элементов электронных схем ТЭ1, ТЭ2 и ТЭ3, а остальные – в виде
отрезков прямых и ломаных линий.
В дигитайзерах использовались различные физические принципы и
приёмы оцифровки элементов визуального сообщения. К настоящему
времени находят применение два основных принципа – электромеханический (дигитайзеры с рабочим полем (оцифровываемая площадь) размером
до 1200 х 1500 мм) и электромагнитный (несколько меньшим и даже небольшим рабочим полем). Технические характеристики дигитайзеров некоторых зарубежных фирм приведены в Приложении 1.
Кинематическая схема электромеханического дигитайзера приведена
на рис.3.2; цифрами на рисунке обозначены следующие узлы дигитайзера:
1. Рабочее поле дигитайзера (планшет), на котором крепится носитель с визуальным сообщением (чертежом, схемой, рисунком);
2. Визирное устройство (визир, съёмник координат кодируемых точек), которое жёстко крепится на подвижной каретке «Y» и вместе с ней перемещается по оси Y. Визир представляет собой оптическое устройство – лупу с визирным перекрестием;
3. Подвижная каретка «Y», реверсивно перемещающая визир по оси
Y (с помощью пользователя);
4. Кнопка съёма, при нажатии которой фиксируются координаты
кодируемой точки чертежа;
5. Траверса (направляющая), по которой перемещается каретка «Y»
(вручную пользователем);
6. Подвижная каретка «X», выполняющая те же функции, что и каретка «X», но по оси X;
54
55
7. Траверса (направляющая), по которой перемещается каретка «X»
также с помощью пользователя;
8. Поле задания признаков кодируемых элементов чертежа (точка,
линия, окружность, дуга и т.д. или каких либо команд – удалить,
переместить и т.п.) В литературе это поле часто называют «таблеттой». Фрагмент поля приведён на рис. 3.3.
56
Работа по «оцифровке» чертежа или эскиза (часто этот процесс
называют «скалыванием», а дигитайзер «сколкой») заключается в следующем:
1. Оператор закрепляет на рабочем поле (планшете) носитель с чертежом;
2. После включения питания дигитайзер сбрасывает «на нуль» содержимое своих регистров, счётчиков и буферной памяти и посылает звуковой сигнал о готовности к работе;
3. Оператор устанавливает визир на изображение вводимого элемента (примитива) на соответствующую клетку таблетты и нажимает кнопку
съёма данных. Этим самым в заголовок графического файла вводится номер кадра и признак вводимого примитива;
4. Визир подводится к скалываемому примитиву (например, к линии) и последовательно вводятся координаты правого и левого конца линии. Координаты концов линии вводятся в буфер дигитайзера, в котором
формируется графический файл;
5. Если следующим элементом чертежа является окружность, то в
таблетте активизируется ячейка «окружность», а затем вводятся центр
окружности и одна точка, лежащая на окружности.
На рисунке 3.4 приведён фрагмент графического файла.
1
2
3
4
5
6
Номер
кадра
Признак
элемента
(линия)
Xн
Yн
Xк
Yк
Признак
элемента
(окружн.)
7
Xц
Yц
Xок
Yок
…..
8
9
10
11
.
.
.
i
….
i+1 .
….
n-3
Признак
элемента
(символ)
n-2
W
n-1
Признак
конца
кадра
n
Код
конца
Xо,Yо, Xн, Yк – координаты начала (н) и конца (к) линии;
Xц, Yц, Xок, Yок – координаты центра (ц) и точки на окружности (ок).
Рис. 3.4
Собственно преобразование координат центра визира в код (оцифровка координат кодируемой точки) осуществляется с помощью кодирующих линеек или кодирующих устройств в виде кодирующих дисков
(преобразователи «угол поворота-код»). Тип кодирующего устройства за-
57
висит от конструкции дигитайзера. На рисунке 3.5 приведена конструкция
кодирующей линейки.
Кодирующая линейка представляет собой пластинку из прозрачного
материала, на которую нанесен рисунок в виде многоразрядного двоичного кода (на рисунке приведены только 5 разрядов). Элементы пластинки
могут быть 2-типов – прозрачные и непрозрачные. Прозрачный элемент
соответствует двоичной единице, непрозрачный – двоичному нулю. Каждый вертикальный ряд элементов освещается индивидуальным источником света, который воспринимается фотоприёмниками, расположенными с
противоположной стороны. Источники света и фотоприёмники жёстко
связаны с непрозрачной рамкой и перемещаются вдоль кодирующей линейки. В свою очередь рамка механически связана с подвижными каретками (кареткой «Х» и кареткой «Y»). Перемещая каретки над поверхностью чертежа, пользователь перемещает рамки над неподвижными кодирующими линейками по координате Х и Y. При этом при нажатии кнопки
съёма на каретке Х осуществляется съём двоичных кодов с фотоприёмников и занесение их в регистры Х и Y (на схеме не приведены).
В основу дигитайзеров второго типа – электромагнитных – положен принцип взаимодействия электрического проводника с током и катушкой индуктивности.
Если по проводнику распространяется импульс тока, то в катушке
индуктивности, расположенной вблизи проводника, в течение действия
импульса тока возникает ЭДС, величина которой зависит от силы тока и
расстояния центра катушки от провода:
58
ej = ρf(i,lk)
(*),
где: ρ – константа, определяемая параметрами катушки (добротность катушки и её геометрия, сопротивление провода и т.п.);
i – величина тока в импульсе;
lк – расстояние центра катушки от проводника;
ej – величина ЭДС, наведённой в катушке.
При постоянстве силы тока в импульсе выражение (*) примет вид
функции от одной переменной:
ej=F(lk)
(**).
Если катушку вначале разместить так, чтобы её центр располагался
точно над проводом, а затем смещать катушку вправо, то зависимость величины наведённой в катушке ЭДС от расстояния центра катушки от проводника будет иметь вид, приведённый на рис.3.6. Линейную часть этой
зависимости, таким образом, можно использовать для построения электромагнитного дигитайзера, так как линейная часть зависимости (**) по
сути дела представляет собой функцию преобразования величины ЭДС в
катушке в расстояние катушки от проводника
Но ввиду того, что наведённая в катушке ЭДС достаточно мала при
разумных величинах тока в проводнике, необходимо иметь, во-первых,
достаточно большое количество проводников, которые располагаются на
рабочем поле (планшете) на некотором расстоянии друг от друга и, вовторых, эти проводники должны возбуждаться импульсами тока последовательно, начиная с первого, так чтобы в каждый момент времени был
возбуждён только один проводник. При этом усиленная по амплитуде
ЭДС преобразуется в двоичный код – координату, которая пропорциональна расстоянию центра визира (катушки) от первого проводника на рабочем поле дигитайзера.
На рисунке 3.7,а приведён фрагмент рабочего поля электромагнитного дигитайзера (планшета), под плоским полем которого уложены n вертикальных (1) и m горизонтальных (2) проводников (шин) с шагом Δx и
Δy, соответственно. Обычно n=m и Δx=Δy. Центр визира (катушки индуктивности 3) расположен между 2-й и 3-й шинами.
Рассмотрим, что будет наводиться в катушке индуктивности визира
при последовательной подаче на вертикальные шины импульсов тока.
При подаче импульса тока на шину № 1 в катушке возникнет ЭДС в
виде импульса напряжения 1 (см. рис.3.7, б). Аналогично, при подаче импульса на шину № 2 в катушке визира возникнет ЭДС 2. Амплитуда импульса напряжения 2, при этом, будет больше, так как возбуждённая шина
№ 2 приблизится к центру катушки визира. Далее, при возбуждении шины
№ 3 в катушке визира возникнет отрицательный импульс, так как возбуждённая шина будет находиться уже справа от центра визира. И так будет
происходить до момента возбуждения последней шины. Если соединить
вершины наведённых в катушке индуктивности импульсов, получим ломаную, которая пересекает ось x в точке А. Эту ломаную линию называют Амплитудно-Координатной Характеристикой (АКХ) дигитайзера.
59
Положение точки А на оси определяет точное расстояние центра
визира (кодируемой точки) от края планшета.
Если передвигать визир между шинами 2 и 3, то при приближении
центра визира к шине 2 амплитуда импульса 2 будет расти, а амплитуда
импульса 3 уменьшаться. При движении визира в обратную сторону (к
шине 3) произойдёт обратное – амплитуда импульса 3 будет расти, а импульса 2 уменьшаться.
Если прекратить возбуждение шин в тот момент, когда в катушке визира появится отрицательный импульс, и сосчитать поданные на шины
импульсы, то расстояние центра визира от края планшета (координата Lx
кодируемой точки) будет равно
Lx = nx Δx,
где:
nx - количество зафиксированных (сосчитанных) импульсов;
Δx – шаг (расстояние) между шинами.
Эта координата зафиксирована с погрешностью, численно равной
расстоянию центра визира от шины 3. Погрешность можно скомпенсировать, если вычесть из Lx величину, равную отношению амплитуд импульсов 2 и 3, преобразованную в код. Тогда точное значение координаты Lx
, будет равно
Lx = nxΔx – (e2/e3)Δx,
где: e2 и e3 – амплитуды импульсов 2 и 3.
После завершения цикла определения абсциссы кодируемой точки
дигитайзер переходит автоматически к циклу определения ординаты, который реализуется аналогично.
На рис.3.8 приведена несколько упрощенная схема дигитайзера. На
схеме показаны основные узлы устройства, ответственные за определение
абсциссы кодируемой точки. Кроме того, отсутствуют узлы, реализующие
уточнение результата кодирования точки.
В состав схемы входят следующие узлы:
1. Планшет – прямоугольное рабочее поле дигитайзера с системой
вертикальных и горизонтальных координатных шин;
2. Источник (генератор) импульсов тока, возбуждающих координатные шины;
3. Счётчики CчX CчY, управляющие дешифраторами ДшX и ДшY
и накапливающие коды координат скалываемых точек чертежа;
4. Т – RS-триггер, управляющий схемой «И» (&);
5. К – ключ съёма данных (расположен на корпусе визира);
6. С – съёмник данных (визир);
7. Ф – формирователь импульсов.
Рассмотрим работу дигитайзера по координате Х.
1. При включении питания схемы дигитайзера сбрасываются в исходное состояние (обнуляются счётчики, RS-триггер переключается в нулевое состояние, ключ К размыкается и т.д.);
60
61
2. При установке визира на изображение кодируемого элемента на
таблетте и нажатии кнопки на корпусе визира генерируется код признака
элемента (линия, дуга, прямоугольник и т.п.);
3. Затем при установке визира на кодируемую точку, например,
начало вектора, и нажатии кнопки съёма триггер переключается в состояние «1»;
4. Сигнал с выхода триггера поступает на схему И (&), и тактовые
импульсы (ТИ) начинают поступать на счётчик СчХ;
5. Счётчик начинает через дешифратор ДшХ возбуждать координатные шины планшета;
6. Визир, улавливая электромагнитное поле от возбуждаемых шин,
подаёт импульсные сигналы на формирователь (Ф). До тех пор пока импульсы с визира имеют положительную полярность, на выходе формирователя сигнал отсутствует;
7. Как только сигнал с визира станет отрицательным, на выходе
формирователя генерируется сигнал, который переключает триггер и прекращает доступ тактовых импульсов на счётчик;
8. Схема управления (не приведена на рис.3.8) включает устройства,
вычисляющие «точную» часть кода координаты, её преобразование и
сбрасывает полный код в регистр координаты (на схеме не приведён);
9.Затем схема управления переключает дигитайзер на вычисление
ординаты кодируемой точки, которое осуществляется аналогично;
62
10. В результате первого цикла работы в регистрах РгХ и РгY образуются коды координат кодируемой точки, которые пересылаются в память ЭВМ, формируя последовательные кадры графического файла.
Рассмотренные выше принципы построения и функционирования
дигитайзеров несколько упрощены для краткости изложения. Реальные
дигитайзеры существенно сложней, так как дигитайзер и его работа содержит ряд технологических особенностей, важнейшие из которых следующие:
1. Дигитайзер работает на высокой частоте (частота тактовых импульсов составляет 900 и выше килогерц) На этой частоте электромагнитные поля возбуждённых шин рабочего поля являются источником помех
для электронных схем дигитайзера;
2. Реальный размер катушки визира составляет около 5-6 сантиметров. Поэтому визир перекрывает не один десяток координатных шин, что
усложняет процедуру вычисления «точной» части кода координаты (рассмотрено выше);
3. В силу этих обстоятельств в ряде моделей дигитайзеров процедура
кодирования построена иначе – источником магнитного поля является
курсор, в обмотку которого подаётся высокочастотный сигнал. Магнитное
поле, возникающее при этом, наводит в координатных шинах ЭДС, которая по величине пропорциональна расстоянию шины от центра визира.
Этот принцип реализован в дигитайзере СМ 6424 (см. Лабораторный
практикум «Графические периферийные устройства»).
На рис. 3.9 приведена полная схема дигитайзера. В схеме использованы следующие обозначения:
ПЛ – планшет, рабочее поле дигитайзера;
В – визир;
Г – генератор тактовых импульсов;
Кн – кнопка съёма данных;
СчВ – счётчик возбуждения, производит поочерёдное переключение
дешифраторов ДШ-Х и ДШ-Y;
Дш-Х и Дш-Y – дешифраторы, управляющие формирователями токов
ФТ-Х и ФТ-Y;
Кл-Х и КлY – ключевые схемы, подключающие координатные шины к
формирователям токовФТ-Х и ФТ-Y;
УИ – устройство измерения;
УУ – устройство управления (МП);
К – электронный ключ;
СчИ – измерительный счётчик;
& - сборки логических схем «И»;
РгХ и РгY – регистры координат Х и Y;
a, b, c,…n – цепи управления дигитайзером от УУ.
Схема работает следующим образом (по координате Х).
1. Перед началом цикла кодирования по любой из координат все узлы дигитайзера приводятся в исходное состояние.
2.Визир устанавливается на точку чертежа, координаты которой (Х и
Y) необходимо закодировать и ввести в ЭВМ.
3.При нажатии кнопки КнП на корпусе визира схема начинает работать: тактовые импульсы поступают на СчВ, сигналы со счётчика
63
64
поступают на дешифратор ДшХ, который последовательно включает
формирователи токов ФТ-Х и соответствующие ключи Кл-Х.
4. Одновременно RS-триггер (Т) открывает ключ К, и тактовые импульсы с генератора тактовых импульсов Г начинают поступать на счётчик СчИ.
5. При смене полярности сигнала, считанного катушкой визира на
обратный, измерительное устройство (УИ) переключает триггер (Т), который закрывает ключ (К) и тем самым прекращает доступ тактовых импульсов в счётчик. В счётчике фиксируется «грубая часть» кода координаты Х – Lх гр.=ΔХ·Nх, где Nх –количество импульсов, зафиксированных в
счётчике.
6. Далее схема переключается в режим вычисления «точной части»
кода (процедура описана выше). Таким образом, уточнённоё значение кода координаты будет равно:
Lх=Lх гр + Lх точн.
7. Код «сбрасывается» в регистр РгХ и схема переключается в режим определения координаты Y, после чего коды координат из регистров
РгХ и РгY передаются в графический файл (память компьютера, см.рис.
3.4).
Ниже приведены характеристики дигитайзеров некоторых зарубеж-ных фирм:
Фирма проЧисло тоРазреОцифровы- ТочСкорость
изводитель,
чек по
шение
ваемая пло- ность передачи
тип
Х и Y
мм
щадь,
мм
кв.мм
Graph.Corp.
KD3200
KD3300
KD4300
KD4600
KD 3800
Olivetti-log.
9012
9236
9248
9260
BENSON
6301
6440
Аристогрид
CD200
GGT Accu
Marc 300
2970
3050
3880
4600
3810
2100
3050
2600
3100
3810
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
297 х 210
305 х 305
380 х 260
460 х 310
381 х 381
0,025
0,025
0,025
0,025
0,025
150 поз/с
150 поз/с
150 поз/с
150 поз/с
150 поз/с
100 лин/мм
39лин/мм
39 лин/мм
39 лин/мм
305 х 305
610 х 914
914 х 1219
1118 х 1524
0,254
0,254
0,254
0,254
200 коорд/c
200 коорд/c
200 коорд/c
200 коорд/c
0,02
0,02
1300 х 870
305 х 305
0,005
100 точек/c
100 точек/c
650 х 900
1000 х 1500
1115 х 1520
Все устройства, приведённые в таблице, подключаются к компьютеру через интерфейс RS-232C.
65
4. Сканеры
Для тех, кто занимается переводом бумажных архивов в электронную форму сканер является самым важным внешним устройством компьютера. В настоящее время в конструкции сканеров используются две
конкурирующие технологии, которые и определяют назначение и стоимость сканера.
ССD-технология (Сharge-Couple Device, Прибор с Зарядовой Связью – ПЗС) является наиболее старой, но, в то же время, лучшей для сканирования художественных фотографий технологией. В сканерах этого
типа лист бумаги, положенный на стеклянную рабочую поверхность сканера, освещается мощной лампой, а отражённый световой поток при помощи нескольких зеркал направляется в объектив, который фокусирует
«картинку» на фотоприёмнике – линейке светочувствительных элементов,
в качестве которых используется ПЗС-матрица (CCD-матрица). После
считывания строки оптическая головка сканера (или оригинал) передвигается на один шаг, и производится считывание следующей строки.
CIS-технология (Contact Image Sensor) по основным принципам
почти аналогична традиционной CCD-технологии и является её упрощенным вариантом. В CIS-сканерах отсутствуют система зеркал и объектив.
Светочувствительная линейка равна по ширине листу документа (ширине
области сканирования), а каждая точка сканируемой строки фокусируется
на фотодиоде цилиндрической микролинзой. Документ освещается «линейкой» светодиодов, а в цветном сканере – светодиодами трёх основных
цветов (R, G, B). Так как в CIS-сканере отсутствуют зеркала, объектив и
лампа, то конструкция такого сканера получается очень компактной.
Структура Прибора с Зарядовой Связью (ПЗС) приведена на рис. 4.1.
Регистр фоточувствительных элементов представляет собой ряд
микроячеек выстроенных в линию, в которых накапливается электрический заряд, величина которого пропорциональна количеству света, пада-
66
ющего на элемент. Количество фоточувствительных элементов в регистре
колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч, что определяет оптическое разрешение ПЗС и, следовательно, качество получаемого в памяти компьютере изображения.
Следует заметить, что хотя способ сканирования и количество ПЗСэлементов определяют основные технические характеристики сканера, но
очень многое зависит от алгоритмов обработки сигналов, полученных от
ПЗС-элементов.
Регистры сдвига 1 и 2 осуществляют потактовый сдвиг накопленных в регистре фоточувствительных элементов зарядов в выходное
устройство. Регистр 1 принимает заряды от нечётных ячеек, а регистр 2 –
от чётных.
Выходные устройства регистров осуществляют преобразование зарядов в напряжение постоянного тока.
Выходное устройство ПЗС объединяет данные, поступающие из
выходных устройств сдвигающих регистров и передаёт выходные данные
на аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Линейные ПЗС обеспечивают 2 режима работы.
Режим 1 – восприятие строки изображения и преобразование её в
строчную картину зарядовых пакетов.
Режим 2 – передача зарядовых пакетов на выход устройства, преобразующих их в изменение напряжения (или тока).
Для всех конструкций сканеров можно составить общую процедуру
сканирования:
1. Разогрев осветительной лампы, (если не используются светодиод);
2. Калибровка, в процессе которой выполняется автоподстройка преобразовательных каскадов;
3. Перемещение и позиционирование каретки;
4. Опрос элементов светочувствительной линейки и аналогоцифровое преобразование;
5. Накопление полученных данных в буфере сканера;
6. Передача данных в компьютер.
Существуют 4 основные разновидности сканеров:
Ручные сканеры, предназначенные для считывания различных этикеток (товарные склады), наклеек на упаковках (штрих-коды), номеров
различных документов (таможня) и т.п. Эти сканеры конструктивно
оформляются как ручные приборы, которые позволяют сканировать методом скольжения сканирующей головки по объекту сканирования. Эти
устройства имеют невысокую разрешающую способность. Ширина сканируемых документов не превышает 4-х дюймов (около 10 см), а длина
ограничивается объёмом памяти для помещения графического файла.
Настольные планшетные сканеры, которые, в свою очередь, делятся на 3 типа:
1. Сканеры с подвижной головкой и неподвижным оригиналом
FLATBED (см. рис.4.2,а);
2. Сканеры с неподвижной головкой и подвижным оригиналом –
SHEEDFED (см. рис. 4.2,б);
3. Сканеры проекционного типа с зеркалом – OVER HEAD (см. рис.
4.2, в).4.
67
Структуры планшетных сканеров первых двух типов весьма сходны
и отличаются только тем, что перемещается в процессе сканирования документа – сканирующая головка при неподвижном оригинале или
наоборот. Следует, однако, отметить, что сканеры с неподвижной сканирующей головкой работают более точно. В зависимости от конструктивного исполнения сканеры этих двух типов позволяют сканировать страницы книг, журналов и отдельных листов.
Сканеры проекционного типа по сравнению с двумя первыми разновидностями планшетных сканеров являются наиболее точными устройствами, так как и документ, и сканирующая головка неподвижны друг относительно друга. Построчное сканирование в устройствах этого типа
осуществляется за счёт поворота проекционного зеркала, которое обеспечивает отображение строки документа, расположенной между осветительными лампами, на ПЗС-элемент.
Слайдовые сканеры предназначены для сканирования слайдов с 35
и 60 миллиметровых плёнок, микрофильмов и микрофишей, рентгеновских плёнок и т.п. Такие сканеры имеют самое высокое оптическое разрешение (6000 dpi – 236 точек/мм и выше).
Барабанные сканеры являются профессиональными устройствами,
в которых светочувствительным элементом является фотоэлектронный
умножитель (ФЭУ). Благодаря ФЭУ и неподвижной сканирующей головке
обеспечивается точнейшая фокусировка, а поскольку сканируется каждая
точка по отдельности – исключаются шумы от взаимовлияния элементов
друг на друга как в случае CCD-технологии.
Структура барабанного сканера приведена на рис.4.2, г.
Сканируемый оригинал (4) крепится на специальном барабане (2). Чтобы
оригинал не повредился от чрезвычайно яркого света он (свет) поступает
по волоконно-оптическому кабелю (3) от галогенной лампы (1). Объектив
(5) и система зеркал (6) передаёт изображение на светофильтры (7) и светоприёмники–ФЭУ. Барабан вращается с высокой скоростью, постепенно
перемещаясь вдоль оси вращения барабана, и за каждый оборот барабана
снимается всего несколько точек изображения. Стоимость таких сканеров
чрезвычайно высока.
Ключевыми параметрами сканера, определяющими качество сканирования и, естественно, сферу использования, являются следующие основные параметры.
Разрешение сканера – это совокупность параметров, характеризующих минимальный размер деталей изображения, который сканер в состоянии считать. Разрешение делятся на оптическое, механическое и интерполяционное.
Оптическое разрешение характеризует минимальный размер точки
по горизонтали, которую сканер в состоянии распознать. В сканерах, использующих для считывания ПЗС-технологию, эта характеристика определяется отношением количества элементов в линии ПЗС-матрицы
(количества разрядов в регистре фоточувствительных элементов, см.
рис. 4.1) к ширине рабочей области. Для других типов сканеров (таких
как барабанный) она определяется возможностями фокусировки света на
фотопринимающем элементе.
Механическое разрешение – количество шагов, которое делает подвижная сканирующая головка, (количество шагов, которое совершает по-
68
движный документ, либо количество элементарных углов поворота зеркала в проекционном сканере). Поскольку на каждом шаге происходит считывание информации ПЗС-элементами, этот параметр определяет минимальный размер точки по вертикали, которую сканер способен распознать.
Например, если для сканера указано разрешение 300х1200 ppi (pixel per
inch – пиксель/дюйм), то оптическим разрешением будет 300 ppi, а механическим – 1200 ppi. Обычно механическое разрешение в два раза больше
оптического, но встречаются модели, в которых оно в 4 раза больше оптического.
Ввиду того, что ПЗС-элемент не может сканировать по горизонтали с
разрешением больше оптического, для добавления недостающих точек используются математические методы интерполяции (иначе вертикальный
размер любого отсканированного квадрата получился бы больше горизонтального).
Примечание: Оптическое разрешение всегда наименьшее из всех
указанных для конкретной модели сканера, поэтому производители сканеров часто не указывают его.
Интерполяционное разрешение – искусственно увеличенное с помощью математических методов разрешение. Программа, входящая в
комплект поставки сканера, пытается довести изображение до этого разрешения путём добавления недостающих точек (например, при реальном
разрешении 3 х 3 программа выдаёт 9 х 9). Этот параметр не имеет ничего
общего с реальными физическими параметрами сканера и может характеризовать только программу обработки изображений.
Разрядность (глубина цвета) – параметр, характеризующий количество цветов или оттенков серого (в зависимости от цветности сканера).
Разрядность означает, сколько бит используется сканером для представления цвета одной точки изображения. Различают разрядность внешнюю и
внутреннюю. Внутренняя разрядность – это количество бит, представляющих точку для внутренних операций в сканере (то есть до прохождения
сигналом АЦП и преобразования в цифровой код). Внешняя разрядность
определяет количество битов на цвет после прохождения через АЦП.
Внешняя разрядность сканеров обычно 8 бит (256 оттенков серого) для
полутоновых сканеров и 24 бита (по 8 бит на каждую цветовую составляющую, итого 16,77 млн цветовых оттенков) – для цветных сканеров.
Внутренняя разрядность обычно больше внешней. Дополнительные биты
во внутренней разрядности (если они есть) используются для улучшения
точности цветопередачи и снижения влияния искажений на цвет.
Динамический диапазон – ещё одна цветовая характеристика. «Качество» отражения света любым оригиналом выражает оптическая плотность, которая вычисляется как десятичный логарифм отношения светового потока, падающего на оригинал, к световому потоку, отражённому от
оригинала (для непрозрачных оригиналов) или прошедшему
69
70
сквозь него (для негативов или слайдов). Оптическая плотность измеряется в ОD (Optical Density) или просто D и может изменяться в диапазоне от
0,0D для абсолютно белого (прозрачного) цвета до 4,0D для идеально чёрного (непрозрачного) цвета. Поскольку речь идёт о логарифме, то плотности 2,0D и 3,0D будут различаться не на 25%, а в 10 раз. Оптические плотности для некоторых видов оригиналов приведены в таблице:
Оригинал
Газетная бумага
Мелованная бумага
Фотоснимки
Негативные плёнки
Цветные слайды коммерческого
качества
Высококачественные диапозитивы,
плёночные и двойные слайды
Диапазон оптических
плотностей
0,9
1,5 – 1,9
2,3
2,8
2,7 – 3,0
3,0 – 4,0
Диапазон оптических плотностей сканера говорит о том, какие из
цветов оригинала ещё будут распознаны, а какие – уже нет, то есть будут
восприняты либо как полностью белые, либо как абсолютно чёрные. Диапазон оптических плотностей включает в себя две характеристики: Dmin и
Dmax.. Первая, (Dmin) – такая оптическая плотность оригинала, ниже которой сканер будет считать оригинал идеально белым. Соответственно, Dmax
- такая оптическая плотность оригинала, выше которой сканер будет воспринимать оригинал абсолютно чёрным. Сам диапазон представляет собой
разность Dmax – Dmin.
В таблице указаны типичные динамические диапазоны для наиболее
распространённых типов сканеров.
Вид, класс сканера
Типичный динамический
диапазон
Ручные сканеры
до 2,1
Полутоновые сканеры
до 2,3
Цветные планшетные сканеры, ста1.8 – 2,5
рые модели и модели класса SOHO
Цветные планшетные сканеры про2,5 – 3,2
межуточного класса
Цветные планшетные сканеры вы3,4 – 3,8
сокого класса
Настольные барабанные сканеры
3,4 – 4,0
Барабанные
сканеры
высокого
3,6 – 4,0
класса
Рабочая область сканера – максимальный формат документа, который сканер в состоянии обработать. Формат сканера зависит от его конструкции и области применения. Так формат документа для листопротяжных и ручных сканеров ограничен только по ширине. Обычные домашние
и офисные сканеры чаще всего соответствуют формату А4. Профессиональные модели могут иметь фиксированные размеры, приспособленные
71
для конкретных оригиналов (например, слайд-сканер 35-мм плёнки), или
просто иметь большой формат – до А0.
Скорость сканирования – параметр, отражающий время, в течение
которого будет отсканирован тот или иной документ. На самом деле эта
характеристика не может иметь какого-либо значения, так как зависит от
быстродействия компьютера, объёма его оперативной памяти, от аппаратного интерфейса и т.д. Поэтому быстродействие сканера можно оценить
только для конкретного рабочего места. Иногда этот параметр указывается
в характеристиках сканера в миллисекундах на линию.
Аппаратный интерфейс сканера (интерфейс передачи данных)
обеспечивает обмен информацией между сканером и компьютером. От
него зависит скорость передачи данных между компьютером и сканером.
Сейчас на рынке представлены сканеры с пятью типами интерфейсов:
Интерфейс LPT -стандартный параллельный порт Сentronics;
Собственный интерфейс. Его ещё называют ISA;
SCSI – один из наиболее скоростных вариантов интерфейса передачи
данных;
Интерфейс USB – преемник LPT-порта;
Интерфейс PCMCIA (PС-card) – интерфейс для работы с портативными компьютерами.
Структуры чёрно-белых и цветных сканеров предельно просты.
На рисунке 4.3 приведены структурные схемы планшетных сканеров, которые составляют основную часть сканеров современного рынка.
В основу построения большинства современных сканеров положено
использование ПЗС-элемента, принцип действия которого был рассмотрен
выше. Структура чёрно-белого (монохромного) сканера приведена на
рис.4.3, а. Источником белого света является галогенная лампа, спектр которой весьма близок к спектру солнечного света. Освещённый оригинал
(подвижный или неподвижный) сканируется построчно с определённым
шагом, и освещённая строка документа воспринимается ПЗС-элементом, а
затем после преобразования напряжений, полученных с элементарных зарядовых элементов в коды на аналого-цифровом преобразователе (АЦП),
данные передаются в память ЭВМ. Таким образом, сканируемый документ
отображается в памяти ЭВМ в виде графического или текстового файла.
Размер этого файла определяется разрядностью ПЗС-элемента, разрядностью АЦП и шагом сканирования при предельном для данного сканера
размере оригинала.
Существует несколько технологий получения цветного изображения
на сканерах:
1) Технология с использованием RGB-фильтров;
2) Технология фирм Epson и Sharp;
3) Технология фирмы Seiko Instruments;
4) Технология фирмы Hewlett-Packard с использованием Dichroicфильтров.
Указанные технологии используются в сканерах различного класса.
Ниже кратко рассматривается сущность данных технологий.
72
73
Суть технологии с использованием RGB-фильтров заключается в
том, что сканируемый оригинал последовательно освещается белым светом сначала через красный (R), затем через зелёный (G) и, наконец, синий
(B) фильтры за три прохода сканирующей головки, в результате чего образовывались 3 файла – файлы с красной, зелёной и синей составляющими.
При этом, если АЦП имеет 8 двоичных разрядов, то в каждом цветовом
«слое» передаются 256 оттенков цвета, что соответствует для одной точки
«суммарного файла» 16,7 миллиона цветовых оттенков. Недостатки этой
технологии очевидны:
1. Сканирование осуществляется за три прохода головки;
2. Необходимость последующего программного выравнивания изображения , так как возможно размывание оттенков.
Структура сканера, использующего RGB-фильтры, получившие в литературе название вращающихся, так как конструктивно фильтры размещались на вращающемся механизме, приведена на рис.4.3, б. Структура
сканера этого типа аналогична структуре монохромного сканера, рассмотренной выше.
Технология фирм Epson и Sharp использует три источника света
для каждого из основных составляющих белого цвета. Это позволяет сканировать изображение за один проход и исключить процедуру выравнивания пикселей.
Сложность этого метода заключается в необходимости подбора источников света с одинаковыми и стабильными во времени характеристиками.
Фирма Seiko Instruments в соответствии с разработанной фирмой
технологией заменила в сканере Spektra Point ПЗС-элементы фототранзисторами.
На ширине 8,5 дюймов (около 216 мм) размещено 10200 фототранзисторов, расположенных в три колонки по 3400 транзисторов в каждой
(3400 /216 = 15,7 транзистора на миллиметр). Три цветных RGB-фильтра
расположены так, что каждая колонка фототранзисторов воспринимает
только один основной цвет. Высокая плотность размещения транзисторов
позволяет достичь высокой разрешающей способности (400 dpi или 16 точек на миллиметр) без использования редуцирующей линзы
Технология фирмы Hewlett Packard с использованием Dichroicфильтров заключается в следующем:
1. Источник белого цвета освещает сканируемое изображение, а отражённый свет через редуцирующую линзу поступает на трёхполосный
ПЗС-элемент через систему специальных Dichroic-фильтров (ДФ) D1 и
D2, приведённых на рис.4.3, в.
2. ДФ-фильтр работает на основе физического явления дихроизма,
которое заключается в том, что кристаллы фильтра под действием белого
света окрашиваются в разные цвета в зависимости от положения оптической оси кристаллов. От этого изменяется отражательная способность слоя
фильтра.
3. В рассматриваемом случае фильтрация отражённого света осуществляется парой ДФ-фильтров, каждый из которых представляет собой
своеобразный бутерброд, составленный из двух тонких и одного более
толстого слоя кристаллов.
74
4. Первый слой фильтра D1 отражает синюю составляющую белого
света, но пропускает красную и зелёную составляющие.
Второй слой фильтра D1 отражает зелёную, но пропускает красную
составляющие, которая отражается от третьего слоя фильтра
5. Во втором фильтре порядок «отражения» и «пропуска» сохраняется, и сформированные лучи красного зелёного и синего цветов попадают
на три ПЗС-элемента.
Структура сканера на базе Dichroic-фильтра приведена на рис 4.4
По схеме, приведённой на рис 4.4, фирмой Ricoh разработан сканер с
использованием ПЗС, размер элемента в котором составляет величину
около 8 микрон.
В памяти компьютеров изображения, полученные на сканерах хранятся в графических файлах в формате TIFF (Tagged Image File Format –
файловый формат тегового (признакового) изображения). Версия 5.0 TIFF
позволяет строить TIFF-файлы 5 классов:
1. Класс В – для чёрно-белых изображений (штриховых);
2. Класс G – для полутоновых изображений (чёрно-белых);
3. Класс Р – для цветных изображений с загружаемой палитрой;
4. Класс R – для цветных изображений в палитре RGB;
5. Класс Х – для любых изображений.
Современные сканеры почти все цветные, имеют оптическое разрешение до 1200 х 2400 dpi (47 х 98 точек на мм) и внутреннюю разрядность
24-42 бита на точку.
75
5. ПЛОТТЕРЫ
5.1 Разновидности плоттеров
Со времени появления первого плоттера фирмы CalComp (1959 год,
модель 565) прошло почти полвека. За это время появились несколько
технологий вывода графической информации и сменились несколько поколений устройств.
Современные плоттеры (графопостроители) делятся на два класса:
Плоттеры векторного (контурного) типа или перьевые, в которых
пишущий (рисующий) узел (перо) при выводе графических элементов, перемещаясь по одной или двум координатам, отрабатывает контур выводимого изображения
Плоттеры растрового типа, в которых используется принцип создания изображения с помощью точек, расположенных на линиях растра
(так же как в растровых дисплеях). Другими словами, изображение в растровых дисплеях образуется методом разложения изображения в растр.
В свою очередь плоттеры векторного типа делятся на три разновидности: планшетные, рулонные (барабанные) и роликовые.
Перьевые плоттеры обладают высокими техническими характеристиками:
Точность работы (отклонение от заданной точки чертежа) при вычерчивании линии (вектора) длиной в 1 метр составляет от 0,005 до 0,1 мм
(0,005; 0,01; 0,025; 0,05; 0,1).
Скорость работы колеблется (для разных типов плоттеров) от 50 до
2300 мм/с.
Размер рабочего поля – от формата А4 до 1,5 х 1,2 метра
В качестве регистрирующего (пишущего) элемента используются
стальные перья, рапидографы, шариковые и гелевые стержни, фломастеры, грифели, специальные карандаши. Перьевые плоттеры обладают высоким качеством получаемого однотонного или цветного изображения
(чертежа).
К сожалению скорость их работы сравнительно невысока и уступает
лучшим растровым устройствам.
Остальные характеристики растровых устройств будут приведены
ниже.
5.2. Кинематические схемы перьевых плоттеров
Кинематическая схема планшетного плоттера приведена на рис.5.1.
Рабочее поле планшетного плоттера представляет собой плоскую панель, над которой по вертикальной и горизонтальной направляющих перемещается каретка. На каретке размещаются от одного до нескольких перьев, одно из которых приводится в действие с помощью специальных команд. В процессе работы также по команде перо может быть заменено, что
обеспечивает в многоперьевом плоттере изменение толщины линии или
изменение её цвета.
Направляющие приводятся в движение с помощью винтовых или
тросиковых передач. В свою очередь винтовые или тросиковые передачи
приводятся в движение с помощью электрических двигателей постоянного
тока или шаговых двигателей (ДВx и ДВy). Двигатели приводятся в действие с помощью блоков управления двигателями – следящих систем
76
77
ССx и СCy.. Данные для следящих систем (координаты точек чертежа и
команды управления) поступают от блока управления графопостроителем
(БУ ГП), в основе которого используется микропроцессор или микроЭВМ.
Кинематическая схема рулонного (барабанного) плоттера приведена на рис. 5.2.
Рабочим полем рулонного плоттера является поверхность транспортного барабана, на котором крепится носитель (бумага, плёнка). Реверсивное вращение барабана обеспечивает шаговый двигатель ШДx, отрабатывая тем самым информацию по оси Х. Шаговый двигатель ШДy перемещает каретку с пером вдоль по образующей транспортного барабана,
отрабатывая координаты Y выводимого изображения. Управление шаговыми двигателями осуществляется блоками управления шаговыми двигателями БУШДx и БУШДy, получая командную информацию и данные от
блока управления графопостроителем БУ ГП (μЭВМ): код операции
(КОП), перемещения пера ΔX и ΔY.
Следует заметить, что все планшетные и рулонные плоттеры являются устройст-вами пошагового типа, то есть выполняют вычерчивание
любого графи- ческого элемента (примитива) «по шагам». Поэтому в составе плоттера должны быть предусмотрены интерполирующие устройства, которые по опорным точкам чертежа вычисляют промежуточные
точки.
Кинематическая схема роликового плоттера приведена на рис.
5.3. Схема содержит следующие основные узлы:
1. Пишущее устройство (перо, рапидограф и т.п.);
2. Прижимной обрезиненный ролик;
3. Носитель (бумага, плёнка);
4. Подающий (транспортный) ролик;
5. Вакуумная камера;
6. Вакуумные отверстия-присоски;
7. Корпус плоттера.
Принцип работы такого плоттера мало отличается от плоттеров, рассмотренных выше. Но особенности работы заключаются в том, что бумага
плотно прижимается к корпусу плоттера (за счёт вакуума в камере 5 и отверстий-присосок) в зоне размещения пера и реверсивно перемещается
при выводе изображения. Скорость вывода изображений в плоттерах такого типа существенно выше за счёт отсутствия в структуре плоттера узлов с
большим моментом инерции, но точность работы уступает плоттерам
планшетного и барабанного типов.
5.3 Формирование графического изображения и организация
управления пером в плоттере
Для вывода любого графического изображения на носитель необходимо иметь определённые исходные данные и выполнять некоторые обязательные правила. К ним относятся:
1. Опорные или базовые точки графических элементов;
2. Правила соединения базовых точек;
3. Возможные траектории движения пера.
Опорные или базовые точки задаются их координатами. При этом
используются два метода задания опорных точек – абсолютными значениями координат (Xi , Yi) или приращениями координат (ΔXi, ΔYi), т.е.
78
79
инкрементальным способом. Современные плоттеры работают как с использованием абсолютного, так и инкрементального способов.
Соединение опорных точек осуществляется либо кусочно-линейным,
либо параболическим способами. На практике чаще всего используется
первый способ.
Перьевые плоттеры – устройства, работающие в пошаговом режиме.
Это значит, что перо плоттера при отработке каждого элемента чертежа
движется по наперёд заданным траекториям, которые определяются элементарным перемещением пера – шагом пера. На рис.5.4, а приведена диаграмма элементарных шагов пера. Каждое перемещение пера задаётся величинами Δx и Δy. При этом одна из величин может быть равна нулю.
Диаграмма, приведённая на рис.5.4,а, соответствует работе плоттера с
полным шагом. В плоттерах реализуется и полушаговый режим (см. рис.
5.4, б).
Движением пера в плоттерах управляют двигатели постоянного тока
или шаговые двигатели, которые, в свою очередь получают управляющие
сигналы от следящих систем. Следящие системы плоттеров могут быть
двух типов – цифро-аналоговые и цифровые.
Структурная схема цифро-аналоговой следящей системы приведена
на рис. 5.5. Схема представляет собой типичную следящую систему, состоящую из цифро-аналогового преобразователя (ЦАПx, ЦАПy), операционного усилителя (ОУ), усилителя мощности (УМ), двигателя постоянного
тока (D) и редуктора (РД).
Величина шага Δx (или Δy по координате Y) в виде двоичного кода
подаётся на регистр RGx и, далее, на цифро-аналоговый преобразователь
ЦАПx. Напряжение Ux c выхода преобразователя поступает на первый
вход аналогового сумматора на базе операционного усилителя ОУ, на выходе которого образуется напряжение Uвых, численно равное:
Uвых = −(UxR0/R1 + UосR/R2)
(*)
Так как напряжения Ux и Uос, поступающее на второй вход сумматора с потенциометра обратной связи ПОС, всегда разной полярности, то
выходное напряжение сумматора представляет собой напряжение рассогласования (*) между напряжениями Ux и Uос. Это напряжение поступает
на усилитель мощности УМ и с него на обмотки двигателя D. Двигатель
через редуктор РД перемещает перо и движок потенциометра ПОС. При
этом перо отрабатывает величину шага ∆x, а потенциометр ПОС подаёт
компенсирующее напряжение Uос на второй вход сумматора. При равенстве напряжений Ux и Uос выходное напряжение сумматора (*) становится равным нулю, и перо останавливается или отрабатывает следующий
шаг ∆x. Аналогично работает следящая система СCy, отрабатывающая перемещение пера по оси ординат.
Цифровая следящая система (ЦСС), структурная схема которой приведена на рис.5.6, построена с использованием шаговых двигателей
(ШДв). В отличие от предыдущей схемы эта следящая система не имеет
цепи отрицательной обратной связи и представляет собой блок управления
шаговыми двигателями (БУШДв). Этот блок при подаче на регистр (РГ)
кода ∆x (∆y по координате Y) образует три импульсные последовательно-
80
сти для управления трёхфазным шаговым двигателем (ШДв), которые через усилители мощности (УМ1 – УМ3) поступают на обмотки ШДв.
Позиционный двоичный код ∆x (∆y) в блоке БУШДв преобразуется в
число-импульсный (унитарный) код. Количество импульсов в унитарном
должно коде равно количеству элементарных шагов, которые должен совершить шаговый двигатель.
81
5.4 Вывод символов на плоттерах
При выводе символов на плоттерах используются те же принципы,
что и при выводе графики. Однако, для того, чтобы избежать необходимости составлять программу для вывода символа каждый раз, когда требуется вывести символ на чертёж, используется метод разработки микропрограмм для «отрисовки» каждого символа, входящего в состав алфавита
плоттера и запись этих микропрограмм в ПЗУ. Большинство плоттеров
содержит несколько разновидностей алфавитов. Предварительно каждый
символ, входящий в алфавит плоттера, представляется на так называемой
кодирующей сетке, с использованием которой составляется микропрограмма. На рис.5.7 приведены кодирующие сетки, на которых размещены
контуры трёх символов различного размера – Е, Т, 1 и V (графопостроители машин серии ЕС ЭВМ и СМ 6415). Шаг сетки – 1 бит, (в графопостроителях ЕС ЭВМ), что позволяет каждую опорную точку символа кодировать одним байтом. Рассмотрим, как выглядит микропрограмма для вывода буквы «Е» при указанном стрелками направлении обхода пером контура символа (см. рис.5.7, а). Микропрог-рамма представлена таблицей.
БИТЫ:
76543210
11111011
11000101
01000000
x
y
11110011
00000000
x
y
00000110
x
y
01000110
x
y
11110010
00110011
11110011
00000011
11110011
00000011
КОММЕНТАРИЙ
(команды и данные)
Разделитель (интервал между символами)
Код (ASCII) символа (буква Е)
Код точки 1 на кодирующей сетке
Приказ – перо опустить
Код точки 2 на кодирующей сетке
Код точки 3 на кодирующей сетке
Код точки 4 на кодирующей сетке
Приказ – перо поднять
Код точки 5 на кодирующей сетке
Приказ – перо опустить
Код точки 6 на кодирующей сетке
Приказ – перо поднять
Код точки 7 на кодирующей
В плоттере СМ-6415 символ представляется на так называемом микрорастре (см. рис 5.7, б). В этом случае на каждый символ отводится только один микрорастр, а все варианты этого символа (размер по вертикали и горизонтали, угол наклона и т.п.) реализуются с помощью специальных команд (см. ниже при описании языка HPGL). На рис. 5.7, а в микрорастре сплошными линиями помечены движения пера в опущенном положении, а пунктирными – в поднятом состоянии. Цифры, заключённые в
скобки,– координаты точек в шагах микрорастра, цифры 1 и 2 – точки
начала и конца вычерчивания символа.
82
5.5 Программное обеспечение плоттеров
Организация работы перьевых плоттеров основана на развитом программном обеспечении (ПО), включающем в себя три уровня программ.
а) Первый уровень – базисные программы. В этот уровень включены
программы, обеспечивающие выполнение таких видов графических работ,
как:
1) Вычерчивание линий различного типа;
2) Вычерчивание алфавитно-цифровых символов;
3) Проведение масштабирования.
б) Второй уровень содержит набор функциональных программ, реализующих отдельные, часто используемые изображения:
1) Дуги, окружности, эллипсы;
2) Замкнутые контуры;
3) Угловые штампы и т.п.
в) Третий уровень содержит прикладные программы, решающие
конкретные задачи в различных областях применения графической системы. Программы третьего уровня записаны на проблемно ориентированных
языках, что даёт возможность пользователю рассматривать плоттер как
стандартное устройство ввода-вывода информации.
Программы первого и второго уровней строятся на базе системы команд, которые разрабатываются под каждую серию плоттеров.
Большинство плоттеров имеют разветвлённую систему команд, которые делятся на следующие группы команд (на примере ГП СМ 6415):
1) Команды вычерчивания векторов;
2) Команды вычерчивания дуг и окружностей;
3) Команды вычерчивания текста;
4) Команды управления пером;
5) Команды изменения масштабов;
6) Команды управления плоттером.
Все команды и исходные данные образуют так называемый дисплейный или графический файл – совокупность управляющих команд
(приказов) и данных, описывающих величины перемещений и координат
узловых (опорных) точек выводимого изображения.
Каждое семейство плоттеров имеет свои строгие правила формирования графического файла, поэтому в состав ПО для каждого плоттера
включают драйвер – программу, которая переводит графический файл на
язык приказов данного плоттера.
К настоящему времени разработаны ряд языков высокого уровня, на
которых пишутся программы для плоттера.
83
Язык программирования плоттеров
HPGL
1. Формат команды языка
Команда (оператор) языка HPGL имеет следующий вид:
«XX»[+] параметр * . . . *параметр !
Элементы этой команды интерпретируются следующим
образом:
«ХХ» – мнемоническое изображение команды, состоящее
из двух прописных (или строчных) букв латинского алфавита
(без пробела между буквами);
«+» - символ заполнения (необязательный ). После
мнемонического изображения команды может находиться
любое количество символов заполнения.
Допустимыми символами заполнения являются:
«_» - пробел (SP или 20h) – шеснадцатеричное
изображение пробела;
«,» – запятая (2Ch);
возврат каретки (CP или 0Ch);
перевод строки (LF или 0Аh);
«*» - разделитель; параметры разделяются любым
количеством разделителей, но хотя бы одним; допустимыми
разделителями являются: пробел, запятая, возврат каретки,
перевод строки;
«!» – терминатор; каждая команда заканчивается
терминатором; допустимыми терминаторами являются:
«;» – точка запятой (3Bh), новая строка (NL или IEh).
В качестве параметров команды допускаются целые и
вещественные (десятичные) числа. Максимальное количество
значащих цифр перед десятичной точкой не более 5, все
остальные позиции не учитываются. До-пустимый диапазон
изменения чисел от -3700 до +3700 при шаге 0,1 мм, от - 14800
до +14800 при шаге 0,25 мм.
Примечания.
1. После включения графопостроителя или сброса длины
шага авто- матически устанавливается равной 0,1 мм.
2. Все числовые значения параметров для указания длины
задаются в виде количества шагов.
Ниже приведена таблица, в которой указаны основные
команды (операторы ) языка.
84
Таблица. Операторы языка HPGL
Мнемоника
команды
Параметры
PA
X1,Y1,…,Xn,Yn;
(Plot Absolut)
PR
(Plot Relativ)
X1,Y1,…,Xn,Yn;
PD;
(Pen Down)
Комментарий и толкование
команды
1. Команды вывода векторов
Команда вывода пера в точки с координа-тами
Xi Yi, заданными абсолютными значениями.
Координаты задаются попарно (количество
координат должно быть чётным). При нечётном количестве параметров (координат) последний параметр игнорируется.
Та же команда, но параметры задаются относительно текущей координаты, поэтому они
могут быть положительными и отрицательными
Команда опускания пера действует до подачи
альтернативной команды
Команда поднятия пера отменяется командой
PD.
Клавиши PEN↓ и PEN↑ имеют более высокий
приоритет, чем PD и PU
PU;
(Pen Up)
2.Команды выбора типа линии
LT
(Line Type)
n, l;
Команда выбора типа линии:
n – номер типа линии;
l – длина линии в шагах для самой длинной
линии в заданном типе линии;
n=1 – сплошная линия (──────)
n=2 – пунктирная, длина штриха/промежутка
равна 1: 1 (─ ─ ─)
n=3 – пунктирная, длина штриха - 2, промежуток - 1 (2:1) (─ ─ ─)
n=4 – пунктирно-пунктирная линия 2:1:1
(─ - ─ - ─)
n=5 – штрих-пунктирная линия 2:1
(─ · ─ · ─)
n=6 – штрих-пунктир-пунктирная линия
2:1:1
(─ · · ─)
Команда нанесения осей координат (совместно
с командой TL tp,tn, см. рис.5.8)
tp, tn;
Команда построения осей координат (совместно с предыдущей командой, см. рис.5.8)
XT;
YT;
TL
3.Команды вывода текста
Ca,b;
P
Команда вызывает перемещения пера на а
пробелов и b строк из предыдущего положения. Параметры (a, b) могут быть как положительными, так и отрицательными
85
DR
DI
SR
c, d;
c, d;
SI
w, h;
w, h;
DT
Terminator;
CR
n;
Lсимвол;
B
S n;
L
Обе команды определяют направление вывода текста. Направление определяется из
условий:
≤1- горизонтальный шрифт;
tgα = d/c = >1- вертикальный шрифт;
<0- зеркальный шрифт;
где: c –абсцисса, d – ордината.
Обе команды определяют размер текстового
символа и имеют одинаковое действие: w –
ширина символа как кратное базовой ширины,
h – высота символа, как кратное базовой высоты.
Размеры растра базового символа: 5 (ширина) х 8 (высота) шагов. Между символами 2
шага
Символ, следующий за DT (в коде КОИ-8),
определяет конец текста. Терминатором не
должен быть: «пробел», «;», «,». Рекомендуется использовать «!».
Команда определения типа набора симво- лов:
n = 1 – ASCII, КОИ-8,
n = 2 - пользовательский набор
Команда задания символа, представленного в
ASCII. Допускаются все символы, кроме
<EXT>, CP, LF. NL трактуется как новая
строка
Команда задания угла наклона символа:
n = 0, +1, +2, +3, + 4, +5 и т. д.
Угол накл.= ±0, ±9,±16, ±26, ±34,±40 и т.д
4.Команды вычерчивания дуг и окружностей
Cr;
I
Ax,y,ά;
Ax,y ά;
AA
Команда вычерчивания окружности радиуса r.
Текущее значение параметра (xm, ym) определяет центр окружности. Вычерчивание
начинается с точки (xm,ym +r) по часовой
стрелке
Команды вычерчивания дуг. Дуга строится от
точки, в которой находится перо перед исполнением команд. При φ>0 дуга строится против
часовой стрелки, x и y – координаты центра
окружности (дуги)
φ=4r х 2ά/360
r – в шагах, φ – в градусах ,α –угол дуги
5. Управляющие команды графопостроителя
IN;
DF;
Команда инициализации графопостроителя.
Нулевая юстировка, стирание буферной памяти, запись стандартных значений
Команда записи стандартных значений в память программы
86
I X1,Y1,X2,Y2;
W
Vn;
S
SW;
RO
SS;
NR;
OI;
α;
Команда определения новых координат- ных
окон. Координаты (X1,Y1) и (X2,Y2) описывают нижний левый и верхний правый углы
окна. Перо передвигается в точку (X1,Y1);
окно располагается параллельно осям рабочего
поля ГП
Команда выбора скорости перемещения пера:
n=1 – минимальная скорость 12 см/cек;
n=2 – максимальная скорость 24 см/сек.
Команда задания виртуальной длины шага
равного 0,25 мм; физическая длина шага 0,1
мм сохраняется. (После команды SW все значения параметров длины делятся на 4). Действие команды SW снимается командами DF,
IN или при нажатии клавиши сброса
Команда вызывает вращение системы координат X,Y на угол α. Преобразован-ные координаты вычисляются:
X´=x Cos ά – y Sin ά
Y´= x Sin α – y Cos α
Команда задаёт постоянную скорость вы- вода
графических элементов по осям X,Y, равную
6 см/сек
Команда окончания построения чертежа. После этой команды ГП переходит в ре- жим «не
готов», перо поднимается
С помощью этой команды ГП передаёт ЭВМ
комплекса своё имя и номер версии Программного Обеспечения (например, СМ 6415
8.310
87
5.6. Растровые плоттеры
Растровые плоттеры появились как альтернатива перьевым плоттерам, скорость работы (вывода) которых перестала удовлетворять пользователей в некоторых сферах использования плоттеров даже при сохранении ими высокого качества выводимого изображения. Первые растровые плоттеры не могли конкурировать по качеству выводимого изображения с растровыми. Однако развитие и совершенствование технологий вывода изображений в растровых плоттерах практически уравняло плоттеры
обоих типов в их использовании в настоящее время. Однако, стоимость
некоторых типов растровых плоттеров существенно выше их перьевых
конкурентов.
88
Растровые плоттеры используют несколько различных технологий
вывода изображений. Основными технологиями, давшими названия этим
типам плоттеров, являются:
1) Электростатическая технология;
2) Лазерная технология;
3) Струйная технология;
4) Термическая технология.
Указанные технологии широко используются и в принтерах, поэтому
ряд типов принтеров могут выводить наряду с текстом и графику.
Как уже было отмечено, скорость вывода изображения в растровых
плоттерах (РП) значительно выше, чем у перьевых, но некоторые типы РП
не позволяют выводить графику очень высокого качества
К общим недостаткам растровых плоттеров следует отнести:
1) Высокую стоимость расходуемых материалов (тонер, специальные
чернила);
2) Очень высокие требования, предъявляемые к качеству бумажного
носителя (плотность, толщина, вес и влажность листа);
3) Некоторые типы РП требуют специальной бумаги;
4) Высокую стоимость выходного документа;
5) Высокую стоимость некоторых типов плоттеров.
Кроме того, следует отметить, что некоторые технологии весьма
критичны к качеству обслуживания и условиям эксплуатации.
Практически у всех плоттеров растрового типа механизмы подачи
бумаги, движения регистрирующего органа и другие электромеханические
узлы однотипны и не требуют подробного рассмотрения. Поэтому основное внимание далее будет уделено описанию реализации технологии вывода изображения
Электростатические плоттеры используют, как и струйные, жидкие красители (специальные чернила). Электростатическая технология основана на создании скрытого электростатического изображения (потенциального рельефа) на поверхности носителя с последующим его проявлением. При этом используется специальная электростатическая бумага, рабочая поверхность которой покрыта тонким слоем диэлектрика, а основа
пропитана гидрофильными солями, позволяющими получить требуемую
влажность и электропроводность.
Кинематическая схема электростатического плоттера приведена на
рис.5.9.
Для записи информации используют записывающие головки, представляющие собой блоки тончайших электродов (1). Потенциальный рельеф создаётся на поверхности диэлектрика, который нанесён на бумажную
основу, подающуюся к блоку электродов с бумажного рулона (2). Когда
бумага с осаждёнными на ней с электродов зарядами, проходит через зону
невидимого изображения (4) и попадает в устройство проявления (5) с
жидким подзаряженным тонером, частички тонера осаждаются на заряженной бумаге, проявляя изображение. Количество осаждённых частичек
тонера пропорционально величине заряда, полученного от электрода элементом диэлектрического слоя бумаги. В зоне видимого изображения (6)
89
можно наблюдать выводимое изображение. Затем бумага с изображением
проходит между прижимными роликами, которые обеспечивают закреп-
90
ление изображения на носителе. В зоне закреплённого изображения (8)
носитель имеет вид документа с выведенным изображением.
Рассмотренный выше процесс вывода характерен для монохромного
режима, когда устройство проявления окрашивает заряженный носитель
одним цветом (например, чёрным).
Полная цветовая гамма получается за 4 цикла создания скрытого
изображения. Цикл – одна краска, всего красок 4, как в стандартной полиграфической схеме: CMYК = C (cyan) – голубой, M (magenta) пурпурный,
Y (yellow) жёлтый и K (key) ведущий (чёрный).
Сложные цветовые оттенки образуются смешением основных цветов, получение оттенков различных цветов достигается путём сгущения
или разрежения точек соответствующего цвета в фрагменте изображения.
Аналогичный способ используется при выводе изображений серого цвета
при выводе монохромного изображения.
Электростатические плоттеры обладают хорошими характеристиками:
1) Высокой скоростью вывода (до 12000 строк в минуту и выше);
2) Высокой надёжностью;
3) Высокими производительностью и качеством изображения;
4) Широкой цветовой палитрой;
5) Устойчивостью изображения к внешним факторам (например, к
ультрафиолетовым лучам).
Но этим устройствам свойственны и недостатки:
1) Очень высока стоимость бумаги;
2) Высока стоимость плоттера (для формата А0 от 30 до 70 тысяч
долларов (в 2000 году);
3) Устройства этого типа нуждаются в весьма тщательном обслуживании;
4) При эксплуатации плоттера должны соблюдаться требования к
стабильности температуры и влажности воздуха в помещении.
Лазерные плоттеры используют технологию, которая впервые была
использована в принтерах – технология сухой фотографии (Xeroxпроцесс). Эта технология была отработана в множительных устройствах –
электрографических копировальных устройствах.
Сущность электрографии базируется на физических процессах внутреннего фотоэффекта в светочувствительных полупроводниковых селеносодержащих материалах и силовом действии электростатического поля.
Селен в темноте может быть заряжен до потенциала в сотни вольт. Луч лазера выборочно снимает этот заряд, создавая скрытое электростатическое
изображение, которое визуализируется подзаряженным мелкодисперсным
тонером, а затем переносится на бумагу.
Схема технологического процесса лазерного «рисования» приведена
на рис.5.10. На схеме приняты следующие сокращённые названия узлов
плоттера:
СБ – селеновый барабан;
УО – устройство механической очистки барабана;
РУ – разрядное устройство, нейтрализующее остаточный заряд;
ЗУ – зарядное устройство;
ОС – оптическая система (объектив);
91
ПУ – проявляющее устройство;
ПВ – прижимной валик;
ФВ – фрикционные валики;
Л (ЛД) – лазер (лазерные диоды);
М – модулятор яркости лазерного луча;
П – преобразователь кода в сигнал управления модулятором;
ВП – вращающаяся многогранная призма;
Д – двигатель.
Процесс вывода графического изображения (рисования в принтере)
состоит из 7 циклически повторяющихся этапов при вращении барабана
(на схеме эти этапы помечены цифрами 1 – 7):
1) Механическая очистка барабана;
2) Электрическая нейтрализация барабана;
3) Сенсибилизация поверхности барабана (нанесение заряда);
4) Обработка поверхности барабана лазерным лучом – образование
скрытого изображения;
5) Проявление скрытого изображения;
6) Перенос изображения на бумажный носитель;
7) Закрепление изображения на бумаге.
Лазерный луч, попадая на поверхность барабана, делает освещённый
элемент селена проводящим, и заряд «стекает» с этого элемента в металлическую основу барабана. Яркость лазерного луча определяет степень
очистки элемента барабана от заряда, что определяется модулятором, изменяющим интенсивность луча. Таким образом, элемент барабана, освещённый лучом, может полностью потерять заряд или только его часть, что
определяет количество тонера, осевшего на данном элементе барабана в
устройстве проявления.
Устройством сканирования лучом поверхности барабана является
многогранная призма, которая, вращаясь на оси двигателя, разворачивает
построчно луч по образующей барабана. За один оборот призмы луч сканирует поверхность барабана столько раз, сколько граней имеет призма.
Лазер и многогранная призма и система зеркал (на схеме не приведены) использовались в первых плоттерах и принтерах. В моделях современных плоттеров и принтерах вместо лазера и многогранной призмы используются точечные полупроводниковые диоды – LED-диоды (Light
Emitted Diod), которые и дали название новому типу устройств – LED
плоттеры. Общий принцип создания изображения сохранился, однако
устройство стало более компактным и более надёжным в работе. LEDплоттеры имеют разрешение 400 точек на дюйм (16 точек на мм). Каждой
точке изображения соответствует свой световой диод. Для формата А1
(594 х 841) линейка светодиодов состоит из 9600 диодов. Формат А1 выводится менее, чем за 0,5 минуты. Большинство лазерных плоттеров –
чёрно-белые. Цветные плоттеры этого типа пока весьма дороги. Стоимость LED-плоттеров в 2000 году составляла для формата А0 от 20 до 30
тысяч долларов.
92
В таблице приведены характеристики 3-х типов лазерных плоттеров (2000 г):
Тип плоттера
Параметр
Технология
Память (мгбайт)
Носитель
Формат чертежа
Макс.размер чертежа (м)
Размер изображения (м)
Скорость вывода (мм/c)
Разрешение
(точек / мм)
Calcomp
Solus 4-А0
LED (лазер)
16 (32)
Лист, рулон
А4 – А0
24,4 х 0,914
(6,1 х 0,914)
2,41 х 0,914
OCE 9555
JDL 4000E
LED (лазер)
48
Рулон
А4 – А0
15 х 0,94
LED (лазер)
42
Лист, рулон
А4 – А0
2,05 х 0,902
14,9 х 0,904
2,05 х 0,902
40,2
20
39,9
16
16
16
Струйные плоттеры используют технологию, в которой изображение получается с помощью капель жидкого красящего вещества (специальных чернил), которые выбрасываются из тонких трубочек – сопел
(дюз) со скоростью достаточной для того, чтобы преодолеть расстояние
между соплом и поверхностью бумаги. Известно несколько разновидностей струйной технологии, которые используются в плоттерах и принтерах. В плоттерах находят применение две разновидности технологий (эти
же технологии широко используются в струйных принтерах):
1) Пьезоэлектрическая технология;
2) Струйно-пузырьковая технология.
Следует, однако, заметить, что на сайте фирмы Hewlett Packard перечислено около десятка «технологий», а у Canon – ещё больше. Все они
представляют собой частные технические приёмы, как аппаратные, так и
программные, и их правильней считать модификациями, усовершенствованиями указанных выше технологий.
Пьезоэлектрическая технология а точнее метод, положенный в основу технологии, был открыт в конце XIX века. Он основан на способности некоторых кристаллических веществ – пьезоэлектриков изменять свои
размеры под действием электрического поля (так называемый обратный
пьезоэффект).
В 1993 году фирма Epson разработала печатающую головку для
принтера, работающего на пьезоэффекте. Затем аналогичная головка стала
использоваться в пьезоэлектрических струйных плоттерах. По конструкции головки принтера и плоттера сходны. Схема пьезоголовки приведена
на рис 5.11. Головка работает следующим образом.
Под воздействием импульса, подаваемого на пьезоэлемент, он изменяет свои геометрические размеры (сжимается) и капля вылетает из дюзы.
Когда импульс прекращается, камера принимает исходную форму и снова
заполняется чернилами. Испарение чернил в камере не происходит. Чернила могут подсыхать лишь тогда, когда головка долго не работает.
93
94
Каждая головка служит довольно долго, обеспечивая выброс десятков миллиардов капель. Изготовление головки, содержащей сотни пьезоэлементов, технически очень сложно, поэтому стоимость головки составляет десятки процентов от стоимости плоттера.
Пузырьково-струйная технология (иначе – термическая струйная)
была изобретена в конце 70-х годов 20 века. С 1984 года разработку этой
технологии применительно к принтерам начали фирмы Hewlett Packard и
Canon.
Изобретение пузырьково-струйной технологии было запатентовано
фирмой Сanon под названием Babble-Jet. Сущность этой технологии иллюстрирует рис.5.12. Основу печатающей головки составляет микротрука
– тончайший канал (дюза), в которую из капиляра поступают чернила и в
ней формируются капельки чернил. В каждой дюзе расположен микроскопический нагреватель–терморезистор. Процесс формирования капли чернил состоит из нескольких фаз:
1) При подаче электрического импульса на терморезистор чернила
быстро вскипают, образуя на поверхности терморезистора мельчайшие
пузырьки пара (фаза 1);
2) Затем пузырьки пара сливаются в более крупный пузырёк который
начинает расти (фаза 2);
3) Пузырёк достигает противоположной стенки трубочки, в пузырьке нарастает давление (фаза 3);
4) Пузырёк лопается и уменьшается в размере, из трубочки вылетает
капля чернил в направлении бумажного носителя (фаза 4)
5) После вылета капли из дюзы в неё поступает новая порция чернил,
и дюза готова к новому циклу формирования капли (фаза 5).
Электрический импульс, подаваемый на терморезистор, создаёт тепловой поток, эквивалентный более чем 2000 млн. ватт на квадратный метр,
температура в это время увеличивается со скоростью 300 млн. градусов в
секунду. Поскольку длительность теплового импульса составляет всего 2
микросекунды, терморезистор за это время успевает нагреться до температуры до 600 градусов.
Активное испарение растворителя чернил начинается при температуре около 330 градусов; мгновенное значение давления в пузырьке пара
при достижении максимальной температуры составляет около 125 атмосфер – немногим меньше, чем в стволе огнестрельного оружия. Это давление выбрасывает каплю чернил со скоростью более 100 м/с.
Размеры дюзы (диаметр трубочки) очень малы – сравнимы с толщиной волоса. Поэтому через несколько десятков микросекунд дюза полностью охлаждается и в неё поступает новая порция чернил. В современных
плоттерах и принтерах частота следования импульсов составляет 20 кГц,
то есть один цикл «нагревание – охлаждение» занимает всего 50 микросекунд.
Качество печати, скорость и эффективность работы определяется
многими параметрами. Главные из них – конфигурация эжекционной камеры, диаметр и точность изготовлен6ия сопла. Важны и характеристики
чернил – вязкость, поверхностное натяжение, способность к испарению. В
последние годы дюзы изготавливаются методом прожигания отверстия
лучом лазера. Терморезистор изготавливают в виде тонкого слоя металла,
95
нанесённого внутри дюзы химическим способом. Благодаря этому стоимость изготовления головки весьма низка по сравнению с пьезоголовкой.
Кроме того, такая головка весьма надёжна в работе. Плоттер такого
типа практически бесшумен в работе и хорошо приспособлен к выводу
графики по полиграфической цветовой гамме CMYK. Недостатком плоттеров этого типа (как и принтеров) является высокая стоимость расходных
материалов – специальные чернила, бумага.
Литература
Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия, 2-е изд.
СПб.: Питер, 2001.-928 с.: ил.
Гинзбург А., Милчев М., Солоницын Ю. Периферийные устройства. СПб.: Питер, 2001.- 448с.: ил.
Огородов Ю.В. Курс лекций «Системы ввода-вывода и интерфейсы
компьютеров» в иллюстрациях и схемах изд.5-е доп.
и перераб., М.: МИФИ, 2002, 136 с.
Раздел3 «Устройства вывода информации
на печать (принтеры)
СОДЕРЖАНИЕ КОНСПЕКТА
Раздел3 «Устройства вывода информации на печать (принтеры) .................................. 95
1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПЕЧАТАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ................... 96
2. ОРГАНИЗАЦИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИНТЕРА С ПЭВМ ................... 112
3. СПОСОБЫ ЗНАКОГЕНЕРАЦИИ В ЗНАКОСИНТЕЗИРУЮЩИХ
ПРИНТЕРАХ .............................................................................................................. 125
4. ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПЕЧАТЬЮ ........................................... 1333
В виде печатного слова мысль стала долговечной
как никогда: она крылата, неуловима, неистребима.
В.Гюго “Собор Парижской Богоматери”
96
1. Принципы построения печатающих устройств
Разновидности печатающих устройств. Тип принтера (его наименование) определяется рядом классификационных признаков:
- принцип действия;
- способ формирования текста;
- способ формирования символов;
- способ печати;
- наличие (или отсутствие) цветности;
- формат носителя (бумаги);
- быстродействие (скорость печати).
Рассмотрим указанные выше признаки применительно к современным принтерам.
Принцип действия. Все современные принтеры по принципу действия можно разделить на две большие группы – ударные и безударные
устройства.
Ударным принтером называют устройство, использующее механический удар при записи символов или элементов графики с помощью красящего элемента (ленты или копировальной бумаги). Образно говоря,
ударные принтеры "вколачивают" текст или графику в поверхность носителя. В процессе печати ударные элементы (иглы, сегменты или молоточки) или литероноситель (шрифтоноситель) механически перемещаются.
Литероносителем или шрифтоносителем называют механизм, в том или
ином виде содержащий алфавит принтера.
В ударных принтерах шрифтоносители оформляются конструктивно
по-разному, что определяет технологию печати, скорость работы принтера, его стоимость. В зависимости от конструктивного оформления шрифтоносителя принтеры получают свое название или тип. Так среди ударных
принтеров принято различать следующие основные типы:
- барабанные алфавитно-цифровые печатающие устройства (АЦПУ);
- цепочные печатающие устройства;
- лепестковые или воланные принтеры;
- шаровые или цилиндрические принтеры.
В таких устройствах алфавит принтера фиксирован с помощью
шрифтоносителя и может быть заменен лишь путем смены последнего,
что не всегда возможно.
К достоинствам таких устройств можно отнести:
- возможность получения одновременно с оригиналом нескольких
копий;
- использование обычных сортов бумаги (в том числе низкосортную
бумагу);
- умеренную стоимость устройства;
- высокую скорость печати некоторых устройств (барабанные, цепочные).
В качестве недостатков этих устройств можно отметить:
- сложность изготовления механических и электромеханических
деталей и узлов этих устройств;
97
- повышенный уровень шума при их работе;
- относительно невысокую надежность вследствие значительного количества движущихся деталей и механизмов.
Упомянутые выше типы ударных принтеров в настоящее время
практически не используются, так как они вытеснены новыми устройствами, имеющими более высокие технические показатели.
Особое место среди принтеров ударного типа занимают знакосинтезирующие или матричные принтеры, которые используются и в настоящее время.
Знакосинтезирующие принтеры не имеют шрифтоносителя как такового. Контур символа формируется каждый раз в момент печати. Печатающий механизм (печатающая головка) представляет собой набор стержней (иголок), конструктивно объединенных в так называемую матрицу.
Изображение символа формируется путем выдвижения стержней, входящих в контур символа, под воздействием индивидуальных приводов
стержней (электромагнитов) и осуществлении удара стержнями по бумаге
через красящую ленту. Все поле печатаемого символа (знакоместо) разбивается на отдельные элементы, составляющие матрицу, которая называется матрицей разложения символа. Более подробно принципы работа
матричных принтеров и их разновидности рассматриваются ниже.
Безударные принтеры появились как своего рода альтернатива
ударным, что позволило резко снизить уровень шума при работе принтера
и существенно повысить скорость печати. Кроме того, безударные принтеры (некоторые их разновидности) позволили ввести в печать цветовую
гамму.
В отличие от ударных в безударных принтерах (БП) используются,
как правило, бесконтактные способы печати или такие способы, при которых контакт головки с бумагой минимален и не снижает скорости печати.
Основными недостатками БП являются:
- необходимость использования специальную бумагу или бумагу
очень высокого качества;
- необходимость иметь специальный красконоситель (тонерпорошок или специальные чернила);
- невозможность одновременного получения нескольких копий документа.
В БП знаки на носителе формируются за счет изменения свойств
вещества носителя или за счет нанесения красящего вещества на поверхность носителя. В первом случае используются термические, термохимические, термоэлектрические или электромагнитные процессы печати, во
втором световые процессы и процессы напыления красящего вещества на
поверхность носителя.
Так же как и в ударных устройствах, тип безударного принтера (его
название) образуется по названию технологического процесса, используемого при печати: термические, электростатические, лазерные, струйные
принтеры и т.п.
Способ формирования текста. С точки зрения способов формирования текста различают:
- последовательные (посимвольные) принтеры;
98
- параллельные (построчные) принтеры;
- постраничные принтеры.
Последовательными принтерами называют устройства, в которых
печатающая головка (ПГ) перемещается вдоль выводимой строки текста и
последовательно (символ за символом) печатает строку. Время печати
символа в таких устройствах является циклом печати.
Параллельными принтерами называют устройства, в которых при
выводе текста все символы, входящие в состав строки, печатаются за один
цикл печати (одновременно).
Постраничные принтеры выводят на печать за один цикл текст размером в одну страницу.
Способ формирования символа. По этому признаку принтеры делятся на знакопечатающие и знакосинтезирующие устройства.
Знакопечатающие устройства осуществляют печать символа методом оттиска готовой литеры через красящую ленту или копировальную
бумагу. Для таких принтеров характерен постоянный (несменяемый)
набор литер (пишущая машинка, барабанный АЦПУ, цепочный принтер).
Знакосинтезирующие принтеры характеризуются тем, что контур
знака создается в поле матрицы разложения в момент печати (см. выше).
Поскольку в таких принтерах отсутствует шрифтоноситель, функции его
перекладываются на знакогенератор.
По способу печати различают статические и динамические принтеры.
В статических принтерах шрифтоноситель вне момента печати
находится в покое, и его элемент начинает перемещаться к месту знака в
строке по получении команды – пространственный принцип выбора нужного символа (лепестковые, шаровые и др. принтеры).
В динамических принтерах используется временной принцип выбора литеры. Это означает, что шрифтоноситель находится в движении всегда (вне момента и в момент печати), а символ печатается тогда, когда литера занимает нужное место в строке (барабанные и цепочные принтеры).
Следует отметить, что отмеченное выше относится к ударным принтерам и не может быть распространено на безударные.
По формату бумаги принтеры подразделяются на узкоформатные, малоформатные и широкоформатные. Формат бумаги определяет
количество символов в текстовой строке. Это количество колеблется в
широких пределах (от 5 до 160 и более) при шаге печати 2,54 мм (дюйм).
По цветности принтеры могут быть одноцветными и многоцветными. Следует отметить, что далеко не все типы принтеров обладают
возможностью печатать многоцветный текст или графику. Наиболее просто и естественно многоцветная печать реализуется в струйных принтерах.
99
По быстродействию принтеры могут быть разделены на три категории: низко- средне- и высокоскоростные. Следует отметить относительность этого деления, т.к. скорость прямым образом зависит от принципа печати, реализуемого в конкретном принтере.
Знакосинтезирующие печатающие устройства или матричные
принтеры (МП) являются ударными устройствами. Их отличительной
особенностью является то, что в них отсутствует шрифтоноситель как таковой. Контур знака синтезируется на матрице разложения в момент печати. Устройства этого типа ввиду их больших возможностей стали явными лидерами среди устройств ударного типа.
Изображение символа в МП синтезируется путем сочетания его отдельных элементов (точек, отрезков линий и т.п.). Наибольшее распространение в настоящее время получили принтеры, в которых используется
разложение контура знака на отдельные точки. При этом матрица разложения может иметь различную размерность: M х N = 3х5; 5х7; 7х9;
9х12 и т.д. точек (рис.1.1).
Печатающая головка МП представляет собой механизм, состоящий
из M х N выдвигающихся стержней (игл), управление которыми (выдвижение) осуществляется индивидуально с помощью электроприводов.
Использование такого принципа печати произвело в принтерах
настоящую революцию, так как матричный способ печати позволил реализовать большие возможности, главными из которых являются:
- лёгкое изменение типа шрифта без смены печатающей головки;
- возможность печатать элементы графики;
- реализация различных режимов печати (Draft, NLQ, LQ);
- многопроходная печать в том числе со смещением бумаги на интервал
значительно меньший шага печатной строки;
- вариация скорости перемещения печатающей головки вдоль строки;
- программное управление печатью.
При этом удалось существенно снизить габариты и вес устройства и
уменьшить его энергопотребление.
При очевидных преимуществах устройств этого типа перед другими
ударными принтерами они не лишены недостатков:
- достаточно высок уровень шума при печати;
- качество печати зависит от количества элементов разложения (размерности матрицы разложения);
- сравнительно невысока скорость печати как в текстовом, так и, в особенности, в графическом режиме;
- высоки стоимость и сложность изготовления полноматричной печатающей головки.
Скорость печати в текстовых режимах составляет от 50 до 600 знаков в секунду в зависимости от режима печати, разрешающая способность
достигает величины 360 х 360 точек на дюйм (около 14 х 14 точек на миллиметр).
Ввиду высокой сложности и стоимости изготовления полноматричной печатающей головки современные МП имеют головку более простой
конструкции, в которой печатающие стержни расположены в одном вертикальном ряду или в один ряд вдоль
100
строки текста по ширине формата бумаги. В первом случае принтер является посимвольным (последовательным), во втором - построчным (параллельным).
Печать текста такой головкой осуществляется либо в однопроходном, либо в многопроходном режимах со смещением бумаги на 0,3 - 0,5
шага между печатающими стержнями. При этом в зависимости от скорости перемещения печатающей головки вдоль строки, что определяет
плотность печати, а также от величины шага перемещения бумаги в
направлении перпендикулярном строке и количества стержней в ряду,
возможны следующие варианты матриц разложения символов:
- 9 х 7, 9 х 9, 11 х 9 точек - печать низкого и среднего качества
(Fast Draft и Draft);
18 х 18 точек - печать повышенного качества (Near Letter Quality NLQ);
24 х 24, 35 х 16 точек и более - печать высокого (типографского)
качества (Letter Quality - LQ);
24 х 24, 35 х 16 точек и более – печать очень высокого (типографского) качества (Letter Quality - LQ).
101
102
Ввиду того, что шрифтоносители в матричных ударных принтерах
отсутствуют как таковые, их функции выполняет генераторы символов.
Количество и номенклатура печатаемых символов (алфавит) определяется
емкостью генератора. Количество типов шрифтов определяется также емкостью генератора символов.
Безударные печатающие устройства появились как альтернатива
ударным принтерам по трем основным причинам:
- необходимость существенно увеличить скорость вывода на печать;
- уменьшить уровень шума от работающего принтера;
- ввести цветовую гамму в печатающийся текст.
В безударных принтерах используется бесконтактный способ печати или способы, при которых контакт регистрирующего органа (печатающей головки или устройства, ее заменяющего) и бумаги отсутствует или
незначителен, что не снижает скорости печати.
Символы в безударных принтерах формируются за счет изменения
свойств вещества, нанесенного на поверхность бумаги, или за счет нанесения (напыления) регистрирующего вещества (красителя или тонера) на
поверхность носителя. В силу этого в большинстве типов безударных
принтеров используется либо специальная бумага, либо бумага очень высокого качества. Кроме того, вещества, наносимые на поверхность носителя, также должны удовлетворять специальным требованиям. Это относится как к порошковым тонерам, так и к чернилам (жидким красителям)
струйных принтеров.
В технологических процессах печати в безударных принтерах используются различные физико-химические процессы: термические, химические, электростатические, электромагнитные, оптические. В струйных
принтерах используются процессы нанесения красителя на поверхность
бумаги.
На рис.1.2 приведена классификационная схема, иллюстрирующая
варианты построения безударных принтеров.
Следует отметить, что не все типы принтеров, приведенных на
рис.1.2, нашли одинаково широкое применение в ЭВМ в силу сложности
и дороговизны устройств.
Наиболее широкое применение в современных ЭВМ (в том числе и
в ПЭВМ) находят безударные принтеры трех типов: лазерные, струйные
и термические.
В основу лазерного принтера положен технологический процесс
сухой фотографии или Xerox-процесс. Этот процесс использует явление
местного разрушения электростатического заряда, созданного в слое полупроводникового материала, под действием света (луча лазера). Суть
этого явления поясняет рис. 1.3.
На рисунке 1.3,а приведен участок металлической пластинки, покрытой полупроводниковым материалом (селеном), на который нанесен
электростатический заряд (сенсибилизация – «очувствление» полупроводника). На рисунке 1.3,б потоком света (лазерным лучом) обработаны
участки поверхности полупроводника. В результате такой обработки
фрагменты поверхности полупроводника потеряли заряд - на поверхности
103
образуется скрытое (невидимое) изображение. Если затем напылить на
обработанную таким образом поверхность полупроводника частички красителя (тонера) с противоположным электрическим зарядом, то на поверхности полупроводника образуется изображение (символы или графика) - проявление скрытого изображения (рис. 1.3,в).
104
105
С учетом рассмотренной выше сущности Xerox-процесса технологическая схема работы лазерного принтера может быть, в частности, такой, как показано на рис. 1.4. на примере лазерного принтера, выводящего
текст на отдельные страницы бумаги (Возможен вариант печати на рулонную бумагу).
Структурная схема принтера содержит следующие основные узлы:
1. Лист бумаги, подающийся на печать;
2. Модулятор, изменяющий интенсивность лазерного луча;
3. Отражающее зеркало;
4. Селеновый барабан;
5. Контейнер с тонер-порошком (картридж);
6. Лист бумаги с нанесённым текстом (графикой);
7. Транспортный валик;
8. Транспортный валик с подогревом;
9. Отпечатанный лист бумаги с закреплённым текстом;
10. Блок сенсибилизации барабана (получение скрытого изображения);
11. Блок механической и электрической очистки барабана;
12. Преобразователь двоичной информации в интенсивность лазерного луча;
Технологический процесс печати состоит из 7 этапов:
1.Механическая очистка поверхности барабана;
2.Электрическая нейтрализация поверхности барабана;
3.Сенсибилизация (очуствление) поверхности барабана;
4.Экспонирование барабана;
5.Проявление скрытого изображения на поверхности барабана;
6.Перенос изображения на носитель;
7.Закрепление изображение на носителе.
Следует отметить, что описанный выше технологический процесс
печати может быть реализован только в том случае, когда этапы 3 – 6
осуществляются в полной темноте, то есть без доступа постороннего света на поверхность барабана.
Возможны различные модификации приведенной на рис.1.4 технологической схемы печати.
Кроме того, в современных лазерных принтерах сложная и ненадёжная система зеркал, оптических устройств и газовых лазеров заменена
лазерными точечными диодами, что значительно повысило надёжность
принтера и удешевило устройство.
Лазерные принтеры различных модификаций обеспечивают высокое
разрешение (до 600 х 600 точек на дюйм или около 23,6 х 23,6 точек на
миллиметр) и скорость печати от 3-10 листов формата А4 до 18000 строк
в минуту на бумажную ленту. Лазерные принтеры ввиду их высокой разрешающей способности обеспечивают печать графических изображений
[5].
106
Струйные принтеры используют в качестве материала, окрашивающего носитель, жидкий краситель, который выбрасывается в виде струи
из одного или нескольких сопел - тонких цилиндрических каналов - под
воздействием импульсного или статического избыточного давления. Возможны две разновидности струйного способа печати – непрерывный и
дискретный.
Непрерывный способ струйной печати в силу дороговизны реализации процесса печати, а также сложности процесса эксплуатации
устройства в настоящее время не используется. При необходимости познакомиться с устройствами этого типа следует обратиться к [4].
При дискретном способе струйной печати (рис.1.5) выброс струи красящего вещества (специальных чернил) производится только в тот момент, когда сопло 2 направлено в нужную точку изображения на носителе
5. Перемещение сопла или наличие нескольких индивидуально управляемых сопел позволяют синтезировать контур символа или элемент графики
в виде мозаики отдельных точек. Наличие нескольких сопел создает, кроме того, предпосылку для получения многоцветного изображения.
Импульсное давление в сопле создается пьезоэлектрическим элементом 1. Подвод красителя к соплу осуществляется из резервуара (чернильницы) 4 посредством насоса 3. Возбуждение пьезоэлектрических элементов осуществляется электрическими сигналами импульсной формы 6.
107
108
Такая разновидность струйного печатающего устройства обеспечивает высокое качество печати и возможность создания устройств последовательной печати с быстродействием в несколько сот символов в секунду.
Рассмотренный выше дискретный способ струйной печати в своей
основе содержит механизм выброса струи красящего вещества (последовательности микрокапель), реализованный на использовании обратного
пьезоэффекта. Его суть заключается в следующем (рис.1.6).
При невозбужденном пьезокристалле, а точнее после снятия с него
возбуждения, в камере создается зона разрежения, и чернила поступают в
камеру как из резервуара, так и из сопла справа (рис.1.6,а). При подаче
сигнала возбуждения пьезокристалл деформируется и сжимает верхнюю
стенку камеры – в камере создается область сжатия, и капля чернил вылетает из сопла в направлении бумаги (рис.1.6,б). Частота возбуждения пьезокристалла достигает 100 кГц.
После снятия возбуждения пьезокристалл восстанавливает свои геометрические параметры, и в камере снова возникает зона разрежения.
Так называемые Bubble-Jet-принтеры используют другую технологию образования капель. Эта технология основана на быстром разогреве
красящего вещества. На рис.1.7 приведены 5 стадий этого технологического процесса [5].
Нагревательный элемент, конструктивно соединенный с соплом,
представляет собой тонкопленочный резистор, который при пропускании
через него импульса электрического тока разогревается до 500 градусов
по Цельсию за 7 – 10 микросекунд и остывает при снятии импульса тока
за такое же время. При быстром разогревании нагревательного элемента
последний отдает тепло непосредственно соприкасающимся с ним чернилам. Сначала образуются отдельные пузырьки пара (рис.1.7,а), затем они
сливаются в единый паровой пузырек (рис.1.7,б), который, увеличиваясь в
размере, создает зону давления. Достигая размеров, равных диаметру сопла, пузырёк выталкивает каплю
чернил из сопла (рис.1.7,в), а затем, лопаясь, обеспечивает вылет капли
чернил из сопла (рис.1.7,г) и поступление новой порции чернил в зону
нагревательного элемента (рис.1.7д). В момент вылета капли из сопла
нагревательный элемент остывает и готов к новому циклу образования
капли.
Основным недостатком струйных принтеров является подверженность сопел загрязнению чернилами. Для предотвращения загрязнения
используют специальную жидкость, подаваемую в сопло отдельной системой очистки после окончания цикла печати.
Термографические принтеры создают изображение на бумаге
путем сконцентрированного в нужном месте локального нагрева. Бумага,
при этом, должна иметь очень тонкое термочувствительное покрытие с
двумя раздельными бесцветными компонентами (рис.1.8).
При локальном нагревании цветоформирователь (1-й компонент),
смешиваясь с предварительно обесцвеченным красителем (2-й компонент), образует на бумажном слое видимое пятно.
109
110
В данном случае возможна печать различными цветами, но чаще всего
используется только голубой и черный. Как правило, бумага, дающая при
печати изображение черного цвета, требует более высоких температур и
давления печатающей
головки на бумагу. Однако на бумаге, дающей голубое изображение, хотя
и обеспечиваются более высокие скорости печати, полученное изображение со временем бледнеет и становится непригодным для практического
использования.
Регистрирующим органом в термопринтере (ТП) является термопечатающая головка (ТПГ), состоящая из стеклянной подложки с нанесенными на нее методами полупроводниковой или тонкопленочной технологии терморезисторами (нагревательными элементами). Эти терморезисторы (ТР) расположены аналогично печатающим стержням в матричных
принтерах: в два ряда друг над другом. Наиболее часто ТПГ используют два ряда немного смещенных друг относительно друга нагревательных элементов по 12 элементов в ряду. ТПГ скользит вдоль строки, и
матрица формирует мозаичные символы за счет нагрева ТР. Поскольку
ТР очень небольшого размера, то при пропускании через них импульса
тока они быстро нагреваются и также быстро остывают при отключении тока. Габариты головки небольшие - толщина несколько миллиметров, а высота H и ширина L соответствуют размеру
символа. Сохраняется тот же принцип перемещения головки вдоль строки
и бумаги, что и в "игольчатых" принтерах.
В 1982 году появились ТП, способные печатать на обычной бумаге.
Такие устройства называют термопринтерами с термопереносом или
принтерами с подачей красящего вещества. Принцип действия подобных
принтеров приведен на рис.1.9. Как и у обычного ТП имеется термоголовка с термоэлементами 1. Термопластичное красящее вещество 2, нанесенное на тонкую подложку 3 попадает на бумагу 4 именно в том месте, где
элементами ПГ обеспечивается должный нагрев. Далее, при перемещении
бумаги с помощью транспортного валика 5 разогретый элемент красящего
вещества "прилипает" к бумаге и, таким образом, переносит элемент
изображения на носитель.
Существуют также принтеры, использующие при печати явление
термосублимации. Под сублимацией понимают переход вещества из
твердого состояния в газообразное, минуя стадию жидкости. Иначе этот
процесс называют возгонкой (кристаллы йода, например, сублимируют
при нагревании). В таких принтерах имеется возможность точного определения необходимого количества красителя, переносимого на бумагу.
Это удается только благодаря электронному управлению процессом испарения красящего вещества. Комбинацией цветов красителей можно подобрать практически любую цветовую палитру. Принтеры с термосублимацией используются только как цветные устройства, поскольку ни один
тип печатающих устройств не обеспечивает лучшей цветопередачи. На
рис.1.10 приведена схема, поясняющая принцип термосублимации. Печатающая термоголовка (4) разогревает ленту с красителем (2) и обеспечивает перенос красящего вещества на носитель (1). Красящая лента подаётся с катушек (3,5).
111
Принтеры с термопереносом и термосублимацией относятся к группе матричных (знакосинтезирующих) безударных печатающих устройств.
Поэтому практически все преимущества матричных принтеров автоматически распространяются и на эти типы принтеров. Их разрешающая способность составляет 300 точек/дюйм (11,8 точек/мм), что позволяет им
поспорить с хорошими лазерными принтерами. По скорости печати
принтеры с термопереносом, как правило, уступают современным моделям струйных устройств. Ограничения по скорости обусловлены, в основном, задержкой нагрева термоэлементов.
112
2. Организация взаимодействия принтера с ПЭВМ
Интерфейсы периферийных устройств. На практике используются
интерфейсы двух типов - последовательные и параллельные. В последовательных интерфейсах передача данных от источника информации к принтеру осуществляется побитно - последовательным кодом, а в параллельных - побайтно, то есть параллельным кодом. В ряде принтеров встраиваются оба интерфейса.
Параллельные интерфейсы передают в каждый момент времени сразу все биты данных. Для этого в параллельном интерфейсе для каждого
разряда данных имеется своя линия (провод - физическая связь интерфейса). К числу параллельных интерфейсов, наиболее часто используемых
для подключения принтеров, нужно отнести интерфейсы CENTRONICS,
ИРПР, ИРПР-М, BS 4421. Такие интерфейсы имеют короткий интерфейсный кабель и характеризуются низкой помехозащищенностью.
Все линии данных в параллельном интерфейсе образуют шину данных,
которая для принтеров имеет разрядность, равную байту - каждый символ
представлен одним байтом. В параллельных интерфейсах для повышения
достоверности передаваемой информации в шину данных включается еще
одна линия для передачи бита четности (паритета). Этот бит показывает,
четное или нечетное число единиц передается в байте данных - коде символа.
Кроме шины данных в интерфейсах имеется шина управления,
обеспечивающая управление процессом передачи информации, и шина
состояния, предназначенная для передачи слова состояния принтера.
ИРПР - интерфейс радиальный параллельный. Зарубежным аналогом является интерфейс BS 4421 (Англия). Линии связи и назначение сигналов приведены в таблице 2.1 (в таблице приведены линии интерфейса,
используемые принтерами).
Протокол обмена в интерфейсе ИРПР осуществляется с помощью
сигналов ЗП и СТР (AC и SC) в режиме "Запрос-ответ". Приемник, если
он готов принимать данные, устанавливает сигнал ГП и проверяет сигнал
СТР. Если сигнал СТР не установлен, приемник устанавливает сигнал ЗП.
Источник проверяет сигналы ГП и ЗП, устанавливает данные и выдает сигнал СТР. По сигналу СТР приемник считывает данные. После того, как приемник сбросит сигнал ЗП, источник снимает сигнал СТР, и интерфейс переходит к следующему циклу передачи данных. Временная
диаграмма работы интерфейса приведена на рис.2.1. В таблице И – источник (ПЭВМ), П – приёмник.
113
Таблица 2.1
Линия интерфейса
Экран
Нуль (земля)
Готовность источника (И)
Готовность приемника (П)
Строб источника
Запрос приемника
Данные (2 0 ...2 7 )
Обозначение:
Русское
Международ.
Э
S
ОВ
Z
ГИ
SO
ГП
AO
СТР
SC
ЗП
AC
Д0...Д7
D0...D7
Направление
передачи
И-->П
И<--П
И-->П
И<--П
И-->П
На временной диаграмме высокий уровень сигнала соответствует
логической "1", низкий - "0".
Следует обратить внимание на то, что приемник не может снять сигналы
ЗП и ГП, ни разу не приняв хотя бы одного символа (сигнал СТР
может быть снят только при сброшенном сигнале ЗП). Сигнал ГИ в случае
работы с принтером обычно установлен, так как ГИ и ГП взаимозависимы.
Назначение описанных выше сигналов иллюстрирует таблица 2.2.
Таблица 2.2
Сигнал
Назначение сигнала
Логическая “1” - источник работоспособен и готов к передачи инГИ
формации под управлением СТР и ЗП. Переход ГИ из “1” в “0”
происходит при СТР=0. Логический “0” - источник неработоспособен, состояние других линий игнорируется.
Логическая “1” - приемник работоспособен и готов к приему инГП
формации под управлением СТР и ЗП. Переход ГП из “1” в “0”
происходит при СТР=0.
Д0...Д7
Данные. Высокий уровень - “1”, низкий - “0”.
СТР
При логической “1” данные действительны при ЗП=1, при логическом “0” данные могут быть недействительны.
Логическая “1” - приемник запрашивает новую информацию от источника.
ЗП
114
Сигналы на линиях соответствуют ТТЛ-уровню, используется отрицательная логика, в качестве передатчика применяется интегральная микросхема ТТЛ с открытым коллектором и допустимым током не менее 40
mA, в качестве приемника - интегральная микросхема ТТЛ с входным
током не более 1,6 mA, линии связи однонаправленные с волновым сопротивлением кабеля 110 Ом, согласование с волновым сопротивлением
кабеля обеспечивается на входе приемника. Длина интерфейсного кабеля
до 15 метров.
Интерфейсы ИРПР-М (ИРПР модифицированный) и CENTRONIX
используются для радиального подключения принтеров с параллельной
передачей данных. Эти интерфейсы более удобны для принтеров, так как
имеют линии состояния принтера, которые позволяют точно определить
текущее состояние принтера или причину отказа и дают возможность
принтеру в любой момент остановить передачу данных. В силу этого интерфейсы ИРПР-М и CENTRONIX вытесняют интерфейс ИРПР. Практически все зарубежные фирмы-изготовители выпускают принтеры с интерфейсом CENTRONIX. Состав и назначение линий интерфейса приведены в таблице 2.3 (указаны только линии интерфейса, используемые в
принтерах).
Таблица 2.3
Линия интерфейса
Готовность приемника
Строб
Подтверждение
Данные (2 0 ...2 7 )
Занят
Нуль (земля)
Питание
Обозначение
Междуна- Направление
родное
передачи
ГП
Select Out
И<--П
Strobe
И-->П
СТР
ACKLNG
И<--П
ПТВ
Д1...Д8
D1...D8
И-->П
ЗАН
BUSY
ИП
0В
0В
5В
5V
Русское
CENTRONIX имеет два новых сигнала: сигнал занятости приемника
(ЗАН) и сигнал подтверждения (ПТВ). Временная диаграмма работы интерфейса ИРПР-приведена на рис.2.2.Передача данных начинается с проверки источником информации сигнала ЗАН (занят). Если ЗАН=0, то источник выставляет данные на шину данных (Д) и выдает сигнал СТР=0.
Приемник по сигналу СТР читает данные на шине данных и устанавливает сигнал ЗАН=1 на время обработки прочитанных данных, которое зависит от конкретного принтера. После окончания обработки принятых данных приемник выдает сигнал ПТВ=0 и снимает сигнал ЗАН (ЗАН= 0).
Приемник готов к новому циклу печати - приему нового символа. Если
после приема данных источник в течение длительного времени не получил сигнала ПТВ (в разных ПЭВМ это время колеблется от 6 до 12 се-
115
кунд), то источник считает, что произошла ошибка при передаче данных.
Если приемник не готов по какой-либо причине принимать данные, то он
устанавливает сигнал ЗАН=1. Более точная информация о причине отказа
идентифицируется сигналами КБМ (конец бумаги) и ОШ (ошибка). Эти
сигналы в таблицу 2.3 не включены.
Входной ток передатчика должен быть не менее 8 мА при передаче
логического нуля, уровни сигналов на входе приемника должны соответствовать при логической "1" от 2,0 до 5,25 В, при логическом "0" от 0 до
0,8 В. Входной ток приемника не более 1,6 мА при приеме логического
"0".
Интерфейсный кабель обычно выполняется витыми парами, длина
кабеля не более 3 метров. Допустима длина кабеля до 20 метров при длительности сигнала СТР не менее 5,0 мкс. Следует заметить, что рассмотренные выше параллельные интерфейсы относятся к числу асинхронных,
работающих в режиме "Запрос-ответ", то есть осуществляется передача с
квитированием.
Последовательные интерфейсы передают данные последовательно
бит за битом по одной линии связи. Частота, с которой передаются биты,
называется скоростью передачи и измеряется в бодах (1 бод = 1 бит/с).В
ПЭВМ используются несколько значений скоростей передачи: 75, 110,
150, 300, 600, 1200, 4800, 9600 бод. Наибольшее распространение в принтерах получили следующие интерфейсы последовательного типа: Стык
С2, RS-232, ИРПРС.
Интерфейсы Стык С2 и RS-232 наиболее распространены для подключения разнообразного периферийного оборудования, в том числе и
принтеров. Стандарт RS-232 был разработан Ассоциацией Электронной
Промышленности (EIA) в 1969 году. Отечественным аналогом интерфейса RS-232 является интерфейс Стык С2. Линии в последовательных интерфейсах называются цепями. Цепи интерфейса Стык С2 подразделяют
на 2 группы: цепи общего назначения (серия 100) и цепи для автоматического установления соединения (серия 200). Для подключения принтеров
используются цепи из серии 100.
116
117
Интерфейсы RS-232 и Стык С2 допускают использование дополнительных сигналов, не регламентируемых этими интерфейсами.
Для управления режимами работы интерфейса в последовательных
интерфейсах типа RS-232 имеются специальные линии квитирования.
Цепь в последовательном интерфейсе может быть в двух состояниях: логическая "1" (состояние MARK) и логический "0" (состояние
SPACE). Когда по цепи нет передачи данных, линия поддерживается в состоянии MARK.
На рис. 2.3 приведён байт данных (11010101), который "обрамлен"
слева стартовым битом (переход из состояния MARK в состояние
SPACE), а справа - битом паритета (P) и стоповым битом (переход из состояния SPACE в состояние MARK).Назначение цепей интерфейсов RS232 и Стык С2 для подключения принтеров приведено в таблице 2.4.
Таблица 2.4
TxD
RxD
RTS
CTS
Стык
С2
103
104
105
106
DSR
DTR
DCD
107
108.2
109
RS- 232
Назначение цепи
Данные, передаваемые принтером
Данные, принимаемые принтером
Запрос принтера на передачу данных
Готовность к приёму данных , передаваемых
принтером
Готовность устройства передачи данных
Готовность принтера
Уровень сигнала, принимаемого принтером
В начале пакета (блока данных, передаваемого по последовательному интерфейсу за один цикл работы) находится старт-бит (стартовый бит,
см. рис 2.3), который служит для индикации начала пакета по интерфейсу
и синхронизации передающего и принимающего устройств. Так как передача осуществляется в асинхронном режиме, для определения интервалов
времени передачи одного бита используется внутренний тактовый генератор устройства. Старт-бит переводит цепь из состояния MARK в состояние SPACE. При обнаружении начала старт-бита тактовый генератор отсчитывает половину длительности передачи старт-бита и проверяет состояние цепи. Если оно (состояние) не изменилось, то считается, что найдена
середина старт бита, в противном случае это была помеха. Число старт-бит
в пакете бывает равным 1; 1,5 или 2. После старт-бита следуют передаваемые данные. Разрядность передаваемых данных может быть равна 5; 7 или
8 битам. Далее следует необязательный бит четности (P-бит паритета) и
стоп-бит (стоповый бит), оповещающий о конце пакета.
Стоп-биты устанавливают минимальный промежуток времени между
окончанием передачи текущего байта и началом передачи следующего.
Число стоп-битов обычно бывает равным числу старт-битов.
В принтерах используются различные протоколы передачи данных.
118
Для последовательных интерфейсов RS-232 и Стык С2 наиболее часто используются протоколы XON/XOFF – передача данных по сигналу
«Готовность» и передача данных по запросу (ACK).
Суть протокола XON/XOFF заключается в том, что для прекращения
передачи данных принтер посылает ЭВМ по цепи TxD (103) команду
XOFF, а для возобновления
передачи данных – команду XON. Временная диаграмма протокола приведена на рис. 2.4.
Протокол передачи данных по сигналу «Готовность» (DTR) работает
в режимах побайтовой и поблочной передачи данных. В некоторых принтерах (например в NR-15) при использовании этого протокола вводится
дополнительный сигнал RCH, значение которого полностью совпадает с
сигналом DRT. В побайтовом режиме, если установлен сигнал DTR (и
RCH), компьютер посылает байт данных в принтер. После приема байта
данных принтер снимает сигнал RCH (и DTR). Устройство (принтер) снова устанавливает этот сигнал, когда оно готово к приему данных, если в
буфере принтера есть свободное место. Временная диаграмма протокола
приведена на рис. 2.5,а.
В поблочном режиме компьютер посылает данные до тех пор, пока
установлен сигнал DTR (и RCH). Временная диаграмма этого режима приведена на рис. 2.6,б.
По протоколу передачи данных по запросу (ACK) принтер посылает
по цепи TxD (103) управляющий код ACK (код 6). Устройство готово к
приему данных, если сигнал DTR (108.2) установлен; если буфер полон
или устройство не может принимать данные, то сигнал DTR (108.2) сбрасывается. Временная диаграмма аналогична предыдущему режиму (рис.
2.6).
Электрические параметры и физическая реализация интерфейсов RS232 и Стык С2:
- общее сопротивление нагрузки по постоянному току – 3 – 7 кОм;
- уровни сигналов MARK =-12 – 3 В, SPACE = 3 – 12 В;
- диапазон напряжений от +3 до –3 В является переходной зоной, в
которой уровень сигнала становится неопределенным.
- для всех цепей время прохождения переходной зоны при изменении состояния не должно превышать 1 с;
- максимальная длина кабеля ограничивается в основном допустимыми искажениями сигналов на приемном конце, воздействием
помех и разностью потенциалов заземленных точек приемника и
передатчика.
Интерфейс ИРПРС является последовательным радиальным и используется для подключения устройств с последовательной передачей
данных. При этом он обеспечивает единые способы обмена информацией
для различных периферийных устройств (стартстопных, с буфером или
без буфера). Назначение цепей нтерфейса приведено в таблице 2.5.
119
Таблица 2.5
Номер
Наименование цепи
цепи
1
Передаваемые данные
Прин
2 П Принимаемые данные
3
4
Готовность приемника (необязательная цепь)
Общая цепь (земля)
Обозначение
ПД+
ПДПрД+
ПрДГП+
ГП-
Направление
передачи
ИП
ИП
ПИ
ПИ
ПИ
ПИ
Как видно из таблицы 2.5, интерфейс ИРПРС является четырехпроводным дуплексным интерфейсом (обеспечивает одновременную передачу в 2-х направлениях.
120
121
Название "токовая петля" интерфейс получил в связи с тем, что передача осуществляется постоянным током. Цепь 1 предназначена для передачи информации от источника в приемник, цепь 2 (если есть соединение) соединена с цепью 1 в источнике. Если источник предназначен только для передачи (случай типичный для принтеров), то цепь 2 остается
разомкнутой. В этом случае схема соединения источника с приемником
имеет вид, приведенный на рис.2.8.
На рис.2.8 ключ (К), обеспечивающий посылку тока в линию связи,
Е- источник ЭДС, R - нагрузка (входное сопротивление источника).
В том случае, если необязательная цепь готовности используется, то
ее состояние "1" указывает на готовность приемника, "0" - на неготовность приемника принимать данные.
Формат передаваемых данных и протоколы передачи данных те же,
что и в интерфейсе RS-232. Рекомендуемый формат передаваемого пакета: число стартовых бит - 1, разрядность данных - 8 бит.
Физическая реализация "токовой петли" предусматривает, чтобы
электропитание при активном режиме работы передатчика осуществлялось передатчиком (на схеме рис.2.8 источником).
Напряжение на выходных зажимах активных цепей должно быть не более
25 вольт. Уровни логических "1" и "0" равны:
- при токовой петле 40 mA: MARK от 30 до 50 mA;
SPACE от 0 до 5 mA;
- при токовой петле 20 mA: MARK от 15 до 25 mA;
SPACE от 0 до 3 mA.
Падение напряжения, измеренные на контактах приемника в состоянии MARK в цепи, должно быть меньше 2,5 вольт.
Кодовые таблицы принтеров. В системах обработки данных внутреннее (внутримашинное) представление символов и других знаков, выводимых на печать, основано на определенной системе кодирования - кодовой таблице. В зарубежных ЭВМ и принтерах широко используется кодовая таблица ASCII (American Standard Code for Information Interchange Американский стандарт кодов для обмена информацией). Стандарт ASCII
регламентирует только коды от 0 до 7F (0 - 127 ), которые занимают левую половину таблицы. Вторая (правая) половина таблицы предназначена
для символов национальных алфавитов, псевдографики и других специальных символов. Таблица ASCII приведена на рис.2.7.
В таблицу ASCII (в ее правую половину) внесены символы русского
алфавита (кириллицы), поэтому эта таблица одновременно соответствует
таблице КОИ-8 (новый вариант), которая используется в отечественных
ЭВМ и принтерах. Вертикальные колонки 8 и 9 соответствуют колонкам 0
и 1 левой половины таблицы. В этих колонках указаны управляющие
символы (в русской интерпретации). Цифры и специальные знаки русского алфавита соответствуют аналогичным цифрам и специальным знакам
левой половины таблицы (колонки 2 и 3).
122
Рассмотрим, как пользоваться (при необходимости) таблицей ASCII
или КОИ-8 для определения двоичного кода каждого элемента таблицы.
Выше было отмечено, что внутреннее представление символа байт. Первый полубайт (старший) представляет собой номер колонки
таблицы, а второй
123
124
(младший) - номер строки таблицы. Поэтому для определения кода любого символа достаточно перевести в двоичный код шестнадцатеричные номера колонки и строки, на пересечении которых находится интересующий нас символ (см. таблицу ниже).
Символ
Цифра “0”
Цифра “4”
Знак “=“
Латинская буква “G”
Русская буква “И”
Служебный символ “ESC”
16-ричное
31
34
3D
47
B7
1B
2-ичное
0011 0001
0011 0100
0011 1101
0100 0111
1011 0111
0001 1011
Кроме рассмотренной выше таблицы ASCII - КОИ-8 существуют
другие кодовые таблицы, построенные на основе стандарта ASCII. Их
называют расширением ASCII (или расширенным ASCII). Среди расширений ASCII наиболее распространены следующие:
- Кодовая таблица фирмы IBM - MATHII,
- Кодовая таблица фирмы IBM - MATRIX,
- Кодовая таблица фирмы EPSON,
- Основная кодовая таблица (Россия),
- Альтернативная кодовая таблица (Россия),
- Кодовая таблица MIC (Болгария),
- Кодовая таблица КОИ-8 (Новая редакция),
- Кодовая таблица КОИ-8 (Старая редакция) и ряд других.
Эти таблицы отличаются, в основном, различными вариантами использования правой половины кодовой таблицы ASCII, в которую включаются различные варианты начертания символов, символы псевдографики. Основа же ASCII в указанных таблицах остается неизменной. В связи
с достаточно большим многообразием вариантов кодовых таблиц следует
отметить, что, выбирая принтер, необходимо обращать внимание на кодовую таблицу, используемую в данном устройстве. Она должна совпадать с
кодовой таблицей компьютера, к которому принтер должен подключаться. В противном случае необходимо предусмотреть меры для обеспечения
совместимости ПЭВМ и принтера по кодовым таблицам.
125
3. СПОСОБЫ ЗНАКОГЕНЕРАЦИИ
В ЗНАКОСИНТЕЗИРУЮЩИХ ПРИНТЕРАХ
В современных матричных (знакосинтезирующих) принтерах как
ударных, так и безударных формирование знака (символа) осуществляется
с помощью отдельных точек, которые создают зрительный образ символа
на бумажном носителе.
Набор символов, имеющий принципиально отличное начертание, принято называть шрифтом. Этот шрифт не может быть получен
путем алгоритмического преобразования какого-либо другого шрифта и описывается отдельным знакогенератором.
Разнообразные алгоритмические преобразования шрифта принято называть производными этого шрифта или режимами печати.
Слова "производный" и "режим печати" далее в тексте могут быть опущены. Например, двойной удар – это режим печати с двойным ударом.
Знакогенератор (ЗГ) представляет собой набор данных, содержащих совокупность нулей и единиц, записанных в определенном порядке, так что
каждому символу соответствует свой набор битов. Для проектирования ЗГ
используется сетка, на которой описываются входящие в него символы.
Чем подробнее сетка для описания символа, тем выше качество полученного на бумаге изображения символа. Это объясняется тем, что высота и
ширина символа являются постоянными величинами и не зависят от размера используемой для описания символа сетки. Это означает, что при
подробной сетке расстояние между центрами соседних по вертикали и горизонтали точками уменьшаются. Уменьшение этого расстояния в ударных устройствах обеспечивается повторным проходом по каждой из строк,
причем каждый следующий проход сопровождается перемещением бумаги на расстояние меньшее, чем расстояние между центрами печатающих
стержней (оно равно нескольким шагам двигателя привода бумаги).
Увеличение плотности печати по горизонтали обеспечивается снижением скорости движения печатающей головки. За счёт более плотной
постановки точек изображение символа на бумаге получается лучшего
качества. На изображении символа, построенном с помощью подобных сеток, практически не заметно, что символ сформирован из отдельных точек.
На рис.3.1,а приведено изображение символа «Н» на сетке 12 х 9 Каждой
точке на сетке соответствует логическая «1» в соответствующем элементе знакогенератора, отсутствие точки – логический «0». В зависимости от
внешнего вида изображения символа на бумаге выделяются три степени
качества печати:
- черновая печать (Draft – печать невысокого качества);
- качественная печать (NLQ – печать, близкая к пишущей машинке)
- высококачественная печать (LQ - печать, близкая к типографской).
На рис.3.1,а символ «Н» представлен на сетке чернового (Draft) качества. Следует заметить, что в принтерах с лазерным и струйным принципами печати методика получения символов различного качества другая. В
устройствах такого типа самая подробная из доступных сеток (c максимально допустимым разрешением) является основной. При использовании
сеток с более грубым делением при печати образуются символы с меньшей детализацией. В этом режиме печати применяются не все допустимые для печати вертикальные и горизонтальные точки. При этом в без-
126
ударных принтерах не изменяется высокая скорость печати, однако экономится тонер или чернила.
127
Структура ЗГ на базе ПЗУ представлена на рис.3.1,б. В такой структуре на матричное изображение символа отводится определённое количество двоичных ячеек памяти. Весь алфавит принтера заносится в память
("зашивается"). Код символа, выводящегося на печать (ASCII), является
своего рода адресом той зоны памяти, в которой хранится матричное
изображение символа. Считывание кодов, состоящих из единиц и нулей
(например по колонкам), и подача этих кодов на исполнительный механизм принтера приводит к появлению символа на бумаге. Так, например,
при печати буквы А (см. рис.3.1,б) последовательно считываются коды:
0001111, 0010100, 0100100, 1000100, 1111111, что соответствует пяти
вертикальным колонкам матрицы буквы А. Каждая двоичная единица
("1") управляет соответствующим печатающим стержнем (иглой) печатающей головки. Для печати различного качества в одном принтере часто
используют несколько ЗГ с сетками различного разрешения. Переход от
одного ЗГ к другому осуществляется с помощью управляющих команд
или органов управления на пульте принтера.
Для изображения символов различного качества используются сетки
размером 9 х 12, 18 х 18, 18 х 24 и другие. Каждому ЗГ соответствует по
крайней мере один шрифт. Для того, чтобы увеличить количество вариантов оформления текста, используются программные преобразования содержимого ЗГ, а именно различные режимы печати: черновой, пропорциональный, курсив, индексы, двойной высоты, с линиями подчёркивания и надчёркивания, расширенный, фазовый, с двойным ударом и т.д. Кроме алгоритмических преобразований используются временные преобразования содержимого ЗГ, что ещё более увеличивает разнообразие видов шрифтов.
Знакогенераторы матричных принтеров могут быть двух типов встроенными и загружаемыми.
Встроенным знакогенератором (ВЗГ) называется такой ЗГ, который размещается в ПЗУ, его содержимое не может изменяться иначе, как
заменой всего ПЗУ с новым содержимым.
Загружаемым знакогенератором (ЗЗГ) называется такой ЗГ, содержимое которого задаётся пользователем с помощью управляющей
команды загрузки ЗГ. Он (ЗГ) размещается в памяти принтера, а его содержимое может изменяться как целиком, так и произвольными частями. Чаще всего в ударных матричных принтерах имеется от 3 до 7 ВЗГ и
один-два ЗЗГ.
Кроме того, существуют внешние источники шрифтов. В этом случае используются ЗГ, принадлежащие источнику информации – компьютеру, а
на принтер текст выводится в графическом режиме.
Встроенные знакогенераторы. Знакогенераторы встроенного типа
могут быть трёх разновидностей в зависимости от места их положения:
размещённые в ПЗУ принтера, на кассете или на дискете.
ВЗГ первого типа размещены в отведённой для их хранения области
постоянной памяти принтера. Набор ВЗГ описывает множество основных
шрифтов всех видов качества печати, поддерживаемых устройством.
Основным ВЗГ в ударном принтере является ЗГ чернового шрифта
(Draft). Им снабжаются все принтеры. Скорость вывода текста в черновом
режиме самая высокая из всех возможных за счёт небольшого размера
сетки для представления символа.
128
ЗГ этого режима предоставляют несколько разновидностей чернового шрифта прямых символов, часто курсивных, а иногда и отдельный
шрифт для индексов.
Разновидность ВЗГ – знакогенераторы режима качественной печати.
В принтерах имеется от одного (FX-80 фирмы EPSON) до восьми (FR-10
фирмы STAR) различных ВЗГ качественных символов.
Второй тип ВЗГ - дополнительные ("кассетные"). Они подключаются к
принтеру извне. Можно подключать несколько "кассетных" ЗГ по очереди, получая большое разнообразие шрифтов.
Третий тип ВЗГ - это ЗГ, хранящиеся на жёстком диске, находящемся в составе принтера. Обращение к ним происходит по команде от
источника информации или с панели оператора. Знакогенераторы этого
типа и "кассетные" содержат обычно шрифты высокого качества печати,
так как для их размещения необходим большой объём памяти (у принтера
P3400PS фирмы Аgfa Compugraphik жёсткий диск объёмом 20 Мбайт
используется для хранения ЗГ).
Загружаемые знакогенераторы. Возможность загрузки ЗГ имеется не у всех принтеров, а число символов в загружаемом ЗГ зависит от
конкретного типа принтера.
Размер сетки, на которой представляется
символ, жёстко связан с форматом команды определения символов, а,
следовательно, качество печати определяется типом загружаемого ЗГ,
что ограничивает видовое разнообразие этих шрифтов. Количество символов, которые могут загружаться в ЗГ не постоянно, а зависит от принтера, поэтому при использовании загружаемых ЗГ следует обратить внимание на конкретную реализацию ЗЗГ. Если пользователь пытается загрузить
большее число символов, чем предусмотрено, то обычно "лишние" символы игнорируются.
Основное отличие символов из ЗЗГ от символов встроенных (с точки зрения пользователя) состоит в том, что на загружаемые символы не
распространяется действие ряда управляющих команд.
Загружаемые
символы могут быть как для черновой, так и для качественной печати.
Процесс загрузки заранее подготовленного набора данных в ЗЗГ можно
выполнить с помощью управляющей команды.
Внутренние преобразования знакогенераторов. В целях экономии памяти в принтере хранится основной набор ЗГ, производные шрифты формируются путём их программного и временного преобразований.
Способы преобразований весьма разнообразны. В таблице 3.1 приведены
допустимые варианты преобразования шрифтов.
Таблица 3.1
Встроенный черновой
Встроенный качественный
Загружаемый черновой
Загружаемый качественный
Кассетные качественные
1
+
+
+
+
+
2
+
+
+
+
+
3
+
+
+
+
+
4
+
+
+
+
+
5
+

+


6
+
+
+
+
+
7
+
+
+
+
+
8

+

+
+
9
+




10
+
+
+
+
+
129
Примечание: 1- Уплотнённый, 2- Элит, 3- Фазовый, 4- С линией
подчёркивания, 5- С двойным ударом, 6 - Расширенный, 7 - Двойная
высота, 8 - Курсив, 9 - Индексы, 10 - Пропорциональный.
Алгоритмы преобразований могут применяться последовательно
друг за другом, позволяя получить из нескольких встроенных ЗГ порядка
100 различных шрифтов.
Поскольку алгоритмы преобразований зависят от качества печати,
то они ниже рассматриваются отдельно для черновой и качественной печати.
Шрифты чернового качества. Пропорциональный режим печати
характеризуется тем, что каждый символ имеет свою ширину в отличие от
непропорционального режима печати, где символы имеют равную ширину (например, символы "i" и "w", "ш" и "."). Текст, выведенный в пропорциональном режиме, имеет приятный внешний вид и в среднем занимает меньше места. Для организации печати в пропорциональном режиме
в ЗГ для символов пайка хранится дополнительная информация о ширине
всех символов.
Элит характеризуется более узкими символами, чем пайка. Он может быть получен за один проход печатающей головки путём изменения
интервала времени, проходящего между двумя последовательными ударами иголок, что приводит к изменению горизонтальной плотности печати (пайка - 10 символов на дюйм, элит - 12 символов на дюйм).
Уплотнённый шрифт отличается шириной символа (горизонтальная плотность - 17 символов на дюйм). Уплотнённый режим печати
удобен в том случае, когда необходимо разместить большое количество
символов в одной строке. Существуют два основных способа уплотнённой
печати: один с алгоритмическим, а другой - с временным преобразованием. На рис.3.2 приведено преобразование символа в уплотнённый вид.
Причём исходный символ (слева) может быть различным (пропорциональным, пайка, элит и т.д.). Из исходного 8-колонного символа в результате логических преобразований получается 4-колонный. При подробной
сетке исходного символа такой алгоритм не сильно ухудшает удобочитаемость текста, но если его использовать на грубой сетке матричного
принтера, то внешний вид символов будет плохим. Это связано с необходимостью исключения соседних по горизонтали точек при движении
головки на номинальной скорости.
Можно реализовать и другой алгоритм (принтер ЕС 7245). Колонки символа считываются непосредственно из основного ЗГ, а движение печатающей головки выполняется с половинной скоростью. Использование такого алгоритма даёт более чёткий внешний вид скорость печати уменьшается в 2 раза.
Расширенный шрифт образуется из исходного (основного) путём
увеличения последнего в 2 раза с помощью алгоритмического преобразования (горизонтальная плотность - 5 символов на дюйм). Из исходного
символа, содержащего "n" колонок, получается символ из "2n" колонок.
На рис.3.3 приведён пример такого алгоритмического преобразования.
Фазовый шрифт получается из исходного с помощью алгоритмического преобразования. Каждая точка печатается дважды, при этом вторая
точка немного смещена вправо по отношению к первой. На рис.3.4 приве-
130
дён пример преобразования исходного символа в так называемый фазовый.
Двойной удар. В этом режиме каждая точка печатается дважды,
причём вторая точка смещена вниз на один шаг шагового двигателя привода бумаги. Этот алгоритм даёт чёткое, качественное изображение символов. Время печати строки увеличивается в 2 раза. Этот режим часто
применяют вместо режима качественной печати использо-
131
132
вание которого понижает скорость печати обычно в 4-5 раз. На рис.3.5
показан процесс получения символа с двойным ударом (на рисунке приведён снизу от исходного).
Двойная высота. Алгоритм формирования символа двойной высоты
заключается в следующем: каждый i-й бит исходной вертикали переходит в (2i-1)-й и в 2i-й биты символа двойной высоты. При простом удваивании каждой точки в режиме черновой печати в связи с малой плотностью символов может возникнуть утолщение горизонтальных линий.
Чтобы предотвратить эту ситуацию, при печати текущей колонки учитывается предыдущая. Если в текущей колонке в i-й позиции содержится
точка, не имеющая "соседей" по вертикали, и в предыдущей была такая
же точка, то i-я точка в текущей колонке не удваивается. Использование
такого алгоритма даёт возможность формировать символы двойной высоты в черновом режиме (см. рис.3.5 справа).
Индексы формируются, как правило, как символы половинной ширины и половинной высоты. Алгоритм половинной ширины аналогичен
уплотнённому шрифту, а половинная высота выполняется аппаратно объединением двух соседних по вертикали точек символа. Такой алгоритм
реализован в принтере DeskJet фирмы Hewlett Packard.
С линией подчёркивания все символы выводятся с подчёркиванием
за счёт работы 9-й иголки печатающей головки.
Шрифты режима качественной печати. В этом режиме реализация
некоторых рассмотренных выше преобразований (уплотнённый, элит и
др.) зависит от возможностей конкретного принтера. Это связано с высокой горизонтальной и вертикальной плотностями печати символов. Некоторые принтеры, однако, не позволяют осуществлять ещё более плотную печать. Зато при таком типе печати возможна алгоритмическая реализация курсива.
Курсив. Пусть символ описывается координатами “j” по горизонтали и “i” по вертикали. Для каждого прохода печатающей головки индекс “i” изменяется от 1 до 9, а индекс “j” от 1 до 12. Каждая точка исходного символа с координатами (i, j) перемещается на место (i, 2j - 1) в
символе курсива. При таком алгоритме предыдущий символ может занимать часть места, отведённого для следующего символа. На рис. 3.6 схематично показано преобразование прямого символа в курсивный.
Получение других режимов печати - расширенного, пропорционального, фазового, с линией подчёркивания, двойной высоты - производится
аналогично черновому варианту (см. [3]).
133
4. ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПЕЧАТЬЮ
В печатающих устройствах ЭВМ первого, второго и частично третьего поколений программное управление печатью сводилось к элементарным операциям табулирования выходных данных, пропускам некоторого
количества строк при печати, пропуска страниц, сдвига строк и ряду других несложных операций. В принтерах старших поколений, в которых используется матричный принцип печати, встроенные микропроцессор и
память, появились широкие возможности программного управления процессом печати. Это относится к режиму печати (текстовый или графический), качеству печати (черновая или качественная ), типу используемых шрифтов, скорости печати и т.п. В связи с появлением таких возможностей были разработаны системы команд для управления печатью.
Появление различных систем команд привело к необходимости решать
вопросы о программной совместимости принтеров с ЭВМ.
Команды управления печатью можно группировать по ряду признаков: по их длине, функциональным возможностям и т.п. По длине команды можно разделить на две группы: однобайтовые и многобайтовые.
В свою очередь многобайтовые команды можно подразделить на двухбайтовые, трёхбайтовые и длинные. Длинные команды могут быть фиксированной и переменной длины. Команды по длине могут достигать
нескольких килобайт.
Однобайтовые команды состоят из единственного управляющего
кода (ASCII):
Перевод строки ПС или LF – 00001010 - 0A16 ;
Возврат каретки ВК или CR - 00001101 - 0D16 ;
Перевод формата ПФ или FF - 00001100 - ОС16 и т.д.
Двухбайтовые команды начинаются со специального кода (ESC
или 00011011), за которым следует дополнительная информация. Формат
команды имеет вид: ESC  n. Примеры двухбайтовых команд:
- выбор шага печати элит: ESC M или 1B4D;
- выбор режима печати курсивом: ESC 4 или 1B04.
Трёхбайтовые команды имеют формат: ESC n1n2. Примеры
трёхбайтовых команд:
- выбор половинной скорости печати: ESC U 1 или 1B 55 1;
- включение печати символов двойной высоты.
Длинные команды имеют формат: ESC n1n2 n3 . . . nm.
Пример 14-байтовой команды - вывод графики двойной плотности:
ESC Y 0 5 48 47 46 45 44.
Длинные команды переменной длины связаны, в основном, с установкой позиции табуляции, программированием загружаемых знакогенераторов, выводом графических образов. Эти команды могут содержать от
4-х байтов до нескольких килобайт.
По функциональному назначению команды можно разделить на следующие 7 групп:
1. Команды управления режимами печати. Эти команды предназначены
для оформления текста и выделения отдельных частей текста. Это достигается различными способами: изменением плотности печати, преобразованием внешнего вида символов (двойной удар, курсив, подчёркивание,
индексы, смена шрифтов).
134
2. Команды перемещения бумаги и управление плотностью печати.
Эти команды выполняют непосредственное перемещение бумаги, изменяют межстрочный интервал, работают с форматом страницы.
3. Команды форматирования текста. Эти команды позволяют расположить текст на странице желательным образом.
4. Команды управления вводом данных. С помощью этих команд можно модифицировать данные уже находящиеся в устройстве: удалять часть
информации, управлять старшим битом данных (для работы с 7-битовыми
данными), временно запрещать приём данных.
5. Команды определения набора символов. Команды этой группы позволяют использовать дополнительные наборы символов. В устройстве
имеется фиксированный набор символов, представленный кодовой таблицей. Существуют символы, недоступные пользователю непосредственно (они размещены в области управляющих кодов). Кроме того, пользователь может описать свои символы.
6. Команды печати графических изображений. Они позволяют выводить на принтер графические изображения с различной плотностью.
7. Команды, реализующие дополнительные и вспомогательные возможности.
Системы команд управления принтерами. В настоящее время для
знакосинтезирующих (матричных) принтеров (ударных и безударных)
широко распространены несколько систем команд управления печатью.
Ниже дан перечень наиболее распространённых управляющих команд и систем ведущих фирм-изготовителей принтеров - EPSON и IBM.
При этом в последней графе таблицы (стандарт) приведены ссылки на
фирму-изготовитель принтера, использующую данный стандарт и группу,
к которой относится команда в соответствии с изложенным выше:
E - стандарт ESC/PTM фирмы EPSON;
P - система команд IBM ProPrinter;
G - система команд графического принтера фирмы IBM.
Как видно из таблицы стандарты E, P и G в значительной степени
пересекаются. Полное описание систем команд приведено в 3.
Таблица 4.1 Команды фирм Epson и IBM
(цифра в третьем столбце указывает номер группы команд)
МнемоФункциональное назначение
Стандарт,
ника
команды
Группа
Звонок
E, G, P
7
BEL
Возврат на шаг
E, G, P
4
BS
Горизонтальная табуляция
E, G, P
3
HT
Перевод строки
E, P, G
2
LF
Вертикальная табуляция
E,G, P
3
VT
Перевод формата
E, G, P
2
FF
Возврат каретки
E, G, P
3
CR
Режим печати расширенными символами
E, G, P
1
SO
Режим печати уплотнёнными символами
E,P, G
1
SI
Выбор устройства
E,P,G
4
DC1
Отмена режима печати уплотнён. символами
E,P, G
1
DC2
Отмена
выбора
устройства
E,
G
4
DC3
135
DC4
CAN
DEL
ESC SO
ESC SI
ESC EM
ESC SP
ESC !
ESC #
ESC $
ESC %
ESC &
ESC *
ESC ESC /
ESC 0
ESC 1
ESC 2
ESC 2
ESC 3
ESC 4
ESC 4
ESC 5
ESC 5
ESC 6
ESC 6
ESC 7
ESC 7
ESC 8
ESC 9
ESC :
ESC :
ESC 
ESC =
ESC =
ESC 
ESC ?
ESC @
ESC A
ESC A
ESC B
ESC C
ESC C 0
ESC D
Отмена режима печати расширен. символами
Отмена текущей строки
Отмена последнего символа
Режим печати расширенными символами
Режим печати уплотнёнными символами
Режим работы с механизмом подачи листов
Устан. дополнит. межсимвольного расстояния
Выбор режимов печати
Отмена управления MSB
Установка абсолютной позиции точки
Выбор загружаемого набора символов
Определение загружаемых символов
Выбор режима графики
Выбор/отмена линии подчёркивания
Установка канала вертикальной табуляции
Выбор 1/8 дюйм. интервала между строками
Выбор 7/72 дюйм. интервала между строками
Выбор 1/6 дюйм. иртервала между строками
Устан. межстрочн. интервала, заданного командой
ESCA
Устан. межстрочн. инт. в n/216 дюйма
Выбор режима печати курсивом
Переход к началу текущего формата
Отмена режима печати курсивом
Выбор/отмена автоматической подачи строки
Разрешение печати кодов 128 10 - 159 10
Выбор набора символов 2
Запрещение печати кодов 128 10 - 159 10
Выбор набора символов 1
Игнорирование датчика конца бумаги
Разрешение опроса датчика конца бумаги
Копирование встроенного набора символов в загружаемый знакогенератор
Выбор шага печати элит
Выбор/отмена однонаправленного режима печати
на одну строку
Установка MSB = 0
Выбор загружаемого набора символов
Установка MSB = 1
Переназначение режима графики
Инициализация устройства
Установка межстрочн. интервала в n/72 дюйма
Установка межстрочн. интервала с шагом , равным
n/72 дюйма для команды ESC 2
Установка позиций вертикальной табуляции
Установка длины страницы в строках
Установка длины страницы в дюймах
Установка позиций горизонтальной табуляции
E, P, G
E, P, G
E,P, G
E,P, G
E, P, G
E
E
E, G
E, G
E, G
E, G
E, G
E, G, P
E, G, P
E, G
E, P, G
E, P, G
E, G
P
1
4
4
1
1
7
3
1
4
3
5
5
6
1
3
2
2
2
2
E, P, G
E, G
P
E, G
P
E, G
P
E, G
P
E, G
E, G
E, G
2
1
2
1
2
5
P
E, G
1
7
E, G
P
E, G
E, G
E,G
E, G
P
4
5
4
6
7
2
2
E,P,G
E,P,G
E, P, G
E, P, G
3
2
2
3
5
5
5
7
7
5
136
ESC E
ESC F
ESC G
ESC H
ESC I
ESC I
ESC J
ESC K
ESC L
ESC M
ESC N
ESC O
ESC P
ESC P
ESC Q
ESC Q
ESC R
ESC R
ESC S
ESC T
ESC U
ESC V
ESC W
ESC X
ESC Y
ESC Z
ESC @
ESC \
ESC g
ESC \
ESC \
ESC ^
ESC ^
ESC_
ESC a
ESC b
ESC e
ESC f
ESC g
ESC i
ESC j
ESC j
ESC k
ESC 1
ESC p
Выбор режима фазовой печати
Отмена режима фазовой печати
Выбор режима печати с двойным ударом
Отмена режима печати с двойным ударом
Разрешение печати кодов 010 - 3110
Выбор массива ЗГ и режимов печати
Подача бумаги в прямом направлении
Выбор режима печати одинарной плотности
Выбор режима печати двойной плотности
Выбор шага печати элит
Установка пропуска по перфорации
Отмена пропуска по перфорации
Выбор шага печати пайка
Выбор/отмена режима пропорциональн. печати
Установка правого поля
Отмена выбора устройства
Выбор набора национальных символов
Отмена позиций горизонтальной табуляции
Выбор режима печати индексов
Отмена режима печати индексов
Выбор/отмена однонаправлен.режима печати
Повтор группы данных
Выбор/отмена режима печати расшир. символ.
Установка правого и левого полей
Выбор режима графики двойной плотности с высокой скоростью
Выбор режима графики 4-х кратной плотности
Выбор режима печати символов с двойной высотой
Установка вертикальных базовых единиц
Графика
Установка относительной позиции печати
Выбор символов из полной таблицы
Выбор режима 9-битовой графики
Выбор символа из полной таблицы
Выбор/отмена печати с линией надчёркивания
Выравнивание текста
Установка вертик. табуляции в каналах VFU
Установка позиций относительной табуляции
Установка позиции печати
Выбор шага печати «полууплотнённый»
Выбор режима немедленной печати
Подача бумаги в обратном направлении
Останов печати
Выбор шрифта
Установка левого поля
Выбор режима пропорциональной печати
E, P, G
E, P, G
E, P, G
E, P, G
E, G
P
E, P, G
E, P, G
E, P, G
E, G
E ,G, P
E, G, P
E, G
P
E, G
P
E, G
P
E, P, G
E, G, P
E, G, P
E
E, P, G
P
E, P, G
1
1
1
1
5
5
2
6
6
1
2
2
1
1
3
4
5
3
1
1
7
4
1
3
6
E, P, G
P
6
1
P
P
E, G
P
E,G
P
P
E, G
E, G
E, G
E, G
E
E, G
E, G
P
E
Е,G
E, G
2
6
3
5
6
5
1
3
3
3
3
1
7
2
7
1
3
1
137
Выбор цвета
E
Выбор/отмена режима печати с низкой скоростью E, G
Выбор кодовой таблицы символов
E
Выбор/ отмена режима печати символов с двойной E
высотой
Выбор режима качественной печати
E, G
ESC x
Примечание: Примеры использования приведённых выше команд
рассмотрены в  3
ESC r
ESC s
ESC t
ESC w
7
7
5
1
1
Описание языка PCL (Hewlett Packard Printer Communication Language)
Язык PCL имеет несколько групп операторов. Каждый оператор содержит код оператора и параметры. Код оператора должен обязательно
начинаться символом Esc (1BH). После кода оператора следуют параметры  в квадратных скобках приводятся 16-ричное представление
оператора. В таблице 4.2 приводится описание версии PCL-5 для принтера LaserJet II.
Таблица 4.2 Команды фирмы Hewlett Packard
(В таблице приводится сокращённый вариант языка PCL)
Операторы управления принтером
Оператор
Esc E
1B 45
Esc&1#X
1B 26 6C#...#58
Esc&1#U
1B 26 6C #...#55
Название и толкование оператора
Инициализация принтера. Установка параметров
принтера, принятых по умолчанию.
Количество копий. Вместо символа # указывается количество копий ( 1 - 99)
Альбомная ориентация листа печати. Выводимое на
печать изображение поворачивается так, чтобы ось X
располагалась по вертикали (вдоль бумаги).Вместо символа # указывается количество пунктов (1/720 дюйма) ,
на которое нужно сместить выводимое на печать изображение.
Книжная ориентация листа печати. Выводимое на
Esc&1#Z
1B 26 6C#...#5A печать изображение поворачивается так, чтобы ось Y
располагалась по вертикали. Вместо символа # указывается количество пунктов (1/720 дюйма), на которое
нужно сместить выводимое на печать изображение.
Пропуск половины строки. Выполняется пропуск поEsc=
ловины строки.
1B 3D 
Esc&f#S
Установка/отмена режима изменения текущей позиции вывода. Установка #=1, отмена #=0.
1B 26 66 # 53
Операторы выбора шрифта
Esc(##
1B 28 ##
Установка шрифта. Параметр ## может принимать одно
из значений, приведённых ниже:
138
Esc(s#P
1B 28 73 # ...#50
Esc(s#H
1B 28 73 #...#
Esc&k#S
1B 26 6B # ...#53
Esc(s#V
1B 28 73 # ...# 56
Esc(s#S
1B 28 73 # ...# 53
Esc(s#B
1B 28 73 # ...# 42
Esc(s#T
1B 28 73 # ...# 54
Esc(3@
1B 28 33 40
Esc&p#Xданные
1B 26 70 # ...# 58
0D - ISO 60: норвежский 1 ; 1E - ISO 4: английский
1F - ISO 69: французский; 1D - ISO 21: немецкий;
0L - ISO 15: итальянский; 0N - ECMA94: латинский;
0S - ISO 11: шведский;
2S - ISO 17: испанский;
0U - ISO 6: ASCII;
8U - HP Roman 8;
10U - PC 8;
12U - PC 850.
Расстояние между символами. При # = 0 фиксированное
расстояние, при # = 1 расстояние зависит от шрифта.
Плотность символов. Параметром # задаётся количество
символов на дюйм.
Ширина символов. Устанавливает ширину символов.
Параметр # может принимать следующие значения:
Код:
0
2
4
Ширина : 10,0
Сжатый (16,5) Elite (12,0) .
Высота символов. Параметром # задаётся высота символов в пунктах.
Наклон символов. Параметр # задаёт наклон символов:
# = 0 - нормальный шрифт, # = 1 - курсив.
Вид линий основного шрифта. Параметр # принимает
одно из значений:
- 7 - сверхтонкие; - 6 - особо тонкие; - 5 - тонкие;
- 4 - особо светлые; - 3 - светлые; - 2 - светлые (коэфф. 3/
4); - 1 - полусветлые; 0 - нормальные; 1 - полужирные; 2
- жирные (коэфф. 3/4); 3 - жирные; 4 - особо жирные; 5 чёрные; 6- особо черные; 7 - сверхчёрные.
Тип шрифта. Гарнитура шрифта определяется параметром # : 0 - Lineprinter; 1 - Pica; 2 - Elite; 3 - Соurier; 4 Helvetica; 5 - Times Roman; 6 - Gothic; 7 - Script; 8 Prestige.
Устанавливается основной шрифт. Дополнительный
шрифт определяется оператором Esc)@ 1B 29 33 40
Передача прозрачных данных. В поле данные задаётся
последовательность любых символов для печати. Их количество задаётся параметром #.
Операторы управления загрузкой шрифтов
Esc*c#D
1B 2A 63 # ...#
44
Esc*c#F
1B 2A 63 # ...# 46
Назначение идентификационного номера для шрифта. Параметр # указывает номер шрифта в пределах
0 - 32767
Управление загрузкой шрифтов. Параметр # содержит один из следующих кодов:
0 - Удалить из памяти принтера все шрифты;
1 -Удалить из памяти принтера все временные
шрифты;
2 - Удалить из памяти принтера шрифт с идентификационным номером, который задан последним;
139
Esc(#X
1B 28 #...# 58
3 - Удалить из памяти принтера символ, введённый последним;
4 - Назначить временный шрифт;
5 - Назначить постоянный шрифт;
6- Текущий шрифт назначить/скопировать в качестве
временного.
Параметр оператора содержит номер шрифта, который
определяется как основной. Оператором следующего
формата назначается вспомогательный шрифт: Esc)X
1B 29# ...# 58
Операторы определения новых загружаемых шрифтов
Определение имени шрифта. Параметр # задаёт длиEsc)s#W данные
1B2973#...#57данные ну имени шрифта. За оператором следуют “n” байт с
именем шрифта.
Код символа. Параметр # задаёт код ASCII, назначаеEsc*c#E
мый для следующего символа.
1B 2A 63 #...# 45
Загрузка символа в память принтера. Параметр #
Esc(s#Wданные
1B2873#...#57 дан- задаёт длину следующего описания символа. За оператором следует “n” байт с описанием символа.
ные
Графические операторы
В этой группе содержатся операторы для вывода графических
изображений в растровом или векторном формате (используется язык
HPGL-2)
Esc%0B
1B 25 30 42
Режим HPGL-2. Устанавливает, что используется последняя достигнутая в HPGL-2 режиме позиция пера. Команда
Esc%1B 1B 25 31 42 указывает, что вывод графического
изображения должен начинаться с текущей PCL-позиции
вывода.
Esc*c#K
1B
2A63#...#4B
Толщина штриха HPGL-2. С помощью параметра #
устанавливается толщина штриха в дюймах.
Esc*c#L
1B
2A
#...#4C
Длина штриха HPGL-2. С помощью параметра # уста63 навливается длина штриха в дюймах.
Esc*c0T
Задание точки в графической области в качестве нача1B 2a 63 30 54 ла координат. Текущая позиция устанавливается в качестве начала координат при относительном задании координат.
Esc*c#X
1B
Ширина графической области. Параметр # ширину об2A ласти для вывода графики в десятых долях пункта.
140
63#...#58
Esc*c#Y
1B
2A
#...#59
Высота графической области. Задаётся аналогично
63 предыдущей команде.
Разрешающая способность для растрового рисунка. ЗаEsc*(###R
1B 2A 74#...# даёт разрешение при выводе растрового рисунка. Параметр # может принимать следующие значения:
52
Код (H):
37 35
31 30 30
31 35 30
33 30 30
Разрешение:
75
100
150
300
(пункт./дюйм)
Представление растрового рисунка. Рисунок при вывоEsc*r0F
1B 2A 72 30 46 де поворачивается. Следующим оператором задаётся вывод рисунка без поворота: Esc*r3F.
Esc*r0A
1B 2A 72 30 41
Esc*r1A
1B 2A 72 31 41
Расположение растрового рисунка. В первом варианте
происходит установка левой границы графического изображения на левый край листа (отступ равен 0), во втором левая граница устанавливается в текущую позицию.
Уплотнение данных. В зависимости от значения пара62 метра # способ уплотнения может быть следующим:
Код:
0
1
2
3
Уплот- б/упл. Run Length
TIFFData Row
нение:
Enconding
кодировка
Конец растрового рисунка. Отмечает конец растрового
Esc*rB
рисунка.
1B 2A 72 42
Высота сетки растра. Параметр # задаёт количество
Esc*r#T
1B 2A 72 #... строк растровой сетки.
54
Ширина сетки. Параметр # задаёт количество столбцов
Esc*r#S
1B 2A 72 #...# (пикселей) в строке рисунка.
53
Esc*b#M
1B
2A
#...#4D
Литература:
1. Забара С.С., Савета Н.Н., Китнер Ф.Б. Внешние устройства
ЭВМ. - Киев.: Технiка , 1985 - 192 с., ил.
2. Зайцев В.Ф. Кодирование информации в ЕС ЭВМ.- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990.- 144 с., ил.
3. Печатающие устройства для персональных ЭВМ: Справочник/ Е.П. Бененсон, И.М. Витенберг, В.В.Мельников и др. : Под редакцией И. М. Витенберга.- М.: Радио и связь, 1992. - 208 с., ил.
4. Русак И.М., Луговский В.П. Технические средства ПЭВМ:
Справочник /Под ред. И.М. Русака. - Минск: Высш. шк ., 1996.- 504 с., ил.
5. Огородов Ю.В. Электронное учебное пособие «Устройства ввода
вывода графической информации» Сайт кафедры КСТ МИФИ
http://dozen.mephi.ru ,раздел «Студенту», подраздел «Учебные пособия».
141
Раздел 4 «Основы видеосистемы компьютера
Оглавление раздела
Раздел 4 «Основы видеосистемы компьютера .................................................... 1411
1.ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 142
2. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ И ПЛОСКИЕ ПАНЕЛИ ................... 145
4. РАСТРОВЫЙ ПРИНЦИП ВЫВОДА ИЗОБРАЖЕНИЙ И ТЕКСТА ..... 1533
4. УПРАВЛЕНИЕ ГРАДАЦИЯМИ ЯРКОСТИ И ЦВЕТОМ В ЭЛТИ LCD- ДИСПЛЕЯХ ................................................................................................ 156
5. ВИДЕОАДАПТЕРЫ И ВИДЕОМОНИТОРЫ ................................................ 160
6. РЕЖИМЫ РАБОТЫ РАСТРОВОГО ДИСПЛЕЯ ........................................ 165
6.1. ГРАФИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ......................................................................................... 165
6.2. ТЕКСТОВЫЙ РЕЖИМ ............................................................................................. 168
7. ВИДЕО BIOS И ВИДЕОСЕРВИС BIOS ............................................................ 171
8. ИНТЕРФЕЙСЫ ДИСПЛЕЕВ…………………………………………………..172
142
1.ВВЕДЕНИЕ
Персональный компьютер (ПЭВМ) стал весьма популярным устройством благодаря интерактивному способу его взаимодействия с пользователем. Интерактивность подразумевает наличие устройств оперативного
ввода и вывода информации. Основной поток выходной информации – визуальный, причём информация представляется как в виде текста, так и в
виде графики (схемы, диаграммы, рисунки и т.п.).
Среди устройств вывода информации различают пассивные и активные устройства. Пассивные устройства вывода визуальной информации представлены, в основном, принтерами и плоттерами.
Активные устройства подразумевают возможность изменение выводимой информации (текста и графики) без смены носителя.
В первые годы существования ПЭВМ её видеосистемой называли
средства вывода текста или графики на какой-либо экран. В качестве оконечного устройства видеосистемы чаще всего использовали (и продолжают использовать) мониторы с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ).
Устройства, позволяющие подключать монитор к шине ПЭВМ, называли
видеоадаптерами и подразделяли их на алфавитно-цифровые и графические. Последние, естественно, кроме графической позволяли выводить и
текстовую (символьную) информацию. Вся выводимая информация формировалась в результате действия и под управлением системных и прикладных программ.
По мере «взросления» ПЭВМ на неё стали взваливать и казавшуюся
ранее неподъёмной ношу воспроизведения и обработки движущихся телевизионных изображений – так называемого «живого видео». Возникла
необходимость корректировки терминологии.
Видеосистема современного компьютера состоит из обязательной
графической (формирующей изображение программно) и дополнительной подсистем обработки изображений. Обе эти составляющие обычно
используют общий монитор, а соответствующие аппаратные средства системного блока могут располагаться на раздельных картах раздельного
функционального назначения или объединяться на одном комбинированном адаптере, который можно назвать адаптером дисплея (Display Adapter).
Графический адаптер служит для программного формирования
графических и текстовых изображений и является промежуточным элементом между монитором и шиной компьютера. Изображение строится по
программе, исполняемой центральным процессором, в чём ему могут помогать графические акселераторы и сопроцессоры.
Существуют ряд типов адаптеров, которые будут рассмотрены ниже.
Изложенное выше позволяет трактовать видеосистему как программно-аппаратную структуру, обобщённая схема которой приведена на рис.
1.1. Эта структура с некоторыми добавлениями или исключениями применима практически к видеосистемам любой ПЭВМ, относящейся к классу
PC IBM или совместимым с ними. Видеосистема содержит следующие узлы.
Монитор – устройство, позволяющее отображать выводимую информацию на экране ЭЛТ или плоской ЖК-панели.
143
144
Интерфейс монитора – блок связи монитора с адаптером, формирует выходные сигналы соответствующего типа (R, G, B, Video).
Контроллер ЭЛТ (ЖК-панели) – устройство согласованного формирования сигналов сканирования видеопамяти (адреса и стробы чтения)
и сигналов вертикальной и горизонтальной синхронизации монитора
Видеопамять (VideoRAM) – специальная область памяти, из которой контроллер ЭЛТ организует циклическое чтение содержимого для вывода на экран и регенерации изображения. Структура видеопамяти будет
рассмотрена ниже.
Контроллер атрибутов (RAMDAC)–устройство, управляющее
трактов- кой цветовой информации, хранящейся в видеопамяти.
Внешний интерфейс – блок связи видеосистемы с одной из шин
компью- тера.
Графический процессор (контроллер) – устройство повышения
произво-дительности программного построения изображений, точнее их
образов, в видеопамяти (часто его называют акселератором).
Расширение BIOS – часть системной BIOS компьютера, осуществляю- щее видеосервис, который позволяет устанавливать и переключать
видеоре- жим, выполнять вывод символов и пикселей, очищать и прокручивать экран и другие функции.
Таким образом, применительно к PC IBM видеосистема представляет
собой совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих
вывод на экран текстовой и графической информации.
145
2. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ
И ПЛОСКИЕ ПАНЕЛИ
Одним из основных устройств видеосистемы является дисплей –
устройство отображения, являющееся оконечным устройством видеосистемы. Несколько упрощая, можно сказать, что дисплеем принято называть устройство, расположенное на системном блоке компьютера или рядом с ним на столе, которое и осуществляет визуализацию выводимых на
экран данных – текстовых и графических. Однако, элементы этого устройства могут быть размещены не только в самом устройстве, но и на системной плате компьютера. А если иметь в виду программное обеспечение,
осуществляющее подготовку и формирование выводимых данных, видео
BIOS и другие программные продукты, то понятие дисплея должно трактоваться более широко. Нисколько не сужая понятие дисплей, отметим что
дисплей может быть основан на различных физических принципах: здесь
применимы электронно-лучевые трубки, газоплазменные матрицы, жидкокристаллические индикаторы и другие приборы.
Наибольшее распространение получили дисплеи на электроннолучевых трубках. Конкурируют с ними (пока ещё проигрывая им по ряду
параметров и стоимости) дисплеи на жидкокристаллических панелях – так
называемые плоские дисплеи.
Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) представляет собой вакуумный
прибор с электромагнитной системой отклонения луча, которая характерна и для телевизионных, и для компьютерных мониторов.
Первые дисплеи на ЭЛТ появились ещё до персональных ЭВМ, и в них
кроме ЭЛТ с окружающими её схемами генераторов развёртки и видеоусилителей находились и узлы, формирующие изображение (чаще алфавитно-цифровое). Такие дисплеи применяются и сейчас как терминалы
многопользовательских машин (например, систем UNIX). В ПЭВМ узлы,
формирующие изображения, «переехали» в системный блок, в результате
дисплей, как оконечное устройство видеосистемы упростился и стал похож на монитор, применяемый в телевидении. Монитор содержит только
ЭЛТ с видео-усилителями сигналов яркости лучей, генераторы развёрток,
блок питания и схемы управления этими узлами.
Существенное влияние на технические характеристики дисплея в целом оказывает ЭЛТ, которая определяет характеристики эргономического
типа: разрешение, шаг луча по горизонтали, яркость, контрастность, утомляемость пользователя и др.
Схема, поясняющая конструкцию ЭЛТ на примере монохромного
дисплея приведена на рис. 2.1,а.
Схема, приведённая на рисунке иллюстрируют простейшую трубку,
которая уже не используется в современных дисплеях, но позволяет понять принцип действия ЭЛТ, без которого сложно понять работу дисплея
в целом. Схема трубки содержит:
1. Электронную «пушку» – источник электронов;
2. Управляющую сетку – электрод, осуществляющий модуляцию луча в трубке;
146
3.Фокусирующую систему;
4. Отклоняющую систему, управляющую отклонением луча по строке и кадру;
5. Анод – электрод, на который подаётся высокое напряжение (несколько киловольт), обеспечивающее движение электронов от пушки к
экрану трубки.
Внутренняя поверхность дна трубки покрыта специальным веществом – люминофором, частицы которого светятся, когда на них попадает
пучок электронов. При хорошей фокусировке луча светящийся люминофор обеспечивает высокую чёткость и разрешающую способность трубки.
Фактически определяет эти параметры генераторы развёрток (кадровой и
строчной).
На рис. 2.2,б приведена конструкция ЭЛТ с улучшенной фокусировкой фирмы Flatron (диагональ экрана 17 дюймов – 43 сантиметра). На рисунке цифрами помечены:
1. Плоский экран электронно-лучевой трубки;
2. Специальное цветное покрытие;
3. Защитное стекло;
4. Блок фокусировки;
5. Корпус трубки;
6. 0,24-мм щелевая маска;
7. Рамка ограждения.
В цветных мониторах люминофор неоднороден – имеется три типа
частиц в материале люминофора, каждая из которых при попадании на
неё электронов даёт свечение своим, так называемым базовым цветом –
красным, зелёным, синим (R,G,B). Соответственно, в трубке имеются три
электронных
147
148
пушки, каждая из которых «обстреливает» только «свои» частицы люминофора.
Электронные лучи всех трёх пушек синхронно сканируют экран.
Управляя интенсивностью каждого из электронных лучей (величина тока
луча) с помощью модуляторов, получают требуемый цвет изображения
каждой точки экрана. Таким образом, в трубке строится три изображения
– красное, зелёное и синее, которые, складываясь на экране, (аддитивная
модель цветности) дают цветное изображение. Существуют различные
технологии построения цветных ЭЛТ, различающихся типом модели
цветности, способом наведения лучей на «свои» частицы люминофора и
другими технологическими параметрами трубок.
Классической является ЭЛТ с теневой маской (Shadow Mask). Её
экран покрывается не сплошным и однородным слоем люминофора, а отдельными зёрнами-триадами, состоящими из трёх крупиц люминофора,
которые при попадании на них потока электронов светятся базовыми цветами R-красным, G-эелёным, B- синим. Интенсивность свечения определяется током луча, поэтому базовые цвета в точке экрана могут либо вообще отсутствовать, либо иметь разную интенсивность, что обеспечивает
более широкую цветовую гамму. Крупицы триад имеют строго фиксированное относительное расположение, а сами триады наносятся на внутреннюю поверхность дна ЭЛТ в виде равномерной матрицы. Крупицы
каждого цвета «обстреливаются» из отдельной пушки через теневую маску с отверстиями, расположенными в соответствии расположением зёрен
матрицы люминофора. Точность попадания лучей в свои крупицы обеспечиваются точностью изготовления трубки, параллельностью установки
теневой маски по отношению к экрану трубки и настройкой системы сведения лучей в мониторе. На рис.2.2,а приведена теневая маска и фрагмент
экрана трубки.
В трубках фирмы Trinitron применяются объединённая пушка с тремя лучами. В ней используется апертурная решётка (Apperture Grilles).
Люми- нофор нанесён на вертикальные нити (каждая нить своего «цвета»),
выстроенные частоколом. Вместо теневой маски используется решётка из
вертикально натянутых тонких струн (см. рис 2.2,б).
В ЭЛТ со щелевой маской (Slot Mask) вместо круглых отверстий
имеются вертикальные щели, а форма пятен цветного люминофора иная
(см. рис. 2.2,в).
Дисплеи на ЭЛТ имеют два неустранимых недостатка – большие габариты (объём) и большую потребляемую мощность. Это особенно важно
для портативных компьютеров (ноутбуков).
За последние несколько лет появился достаточно широкий спектр
так называемых плоских экранов (панелей), удовлетворяющих основным
требованиям, предъявляемым к дисплеям:
1. Хорошая «читаемость» изображений,
2. Высокая разрешающая способность,
3. Быстрая реакция на изменение изображения,
4. Низкое энергопотребление,
5. Малый вес,
6. Простое управление панелью,
7. Воспроизведение широкой цветовой гаммы.
149
150
В дисплеях с плоским экраном, получивших в литературе название
«плоский дисплей», используются различные физические принципы для
обеспечения свечения точек плоской панели. Различают следующие типы
дисплеев:
1. Дисплеи на жидкокристаллических (ЖК) панелях – LCD-дисплеи
(Liqu-id Crystall Display),
2. Газоплазменные панели (Gas Plasma),
3. Электролюминисцентные дисплеи (EL),
4. Светодиодные матрицы,
5. Дисплеи на светящихся полимерных полупроводниках (LEP).
Мониторы на ЖК-панелях (LCD-панелях) в настоящее время занимают более половины рынка для переносных компьютеров и значительную часть рынка для ПЭВМ настольного типа. LCD-панель работает с использованием принципа оптической поляризации отражённого или
проходящего света под действием электрического поля. На рис.2.3
приведена структура LCD-панели.
LCD-панель представляет собой «бутерброд», состоящий из 2-х стёкол с поляризационными решётками. ЖК-вещество, помещённое между
стёклами, способно изменять направление (вектор) поляризации проходящего света в зависимости от состояния молекул ЖК-вещества. При отсутствии электрического поля направление поляризации меняется на 90, а в
панелях, изготовленных по технологии STN (Super Twisted Nematic), поворот угла поляризации достигает 270. Под действием электрического
поля молекулы ЖК-вещества «распрямляются», и угол поворота уменьшается. В сочетании с поляризационными решётками стёкол можно управлять прозрачностью эле-мента экрана, изменяя величину электрического
поля.
Таким образом, дисплейная панель представляет собой большую
матрицу ячеек, каждая из которых находится на пересечении вертикальных и горизонтальных проводников (см. рис.2.3).
Существует две разновидности матриц – пассивная и активная.
В пассивной матрице (Passive Matrix) на жидкие кристаллы воздействует поле самих координатных проводников при пропускании по ним
импульсов тока. Ячейкам пассивной матрицы свойственна инерционность
порядка 300 – 400 миллисекунд. Специально для таких экранов применяется особый режим отображения указателя мыши на экране (курсора). За
указателем тянется шлейф, без которого быстро перемещаемый указатель
визуально теряется.
В активной матрице (Aktive Matrix) каждая дисплейная ячейка (см.
рис.2.4) управляется транзистором (ТЯ- транзисторной ячейкой), которой,
в свою очередь, управляют через координатные проводники, что приводит
к увеличению контрастности свечения ячейки LCD и уменьшению инерционности матрицы ячеек. Цветные матрицы имею более сложные транзисторные ячейки, состоящие из 3-х транзисторных элементов управления
базисными цветами (R, G, B)/
Таким образом, плоские TFT (Thin Film Transistor) LCD-дисплеи
представляют собой «бутерброд» из двух стёкол, между которыми расположены слои: ЖК-вещество и матрица тонкоплёночных транзисторов.
Тонкоплёночный транзистор (TFT), применяется при производстве
активных ЖК-матриц. Его размеры составляют всего 10 нм, поэтому TFT
151
достаточно сложны в изготовлении. А если учесть, что для создания 15дюймового LCD-монитора необходимо использовать около 2,5 млн.
152
транзисторов, то становится понятно, почему цены на ЖК-панели до недавнего времени были столь высоки.
На переднем и заднем стёклах ЖК-панели нанесены поляризационные решётки с взаимно перпендикулярными направлениями вектора поляризации. ЖК-прослойка при отсутствии электрического поля поворачивает угол поляризации проходящего света на 90, благодаря чему «бутерброд» становится прозрачным для проходящих лучей. Под действием
электрического поля от напряжения, подаваемого транзистором каждой
ячейке матрицы, угол поляризации может быть уменьшен до 0. Чем
больше приложенное напряжение, тем меньше угол поворота вектора поляризации и тем прозрачней будет ячейка ЖК-вещества. Инерционность
ячеек активной матрицы составляет 20-30 мс, что позволяет воспроизводить «живое видео» и динамические картинки.
В цветных дисплеях каждая точка экрана состоит из 3-х составляющих, каждая из которых снабжена своим светофильтром (R, G, B). Управляя тремя транзисторными схемами точки экрана, можно изменять его
цвет и яркость.
Разрешающая способность по цвету у LCD-мониторов пока ниже – 6
бит на цветовой канал, так что 24-битовый режим True Color (дополнительные цвета, цветовые полутона) они могут только эмулировать (имитировать).
Размер пикселя LCD-монитора близок к зерну ЭЛТ-монитора:
- дисплей с диагональю экрана 15 дюймов с разрешением 1024х768 имеет размер пикселя около 0,3 мм;
- дисплей с диагональю экрана 18 дюймов с разрешением 1280х1024 –
около 0,28 мм.
Из-за инерционности LCD-монитора (20-30 мс) не требуется высокой
частоты развёртки – даже при частоте кадровой развёртки в 60 Гц мерцания экрана нет.
LCD- мониторы не лишены недостатков:
контрастность LCD-мониторов несколько ниже, у ЭЛТ- мониторов
- качество изображения зависит от угла наблюдения;
- невозможность смены разрешения экрана;
- ещё сравнительно высока стоимость монитора.
153
4. РАСТРОВЫЙ ПРИНЦИП ВЫВОДА
ИЗОБРАЖЕНИЙ И ТЕКСТА
Видеосистема ПЭВМ основана на растровом принципе вывода изображений
и текста. Растровый принцип заимствован из телевидения и подразумевает, что
некий рисующий инструмент, способный оставлять видимый след, сканирует
всю поверхность, на которую выводится изображение. Траектория движения
инструмента постоянна и не зависит от выводимого изображения, но инструмент может рисовать, а может и не рисовать отдельные точки траектории. Видимым изображением являются оставленные инструментом точки. В случае видеомонитора на базе ЭЛТ инструментом является модулированный по яркости
электронный луч (или три луча базисных цветов – R-красный, G-зелёный, Bсиний), построчно сканирующий экран и вызывающий свечение люминофора,
нанесённого на внутреннюю поверхность экрана ЭЛТ. Каждая строка растра
разбивается на некоторое количество точек – пикселов. засветкой каждой из которых по отдельности может управлять устройство, формирующее изображение
(например, графическая карта). Видеомонитор является растровым устройством
вывода динамически изменяемых изображений. Его луч сканирует экран с частотой, которая не должна позволять глазу пользователя видеть мерцание изображения. Матричные (плоские) экраны, применяемые в мониторах, также относятся к растровым устройствам.
Сканирование экрана модулированным лучом обеспечивается генераторами
горизонтальной (строчной) и вертикальной (кадровой) развёрток монитора –
аналогично развёрткам в телевизоре. Электронный луч может оставлять след
только во время прямого хода по строке (слева направо). Строка разбивается на
некоторое количество точек разложения, каждая из которых может иметь состояние (яркость и цвет) независимое от других точек. На обратном ходе по
строке луч принудительно гасится. Следующая строка прорисовывается параллельно предыдущей, но с некоторым вертикальным смещением (вниз), и так
происходит сканирование до окончания кадра – достижения правого нижнего
угла экрана. Во время обратного хода луча по вертикали, за время которого генератор горизонтальной развёртки успеет сделать несколько строчных циклов,
луч также принудительно гасится. В следующем кадре сканирование может
происходить по-разному.
В системах с прогрессивной (или не чередующейся) развёрткой) луч в следующем кадре идёт по тем же строкам (см. рис.3.1,а). В системах с чересстрочной (или телевизионной) развёрткой луч пройдёт по строкам, смещённым по
вертикали на половину шага строки (см. рис. 3.1,б). В этом случае всю поверхность экрана луч проходит за два цикла кадровой развёртки, называемых полукадрами. Этот способ позволяет почти вдвое снизить частоту горизонтальной
(строчной) развёртки, а, следовательно, и темп выдачи точек изображения на
экран.
Как известно, глаз является инерционным органом зрения – он воспринимает
изменение яркости или освещённости только до какой-то определённой частоты. Существует понятие критической частоты световых мельканий, которая
обеспечивает слияние мельканий в ровный свет. Эта частота может находиться
для разных людей в пределах 40-60 Гц. Поэтому минимальная частота кадров выбирается равной 50 Гц (в ряде случаев выше).
154
155
Вполне очевидно, что для качественного изображения экран должен иметь
как можно больше точек матрицы разложения, то есть строк в кадре и точек в
строке. Если взять популярный режим 800х600 (600 строк по 800 точек в строке), то за один период прогрессивной кадровой развёртки луч должен успеть
пройти по 600 видимым строкам, да ещё по некоторому количеству невидимых
строк на обратном ходе по кадру (примерно по 50 строкам) Из этого следует,
что частота строк должна составить (при частоте кадровой развёртки в 50 Гц)
величину:
fстр = fкадр(Nстр + 50),
где:
fстр – частота строчной развёртки,
fкадр – частота кадровой развёртки
Nстр – количество видимых строк в кадре.
При количестве строк в кадре – 600, частоте кадровой развёртки 50 Гц частота строчной развёртки должна быть 32,5кГц. Этой частоте соответствует период около 30 мкс, из которого на прямой ход луча по строке отводится 25 мкс.
За это время необходимо вывести на экран 800 точек (пикселей). На каждую
точку отводится 25/800 = 0,03 мкс, что соответствует частоте вывода точек в 30
МГц – частоте для электронных схем уже довольно высокой. Поскольку соседние точки выводимого изображения в принципе друг с другом не связаны, то
полоса частот сигнала, модулирующего, интенсивность луча, должна быть несколько выше этого значения (примерно на 25 %). Такую полосу должен обеспечивать весь видеотракт: видео-усилители модуляторов лучей, сигнальные линии интерфейсного кабеля и, наконец, (вернее, сначала) такой широкополосный
сигнал должен сформировать графический адаптер. Если реальная полоса пропускания в видеотракте будет более узкой (или неравномерной), чёткого изображения не получится - будут размыты переходы, появятся искажения цветов и
т.п.
С технической точки зрения есть основание снижать требуемую
верхнюю границу полосы частот видео тракта. При чересстрочной развёртке за
каждый полукадр сканируется только половина строк разложения (нечётные в
одном полукадре, чётные в другом). Следовательно, частота строк уменьшается,
а длительность прохода видимой части строки увеличивается примерно в 2 раза,
Таким образом, чересстрочная развёртка позволяет также примерно в 2 раза
снизить верхнюю частоту полосы пропускания видеотракта.
На рис. 3.2 приведены временные диаграммы изменения напряжений строчной и кадровой развёрток во времени.
Из вышеизложенного следует, что чем выше частота развёртки, тем ниже
производительность графической системы при построении изображений.
156
4. УПРАВЛЕНИЕ ГРАДАЦИЯМИ ЯРКОСТИ И
ЦВЕТОМ В ЭЛТ- И LCD- ДИСПЛЕЯХ
Как было уже отмечено выше, для создания полутоновых (чёрнобелых) изображений в дисплеях на ЭЛТ используется модуляция
электронного луча трубки при помощи изменения напряжения, подаваемого на модулятор (сетку) трубки. Модулятор изменяет интенсивность электронного луча (ток электронного пучка) или количество электронов, попадающих на люминофор трубки. В том случае,
если двоичный код, задающий интенсивность луча, одноразрядный,
принимающий два значения – 0 и 1, градаций яркости всего две –
чёрный и белый (зелёный, оранжевый в зависимости от вещества,
входящего в состав люминофора). Для создания полутоновых изображений с несколькими градациями яркости необходимо увеличить
количество двоичных разрядов, задающих яркость луча. В том случае, если количество разрядов равно трём, таблица интенсивности
(тонов и полутонов) изображения будет иметь вид, приведённый на
рис. 4.1. Схема управления яркостью приведена на этом же рисунке.
В приведённой схеме: ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь осуществляющий преобразование трёхразрядного двоичного кода, задающего яркость
точки экрана (пикселя) и поступающего из видеопамяти на регистр пикселя.
ВУ– видео-усилитель, согласующий амплитуду выходного сигнала ЦАП с величиной модулирующего сигнала (Uмод), подаваемого на модулятор ЭЛТ. Аx и
Ay адреса (условные) пикселя в видеопамяти. Таблица интенсивности (яркости), приведённая на рисунке, соответствует 8 градациям яркости луча от чёрного до белого. Разрядность кода интенсивности (n), хранящегося в видеопамяти, связана требуемым количеством уровней яркости (m) выражением:
n = log2 m
Следует отметить, что объём видеопамяти (Vвп) растёт с ростом количеством
уровней интенсивности (n), что следует из выражения
Vвп=(d х s х n)/8,
где: d – количество точек (пикселей) в строке
S – количество строк на экране ЭЛТ.
В монохромных LCD-дисплеях организация управления яркостью строится с
использованием аналогичных принципов.
Для управления выводом цветных изображений используются различные
модели цветности. Наибольшее распространение получила в дисплеях RGBмодель (R –Red, красный, G – Green, зелёный, B –Blue, синий). На рис.4.2 приведена графическая интерпретация RGB-модели, а ниже приведена таблица
цветности, в которой к трём битам цветности (RGB) добавлен бит интенсивности (I), который увеличивает размер таблицы в два раза и позволяет получить
цвет точки на экране двух градаций яркости. Каждый элемент таблицы принимает два значения – 0 или 1. При этом красный, зелёный и синий цвета являются основными или базовыми. Базовые цвета в таблице подчёркнуты.
157
158
Схема управления цветовой гаммой изображения в соответствии с таблицей цветности приведена на рис.4.3. В отличии от предыдущей схемы
(см.рис.4.1) в регистр цветности из видеопамяти поступают 4 бита и каждому разряду регистра цветности соответствует свой цифро-аналоговый
преобразователь (ЦАП), выходные напряжения которых управляют модуляторами цветной ЭЛТ.
Таблица цветности
I
0
0
0
0
0
0
0
0
R
0
0
0
0
1
1
1
1
G
0
0
1
1
0
0
1
1
B
0
1
0
1
0
1
0
1
Оттенок цвета
Чёрный
Синий
Зелёный
Голубой
Красный
Розовый
Коричневый
Белый
I
1
1
1
1
1
1
1
1
R
0
0
0
0
1
1
1
1
G
0
0
1
1
0
0
1
1
B
0
1
0
1
0
1
0
1
Оттенок цвета
Тёмно-серый
Ярко-синий
Ярко-зелёный
Ярко-голубой
Ярко-красный
Ярко розовый
Ярко-жёлтый
Ярко-белый
Изложенный выше способ задания цветовой гаммы изображения на экране
дисплея основан на так называемой первичной форме описания графической
информации в исходном графическом файле и формирует изображение с постоянно заданным цветом.
159
Цветовую гамму изображения можно существенно расширить при
увеличении количества разрядов, приходящихся на один цвет (цветовой
оттенок, цветовой полутон). Например, стандартный VGA-режим 12h
(16 цветов, 640 х 480 точек) использует 4 бита на пиксель (4 битовые
плоскости видеопамяти), а режим 13h – 8 бит на пиксель. В таблице 4.1
приведены объёмы видеопамяти в зависимости от разрешения экрана и
количества цветовых оттенков.
Таблица 4.1
Разрешающая
способность
640 х 480
800 х 600
1024 х 768
1280 х 1024
1600 х 1200
Количество
бит на пиксель
Количество цветовых
оттенков
Минимальный
объём
видеопамяти
(Мбайт)
4
8
16
24
4
8
16
24
4
8
16
24
4
8
16
24
4
8
16
24
16
256
65536
16777216
16
256
65536
16777216
16
256
65536
16777216
16
256
65536
16777216
16
256
65536
16777216
0,25
0,50
1,00
1,00
0,25
0,50
1,00
1,50
0,50
1,00
1,50
2,50
1,00
1,50
2,50
4,00
1,00
2,00
4,00
6,00
Существуют и другие модели цветности, которые используются несколько реже – CMY (C – Cyan, голубой, M – Magenta, пурпурный, Y –
Yellov, жёлтый) - аддитивная модель основанная как модель RGB на
смешивании базовых цветов, -СMYK (K – Кey, основной, чёрный) – субстрактивная модель цветности, основанная на вычитании базовых (CMY)
цветов из основного (Key).
Существуют несколько общепринятых стандартов видеоадаптеров,
которые используются в большинстве случаев, а также большое количество нестандартных, используемых для реализации специальных задач
(см Приложение 1).
160
5. ВИДЕОАДАПТЕРЫ И ВИДЕОМОНИТОРЫ
Графические (видео) адаптеры ПЭВМ прошли путь развития от MDA до
SVGA; на последнем названии, похоже, произошла длительная остановка,
поскольку оно довольно всеобъемлюще.
Сделаем предварительно некоторые замечания, которые помогут глубже
понять функции современных видеоадаптеров:
1.Видеоадаптер принимает от центрального процессора данные, образующие изображение, обрабатывают эти данные и передаёт их монитору в формате, позволяющем последнему их отобразить. Первые адаптеры, являясь, по
сути дела, всего лишь интерфейсами между процессором и монитором, практически не обрабатывали данные. Процессор сам приводил эти данные в
форму, пригодную к отображению. Данные были, в основном текстовыми.
2. Когда появилась OC Windows, графический режим стал использоваться
гораздо чаще текстового, отчего требования к обработке видеоизображения
резко возросли. Возлагать обязанности по подготовке изображения на процессор стало непрактично, поэтому появилось новое поколение видеоадаптеров – графические ускорители. Графический ускоритель освобождает процессор от расчётов, связанных с формированием изображения. По сути дела,
он является специализированным сопроцессор- ром.
3.Все современные видеоадаптеры являются графическими ускорителями
4. Первые графические ускорители были предназначены для работы с
двухразмерной графикой (2D). Они обеспечивали аппаратное ускорение
типичных задач: прорисовки и перемещения окон, масштабирование шрифтов и т.д. 2D-ускорители работают с экраном как с плоским (двухмер- ным)
пространством. Хотя одно окно может перекрывать другое, их порядок всегда известен.
5. 3D-ускорители, напротив, расширяют экран в глубину.
Краткая характеристика адаптеров в хронологическом порядке их появления дана в Приложении 1.
Ввиду большого разнообразия вариантов построения видеоадаптеров (как
стандартных, так и нестандартных, а точнее специальных) невозможно предложить структурную схему видеоадаптера, которая бы в одинаковой степени
отвечала всем вариантам. Поэтому на рис.6.1 приведена схема, представляющая некоторую модель видеоадаптера, но достаточно точно отвечающую
основной идее устройства. Видеоадаптер включает в себя сле- дующие узлы
(элементы):
Контроллер ЭЛТ. Поскольку видеоадаптер предназначен (в первую очередь) для подключения монитора, его обязательным элементом будет контроллер ЭЛТ (CRT Controller - КЭЛТ). В его задачу входит согласованное
формирование сигналов сканирования видеопамяти (адрес и строб чтения) и
сигналов вертикальной и горизонтальной синхронизации монитора. КЭЛТ
должен обеспечивать требуемые частоты развёртки (строчной и кадровой) и
частоты сканирования видеопамяти, которые зависят от режима отображения
(графический или текстовый) и организации видеопамяти. Опорной частотой
для работы КЭЛТ является частота вывода пикселей (DotCLC) в графических режимах или точек разложения символов в текстовых режимах.
161
162
Видеопамять.(VRAM) Это специальная область памяти, из которой КЭЛТ
организует циклическое чтение содержимого для регенерации изображения.
Необходимый объём видеопамяти определяется необходимым графическим
режимом (в текстовом режиме потребуется всего несколько килобайт памяти,
которые «погоды» не делают).
Требуемые объёмы памяти для одной страницы различных видеорежимов
приведены в таблице 5.1.
Таблица 5.1 Разрешение и требуемый объём видеопамяти
Бит/
пиксель
4
8
15
16
24
32
Количество
Цветов
16
256
32768
65536
16777216
16777216
640х480
800х600
1024х768
1280х1024
150 Кб
300 Кб
600 Кб
600 Кб
900 Кб
1,172 Мб
234 Кб
469 Кб
978 Кб
978 Кб
1,37 Мб
1,83 Мб
384 Кб
768 Кб
1,5 Мб
1,5 Мб
2,25 Мб
3,0 Мб
640 Кб
1,25 Мб
2,5 Мб
2,5 Мб
3,75 Мб
5,0 Мб
Трактовка данных видеопамяти зависит от используемого видеорежима. В
текстовых режимах каждому знакоместу экрана (матрице символа) соответствует слово видеопамяти, расположенное по чётному адресу в текстовом
файле. При этом младший байт слова (байт с чётным адресом) содержит
ASCII-код символа, а старший байт – его атрибуты. Организация памяти в
этом случае является линейной: цепочка слов соответствует собранной в
цепь последовательности строк символов.
В видеопамяти используется и многоплоскостная модель памяти (см.
рис.6.1). При этом в зависимости от режима работы адаптера плоскости
(банки или слои) памяти используются по-разному ( от всего одного слоя до
всех 4-х) На рис.5.1 слой 2 видеопамяти выполняет функции знакогенератора
(ЗнГ).
Графический контроллер (ГК). Видеоадаптер с ускорителем не требует
от центрального процессора, чтобы тот самостоятельно подготавливал все
кадры и переправлял их в буфер. Такой адаптер должен обязательно иметь
графический контроллер (процессор), оптимизированный для выполнения
низкоуровневых функций обработки изображений, таких как копирование
растров, выполнение различных заливок, масштабировании шрифтов, изменение размеров и положения окон, а также прорисовка линий, многоугольников и других графических примитивов. Видеоадаптер с ускори-телем требует
передачи гораздо меньших объёмов данных по системной шине. Например,
чтобы нарисовать на экране окружность с адаптером без ускорителя, центральный процессор должен создать растровое изображение этой окружности, а затем передать его адаптеру. Графический ускоритель сам может построить эту окружность, получив от процессора лишь координаты центра
окружности и его радиус.
Контроллер атрибутов (КА). Это устройство управляет трактовкой цветовой информации, хранящейся в видеопамяти.
В текстовых режимах он обрабатывает информацию из байтов атрибутов
знакомест (откуда и пошло его название - контроллер атрибутов).
163
В графических режимах контроллер обрабатывает информацию из бит текущего выводимого пикселя.
Контроллер атрибутов позволяет увязать объём хранимой цветовой информации с возможностями монитора.
В состав контроллера атрибутов входят регистры палитр, которые служат
для преобразования цветов, закодированных битами видеопамяти, в реальные цвета на экране. В адаптере CGA, например, палитра меняется совсем
просто: два бита цвета пикселя управляет лучами красного и зелёного цветов,
а к ним ещё добавляется (или не добавляется) общий на весь экран бит
управления синим цветом. В результате два бита цвета пикселя могут задавать по четыре цвета в двух разных палитрах.
В адаптере EGA применены уже настоящие программируемые регистры
палитр, позволяющие каждому из 16 возможных кодов, задаваемых четырьмя битами цветовых слоёв, поставить в соответствие один из 64 возможных
цветов, отображаемых монитором EGA.
На рис. 5.2 приведена схема преобразования цветов через регистры палитр
и контроллер атрибутов (RAMDAC).
Левая часть схемы (16 регистров палитры) реализует преобразование битов с условными названиями R, G, B и I в сигналы интерфейса монитора
EGA. Названия битов условны потому, что в регистры палитр могут быть
загружены произвольные значения реальных выходных цветов, кодируемых
интерфейсными сигналами Rr, Gg, Bb.
С появлением адаптеров VGA, способных задавать большое (256 и более)
количество цветов, схему цветообразования усложнили. Теперь на плату
графического адаптера из монитора «переехали» ЦАП,ы (DAC) сигналов базисных цветов, и появилась возможность отображать огромное количество
цветов (цветовых оттенков, т.е. цветовых полутонов), кодируемых аналоговыми сигналов. Однако, реальное количество цветов ограничивается разрядностью ЦАП базисных цветов, которая поначалу составляла 6 битов на каждый канал, что позволило задать 32768 цветовых оттенков. Чтобы отобразить
256 кодов цвета (8 битов на пиксель), в эти 32768 цветовых оттенков ввели
программируемые регистры ЦАП, с помощью которых каждому из 256 кодов
ставится в соответствие свой набор битов, посылаемых на схемы ЦАП базисных цветов. Функционально оказалось целесообразным объединить эти регистры, представляющие собой небольшие быстродействующие ОЗУ (RAM),
вместе с преобразователями DAC (Digital-Analog Converter
ЦАП). Эта
функциональная сборка в настоящее время ис-полняется в виде микросхемы
RAMDAC. Схему преобразования с использо- ванием RAMDAC иллюстрирует правая часть схемы на рис. 5.2.
Номера регистра RAMDAC, из которого цвет текущего отображаемого
пикселя, в режиме 256 цветов задают 8-битным кодом цвета пикселя (в видеопамяти). При работе в 16-цветном режиме EGA и 2-4 цветном режиме
адаптер VGA использует регистры палитр, на выходе ко- торых получается
6-битный код цвета. Старшие 2 бита добавляются из регистра цвета, с помощью которого можно переключать палитру сразу для всех цветов. В этих режимах регистры RAMDAC функционально дублируют регистры палитр.
Лишнюю ступень косвенности можно сгладить, беря на вход RAMDAC
только 4 биты с выхода регистра палитр, из регистра цвета брать уже 4 бита.
Тогда в сами регистры палитр целесообразно загрузить их номера, что обеспечит линейное преобразование (4 бита из слоёв пройдут через регистры па-
164
литр без изменений). Графические адаптеры имеют возможность переключения режима преобразования – использование в общем-то лишних регистров
палитр требуется только для совместимости с ПО, ориентированным на
адаптеры EGA.
Преобразователь последовательности (ПП). Это устройство выполняет
функции, связанные с формой данных, хранящихся в видеопамяти и формой
данных, подаваемых через контроллер атрибутов на монитор. Из видеопамяти коды, определяющие каждый пиксель (графический режим) и строку
матрицы знакоместа (текстовый режим), подаются в параллельном коде (все
разряды одновременно), На экране монитора необходимо последовательное
представление этих кодов в соответствии с алгоритмом вывода информации
в строку. ПП осуществляет преобразование параллельных кодов в последовательную (побитную) форму.
Знакогенератор (ЗнГ). Знакогенератор предназначен для формирования
растрового изображения символов в текстовом (и графическом) режимах экрана монитора. Знакогенераторы адаптеров обычно размещаются во втором
слое (банке) видеопамяти (EGA, VGA) и поэтому программно доступны.
(Знакогенераторы MDA, HGC и CGA программно недоступны: они выполняются в виде микросхем ПЗУ, никак не отображаемых в адресном пространстве процессора).
При инициализации адаптера они (знакогенераторы) загружаются из образов, хранящихся в ПЗУ расширения BIOS, установленных на платах графических адаптеров.
Адаптер EGA позволяет одновременно хранить до 4-х таблиц по 256 символов в каждой, а VGA – до 8 таблиц. Активной (используемой для отображения) таблицей может быть одна из них, либо сразу две. В последнем случае набор одновременно отображаемых символов расширяется до 512, а одна из 2-х таблиц, используемых для конкретного символа, определяется битом 3 его байта атрибута. Таблицы имеют 32-байтную развёртку каждого
символа в формате 16 х 16, из которой в EGA используется матрица 8 х 14, а
в VGA - 9 х 16.
Программная доступность ЗнГ снимает необходимость аппаратной руссификации адаптера, но при желании можно переписать руссифицированные
шрифты в BIOS графического адаптера. Алгоритм работы ЗнГ будет рассмотрен ниже (текстовый режим работы дисплея).
Синхронизатор (CLC) появился в адаптере EGA; он позволяет синхронизировать циклы обращения процессора к видеопамяти с процессом регенерации изображения. Адаптеры имеют собственные кварцованные генераторы
синхронизации (иногда и несколько). От внутреннего генератора вырабатывается частота вывода пикселей (DotCLC), относительно которой строятся
все временные последовательности сканирования видеопамяти, формирования видеосигналов и синхронизации монитора. В то же время процессор обращается к видеопамяти асинхронно относительно процесса регенерации. В
задачу CLC входит согласование этих асинхронных процессов.
Внешний интерфейс (ВИ) связывает адаптер с одной из шин компьютера.
Современные графические адаптеры используют, в основном, высокопроизводительные шины PCI и канал AGP.
Интерфейс монитора (ИМ) формирует выходные сигналы соответствующего типа – RGB TTL, RGB Analog, композитный видео или S-Video. Этот
же блок отвечает и за диалог с монитором: в простейшем случае – чтение бит
165
идентификации (для VGA), а в более сложном – обмен данными по каналу
DDC (интерфейс обмена данными с монитором).
Пример работы адаптера, поясняющий процедуру вывода текста на экран
будет рассмотрен ниже.
6. РЕЖИМЫ РАБОТЫ РАСТРОВОГО ДИСПЛЕЯ
6.1. Графический режим
Существуют два основных режима вывода информации на экран монитора – графический и текстовый (символьный).
В графическом режиме имеется возможность индивидуального управлния
свечением каждой точки экрана монитора независимо от остальных. Этот
режим обозначают как Gr (Graphics) или APA (All Point Addressable – все
точки адресуемы). В графическом режиме каждой точке экрана – пикселю –
соответствует ячейка видеопамяти,, которая сканируется схемами видеоадаптера синхронно с движением луча монитора. Процесс постоянного сканирования видеопамяти называется регенерацией изображения. Этого же
сканирования оказывается достаточно для регенерации информации в микросхемах динамической памяти, применяемой в видеопамяти (VRAM).
Для программно-управляемого построения изображения в VRAM должен
обеспечиваться доступ со стороны системной магистрали компьютера, причём как в режиме записи, так и в режиме чтения. Количество бит видеопамяти, отводимое на один пиксель, определяет возможное число состояний пикселя – цветов, градаций яркости или иных атрибутов (например, мерцания
символа). Это количество в различных адаптерах колеблется от 1 до 24.
Логически VRAM может быть организована по-разному в зависимости от
количества бит на один пиксель. В случае одного или двух бит на пиксель
каждая ячейка (байт) соответствует 8 или 4 соседним пикселям строки. При
сканировании ячейка считывается в регистр сдвига, из которого информация
о соседних точках последовательно поступает на выходные цепи адаптера.
Такой способ отображения называется линейным – линейной последовательности пикселей соответствует линейная последовательность бит (или
группы бит) видеопамяти (см.рис 6.1,а,б).
В адаптере EGA количество бит на пиксель увеличили до 4-х и видеопамять разбили на четыре области (слоя, банка), называемых также цветовыми
плоскостями (см.рис.6.2). При этом в каждой плоскости используется линейная организация, где каждый байт содержит по одному биту восьми соседних
пикселей. Слои сканируются (считываются в сдвигающие регистры) одновременно. В результате параллельно формиру-ются по 4 бита на каждый
пиксель. Такое решение позволяет снизить частоту считывания ячеек памяти
– одна операция чтения производится за время прохода лучом восьми пикселей. Ячейки слоёв памяти, отвечающие за одни и те же пиксель, имеют совпадающий адрес. Это позволяет производить параллельную запись информации сразу в несколько цветовых плоскостей (запись для каждого слоя разрешается индивидуально), что также экономит время. Считывание со стороны
магистрали конечно возможно только послойное.
В режимах 8, 16 и 24 бита на пиксель также используется линейная организация, но каждый байт (слово или три байта) отвечает уже за цвет одного
пикселя. Многоплоскостная организация здесь уже не эффективна.
166
Описанные выше варианты организации видеопамяти – и линейной, и
многоплоскостной – представляют собой отображение матрицы пикселей
экрана на биты видеопамяти – Bit Mapping. Растровый формат хранения изо-
167
бражений, при котором биты так или иначе отображают пиксели, называют
битовой картой (Bit Map). С точки зрения плотности хранения графической
информации этот формат не самый эффективный, но в видеопамяти растрового дисплея вследствие высокого темпа вывода информации при регенерации изображения иной формат неприемлем.
Объём памяти в битах, требуемый для хранения образа экрана (страницы)
определяется выражением
Vэ=p х s х b,
где Vэ – объём памяти экрана (страницы) в битах;
р – количество пикселей в строке;
s – количество строк (TV-строк);
b – количество бит на пиксель.
Формирование битовой карты изображения в видеопамяти графического
адаптера производится под управлением программы, исполняемой центральным процессором. Сама по себе задача формирования процессору вполне по
силам, но при её решении требуется пересылка большого объёма информации в видеопамять, а для многих построений ещё и чтение видеопамяти со
стороны процессора. Видеопамять большую часть времени занята выдачей
информации схемам регенерации изображения в довольно напряжённом режиме. От этого процесса она (память) свободна только во время обратного
хода луча по строке и кадру, но это меньшая часть времени. Если обращение
к активной странице видеопамяти со стороны процессора происходит во
время прямого хода луча и быстродействия схем адаптера недостаточно для
того, чтобы это изображение вписалось между соседними выборками процесса регенерации, на экране появится штрих от не считанной информации.
Если такое обращение происходит часто, на экране появится «снег», что неприятно. Дожидаться обратного хода по строке или кадру накладно: строчный период коротких (несколько микросекунд) интервалов обратного хода
имеет порядок 25 мкс, а кадровый период длинного (миллисекунды) обратного хода имеет порядок 20 мс, в то время как цикл обращения процессора к
обычной памяти не превышает сотен (у современных компьютеров – десятков ) наносекунд. Так что канал связи процессора с видеопамятью представляет собой узкое горлышко, через которое пытаются протолкнуть немалый
поток данных, причём чем больше цветов (бит на пиксель), тем этот поток
должен быть интенсивнее. Выходов из этого затруднения несколько:
1. Повышение быстродействия видеопамяти;
2. Расширение разрядности шин графического адаптера;
3. Кеширование видеопамяти или затемнение видеопамяти, что по сути
одно и то же. В этом случае при записи в область видеопамяти данные будут
записаны как в видеопамять, так и в ОЗУ (или даже в КЭШ), а при считывании из этой области обращение будет только к быстродей-ствующему ОЗУ.
4. Принципиально сократить объём информации, передаваемой графическому адаптеру, но для этого графический адаптер должен быть наделён «интеллектом».
Под «интеллектом» графического адаптера подразумевается наличие
на его плате собственного процессора, способного формировать растровое изображение в видеопамяти (ВipMap). По командам, полученным от
168
центрального процессора. Команды ориентируются на наиболее часто используемые методы описания изображения, которые строятся из отдельных
графических элементов более высокого уровня, чем пиксели:
а) Команды рисования – построение графических примитивов: точки,
отрезки прямой, прямоугольники, дуги, эллипсы;
б) Копирование блока с одного места на другое для «прокрутки» изображения экрана в разных направлениях;
в) Команды работы со спрайтами (Sprite)– небольшими прямоугольными фрагментами изображения, которые могут перемещаться по экрану как
единое целое;
г) Аппаратная поддержка окон – упрощает и ускоряет работу с экраном
в многозадачных (многооконных) системах;
д) Команды панорамирования – отображение заданной области изображения;
е) Команды ускорения построений – сокращение объёма передачи,
освобождение центрального процессора от построений и т.п.
Графический сопроцессор представляет собой специализированный процессор с соответствующим аппаратным окружением, который подключается
к шине компьютера и имеет доступ к его оперативной памяти. В процессе
своей работы сопроцессор пользуется оперативной памятью, конкурируя с
центральным по доступу и к памяти, и к шине.
Графический акселератор работает автономно и при решении своей задачи со своим огромным объёмом данных может и не выходить на системную шину. Акселераторы являются традиционной составляющей частью
практически всех графических адаптеров – 2D-и 3D-акселераторы.
6.2. Текстовый режим
В текстовом (символьном) режиме изображение на экране происходит несколько иначе. Если в графическом режиме (APA) каждой точке экрана соответствует своя ячейка видеопамяти, то в текстовом режиме ячейка видеопамяти хранит информацию о символе, занимающем на экране знакоместо определённого формата.
Знакоместо представляет собой матрицу точек, в которой может быть
отображён один из символов определённого набора (алфавита).
В ячейке видеопамяти хранится код символа, определяющий его индекс в
таблице символов, и атрибуты символа, определяющие вид его отображения
на экране. К атрибутам символа относятся: цвет символа, цвет фона, инверсия, мигание и подчёркивание символа.
В текстовом режиме экран организуется в виде матрицы знакомест, образованной горизонтальными линиями и вертикальными колонками. Этой матрице отвечает аналогичным образом организованная видеопамять. Адап-тер,
работающий в текстовом режиме, имеет дополнительный блок – знакогенератор. Во время сканирования экрана выборка данных из очередной
ячейки видеопамяти происходит при подходе электронного луча ЭЛТ к соответствующему знакоместу (см. рис. 6.3), причём одна и та же ячейка видео-
169
памяти будет выбираться при проходе луча по всем строкам растра, образующим линию знакомест. Считанные данные будут попадать в знакогенератор, который вырабатывает построчную развёртку соответствующего символа – его изображение в текстовой строке на экране.
170
Знакогенератор представляет собой запоминающее устройство – ОЗУ
или ПЗУ. На его старшие адресные входы поступает код текущего символа
(ASCII-код), а на младшие – номер текущей строки в отображаемой линии
знакомест. Выходные данные содержат побитную развёртку текущей строки
матрицы разложения символа (в графическом режиме эти данные поступали
из видеопамяти). Необходимый объём памяти знакогенератора определяется
форматом (размером) знакоместа и количеством отображаемых символов.
Самый «скромный» знакогенератор имеет формат знакоместа 8 х 8 точек
(см.рис 6.3), причём для алфавитно-цифровых символов туда же входят межсимвольные зазоры, необходимые для читаемости текста. Поскольку в
ПЭВМ принято 8-битное кодирование символов, для такого генератора требуется 2К восьмиразрядных слов. Лучшую читаемость имеют матрицы 9 х 14
и 9 х 16 точек знакоместа.
Если знакогенератор выполнен на микросхемах ПЗУ, то набор отображаемых символов оказывается жёстко фиксированным (в лучшем случае переключаемым, для чего может использоваться несколько выбираемых банков
знакогенератора).
Если знакогенератор выполнен на микросхемах ОЗУ, то, естественно, он
обеспечивает и режим, в котором его содержимое можно по крайней мере загрузить программно. Адаптеры с загружаемым знакогенератором руссифицируются чисто программными средствами.
Каждому знакоместу в видеопамяти кроме кода символа соответствует
ещё и поле (байт) атрибутов. Это поле задаёт цвет и интенсивность воспроизведения символа и его фона. Для монохромных мониторов, допускающих
всего три градации яркости атрибуты можно трактовать иначе, формируя такие эффекты, как подчёркивание символа, инверсия, повышен- ная интенсивность, мерцание символа в различных сочетаниях.
На рис.6.4, а приведён формат слова, задающего символ в цветном мониторе в ПЭВМ типа IBM PC.
Байт атрибута несёт следующую информацию:
Биты 3-0 – интенсивность (I) и цветность (RGB) символа;
Биты 6-4 – цвет фона, на котором воспроизводится символ (rgb);
Бит 7 – интенсивность фона (I) или мерцание символа (М).
Текстовый адаптер имеет также аппаратные средства управления курсором. Знакоместо, на которое указывают регистры координат курсора, оформляются особым образом. Обычно его выделяют мигающей полоской, размер
и положение которой относительно знакоместа программируется. Следует
отметить, что к такому выделению байт атрибутов не имеет отношения, хотя
возможен неудачный выбор атрибутов (сочетание цветов), когда курсор перестаёт быть различимым на экране.
Для текстовых режимов с форматом 25 текстовых строк по 80 символов в
строке (максимально для существующих текстовых адаптеров) требуется
всего 2 Кбайта для атрибутов. При этом символы могут иметь хорошо читаемую матрицу разложения 9 х 14 и по 8 бит для атрибутов, определяющих
цветовое оформление знакоместа. Частота считывания видеопамяти для регенерации изображения невысока: за время прямого хода по строке должно
быть считано всего 80 слов. Графический режим (720 х 350) для отображения
такой же матрицы требуется уже около 32 Кбайт виде-опамяти в монохромном режиме, а в текстовом 16-цветном уже 128 Кбайт.
171
Поскольку в текстовом режиме в адаптер передают только коды символов,
заполнение всего экрана займёт в десятки раз меньше времени, чем построение того же изображения в графическом режиме. Программный код вывода
символов в текстовом режиме проще и компактнее, чем при программном
формировании его растрового изображения. По этим причинам графические
адаптеры имеют знакогенератор, дающий возможность работы и в текстовом
режиме, а при переходе в графический режим знакогенератор отключается.
Интеллектуальные адаптеры позволяют выводить символы (формировать их
растровое изображение с заданным форматом знакоместа) и в графическом
режиме. При этом адаптер получает только команду с указанием координат
отображаемых символов и сам поток кодов символов, после чего быстро
строит их изображение, не отвлекая центральный процессор.
Рассмотрим конкретный пример – работу видеоадаптера дисплея в текстовом режиме при выводе символа «1». Цвет символа – красный (R), символ
мерцающий на зелёном фоне (G). Этот символ задаётся двумя байтами: байт
с кодом единицы – нечётный байт и байт атрибута – чётный байт: 01010001
10101100, что соответствует мерцающей интенсивной единице красного цвета на зелёном фоне.
В данном дисплее видеопамять организована следующим образом:
Слой 0 (Банк 0) – содержит коды символов всех алфавитов, которыми располагает дисплей;
Слой 1 (Банк 1) – содержит информацию об атрибутах символов:
Слой 2 (Банк 2) – знакогенератор:
Слой 3 (Банк 3) – слой не используется в данном режиме.
Последовательность работы видеоадаптера (упрощенная схема адаптера
приведена на рис.6.4 ):
1. Из текстового файла, поступающего из памяти компьютера, считывается двухбайтовое слово;
2. Нечётный байт (01010001 – 31h) поступает в ячейку нулевого слоя видеопамяти. Адрес этой ячейки определяется кодом символа – 31h;
3. Содержимое ячейки с адресом 31h адресует к ячейке знакогенератора, в
которой хранится матрица цифры «1»;
4. Байт атрибута поступает в слой 1 видеопамяти (в ту ячейку, в которой
закодированы атрибуты символа (цвет символа, цвет фона и др.);
5. Атрибуты и матрица символа построчно считываются из видеопамяти и
поступают в преобразователь последовательности (ПП), а затем в контроллер
атрибутов. Под управлением контроллера ЭЛТ символ выводится на экран
(см.рис.6.4).
7. ВИДЕО BIOS И ВИДЕОСЕРВИС BIOS
Базовая система ввода-вывода (BIOS), включает в себя обширный набор
программ ввода-вывода, благодаря которым операционная система и прикладные программы могут взаимодействовать с различными устройства- ми
как самого компьютера, так и с устройствами, подключёнными к нему.
Большинство современных видеоадаптеров (а также контроллеры накопителей) имеют собственную систему BIOS, которую иногда называют расширением BIOS или Video BIOS и которая дополняет основную BIOS. Вызов
программ BIOS, как правило, осуществляется через программные или аппаратные прерывания.
172
Дисплейный адаптер как важный компонент персонального компьютера
имеет поддержку основных функций в BIOS. Эти функции выполняются через вызов программного прерывания Int10h – видеосервис BIOS. Видеосервис позволяет:
1. Устанавливать и переключать режимы работы дисплея;
2. Выполнять вывод символов и пикселей;
3. Очищать и прокручивать экран универсальными способами без оглядки
на установленный режим и другие функции.
Видеосервис BIOS необходим по крайней мере до загрузки операционной
системы, которая в дальнейшем может работать с графическим адаптером и
напрямую, через собственные загружаемые драйверы, специфические для
конкретного адаптера. Драйверы для адаптеров MDA и CGA по традиции
встроены в системную BIOS (по крайней мере у всех компьютеров, имеющих шину ISA). Программная поддержка графических адаптеров, интегрированных в системную плату, также встроена в системную BIOS. Все остальные адаптеры имеют собственный модуль расширения BIOS (Video BIOS), в
котором хранятся коды драйверов видеосервиса (Int 10h) и таблицы знакогенераторов. Этот модуль появился с адаптерами EGA и VGA и обеспечивает
возможность установки любой карты, не задумываясь о проблемах программной совместимости. Первичной задачей BIOS графического адаптера
является управление видеорежимом, определяющим формат экрана. BIOS
адаптера должен выполнять программирование всех стандартных и специфических управляющих регистров для установки (смены) требуемого видеорежима и выбранных параметров развёртки.
Большинство видеорежимов стандартизованы и каждому из них присвоен
свой номер. Режимы 0 – 13h для адаптеров MDA, CGA, EGA, VGA. Режимы
14 – 7Fh используются с нестандартными VGA-или SVGA-расширениями
BIOS, они специфичны для конкретных моделей графических адаптеров.
В пределах возможностей установленного видеорежима видеосервис
предоставляет возможности отображения информации на различных уровнях. Простейший для программиста телетайпный режим позволяет посылать
поток символов, которые будут построчно отображаться на экране с отработкой символов возврата каретки, перевода строки, обеспечивая «про-крутку»
изображения при заполнении экрана. Есть функции и для полноэкранной работы с текстом, при которой доступны и атрибуты символа.
В графическом режиме имеется возможность чтения и записи пикселя с
заданными координатами. Однако видеосервисом (INT 10h) программисты
пользуются далеко не всегда, поскольку работает он довольно медленно.
8. ИНТЕРФЕЙСЫ ДИСПЛЕЕВ
Положение дисплейного адаптера обязывает его иметь по крайней мере
два интерфейса – один для связи с монитором, другой – для связи с процессором (ЦП) и памятью компьютера (ОЗУ). Интерфейс для связи с ЦП и ОЗУ
173
принято называть магистральным или внешним интерфейсом адапте-ра. В
качестве магистральных интерфейсов использовались шины ISA/EISA и
MCA, но их производительности оказалось недостаточно для того, чтобы
справиться с большим потоком данных, требуемых для графических построений.
Ради ускорения обмена с дисплейным адаптером была разработана и стандартизована локальная шина VLB. Однако она уходит вместе с процессором
486. Современное решение проблемы магистрального интерфейса, работающее на широком спектре процессоров – шина PCI. Однако и этого оказалось
мало, и на базе шины PCI для процессоров х86 класса Pentium и выше был
разработан специальный интерфейс AGP, имеющий производительность в 2
раза большую, чем PCI.
Для вывода графических изображений с высоким разрешением ни одна из
традиционных вещательных систем телевидения (PAL, SECAM или NTSC)
не подходит, поскольку они имеют существенно ограниченную полосу пропускания цветовых сигналов.
Для графики низкого разрешения, при которой частоты синхронизации
были близки к стандартам телевидения, использовался интерфейс Composite
Video. По коаксиальному кабелю (75 Ом) передавался полный стандартный
видеосигнал с размахом по амплитуде около 1,5 вольт.
Для мониторов с высоким разрешением можно использовать только прямую подачу сигнала на входы видеоусилителя базовых цветов – RGB-вход.
В настоящее время в качестве интерфейсов видеоадаптер-видеомонитор
используются:
1. Дискретный интерфейс RGB TTL;
2. Аналоговый интерфейс RGB;
3. Комбинированный интерфейс EVC;
4. Цифровой интерфейс DVT.
Схемотехническая информация по указанным интерфейсам приведена в
монографии 2.
174
Литература
1. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия, 2-е изд.
СПб.:Пи-тер, 2001. – 928 с.: ил.
2. Гук М. Интерфейсы ПК: Справочник – СПб: ЗАО «Издательство «Питер», 1999. – 416 с.: ил.
3. Томпсон Р., Томпсон Б. Железо ПК, 2-е изд. – СПб.: Питер,2003. – 864
с.: илл.
4. Огородов Ю.В. Курс лекций «Системы ввода-вывода и интерфейсы в
иллюстрациях и схемах». М.: МИФИ, 2002, 136 с
175
Приложение 1 Характеристики видеоадаптеров.
(В хронологическом порядке их появления)
MDA – (Monochrome Display Adapter) – монохромный дисплейный адаптер. Режим только текстовый, интерфейс монитора TTL-монохромный, 4
уровня яркости реализуются атрибутами знакоместа: обычный, подсвеченный, подчёркнутый, инверсный.
HGC – (Hercules Graphic Color) – графическое расширение MDA, обеспечивает режим 720 х 350 точек с двумя битами на пиксель.
CGA – (Color Graphic Adapter) – цветной графический адаптер (первая
графическая система РС). Режимы текстовый и графический, разрешение
низкое (320 х 200 точек). В текстовом режиме 16 цветов, в графическом 4 из
16 цветов. Интерфейс монитора RGB TTL и композитный, параметры синхронизации совпадают с телевизионными.
EGA – (Enhanced Graphics Adapter) – расширенный графический адаптер.
Режимы текстовый и графический, поддерживает видеорежимы MDA и CGA.
Интерфейсы монитора RGB TTL и композитный. Разрешение 640 х 350 точек. Цветность 16 цветов из 64.
PGA – (Professional Graphic Adapter) – профессиональный графический
адаптер с процессором трёхмерной графики. Появился в 1984 году и не прижился из-за высокой цены.
MCGA – (Multi Color Graphics Array) – блок видеосистемы на системной
плате PS/2. Поддерживает CGA и другие адаптеры. Интерфейс аналоговый.
VGA – (Video Graphics Array) – видеографическая матрица. Режимы текстовый (16 цветов) и графический (256 цветов из палитры 256К или 64 градации серого). Программно загружаемый знакогенератор. Разрешение
640 х 480 точек. Интерфейс RGB аналоговый, встречается (дополнительный
разъём) TTL RGB.
SVGA – (Super VGA) – супервидеографическя матрица, Видеопамять до
1 Мбайта, режимы текстовый и графический. Сопрягается с шинами ISA,
EISA, VLB, PCI, AGP. Параметры интерфейса монитора аналогичны VGA.
Наиболее популярны режимы с разрешениями 800 х 600 при 16/256 цветов,
1024 х 768, 1280 х 1024 при количестве цветов от 16 до 32 миллионов.
VESA SVGA – стандартизация режимов высокого разрешения (форматы, частоты развёртки, расширение BIOS – VESA BIOS). Определяют-ся
графические режимы 100h – 117h с разрешением 1280 х 1024 и текстовые с
High Color, True Color.
XGA – (eXtended Graphics Array) и XGA-2 – высокопроизводительные
32-битные Bus Master (управляющие доступом к памяти) адаптеры для шины
MCA 486+ компьютеров. Используют двухпортовую видеопамять. Параметры интерфейса аналогичны VGA, 16-и 256-цветные режимы с разрешением
1024 х 768 точек.
176
Приложение 2 Основные параметры современных
дисплеев
Разрешение
640 х 480
800 х 600
1024 х 768
1152 х 884
1280 х 1024
1600 х 1200
1920 х 1080
1920 х 1200
Цвета,
VideoRAM
256
65536
16,7 Мб
256
65536
16,7 Мб
256
65536
16,7 Мб
256
65536
16,7 мб
256
65536
16,7 Мб
256
65536
16,7 Мб
256
65536
16,7 Мб
256
65536
16,7 Мб
Частота кадровой развёртки, герц
60 70 72 85 100 120 150
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
177
Раздел 5 «Речевой диалог пользователя
с компьютером»
Раздел 5 «Речевой диалог пользователя с компьютером» ................................................. 177
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................. 178
ПРОЦЕСС РЕЧЕОБРАЗОВАНИЯ И ЗВУКИ РЕЧИ .......................................... 179
1. ПРИЗНАКОВОЕ ОПИСАНИЕ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ .............................. 181
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
СПЕКТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА ............................................................. 182
КЛИППИРОВАНИЕ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА............................................................................ 183
ВЫДЕЛЕНИЕ ФОРМАНТНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЧИ ............................................................. 183
КЛП-АНАЛИЗ РЕЧИ ............................................................................................................ 186
АВТОКОРРЕЛЯЦИЯ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА .......................................................................... 186
2. УСТРОЙСТВА РАСПОЗНАВАНИЯ РЕЧИ ................................................... 186
РАЗНОВИДНОСТИ УСТРОЙСТВ РЕЧЕВОГО ВВОДА И МОДЕЛЬ УСТРОЙСТВАРЕЧЕВОГО
.............................................................................................................................................. 186
2.2
ОБОБЩЁННАЯ СТРУКТУРА УСТРОЙСТВА РАСПОЗНАВАНИЯ РЕЧИ ................................. 190
2.3 СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ ПРЕДПРОЦЕССОРА .......................................................................... 192
2.1
ВВОДА
3. СИНТЕЗАТОРЫ РЕЧИ ........................................................................................ 199
3.1 РАЗНОВИДНОСТИ СИНТЕЗАТОРОВ РЕЧИ ............................................................................... 199
3.2 СИНТЕЗАТОРЫ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ КОДИРОВАНИЕМ/ВОССТАНОВЛЕНИЕМ
ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ РЕЧИ ..................................................................................................................... 201
3.3 АНАЛОГОВЫЙ СИНТЕЗ ФОРМАНТНЫХ ЧАСТОТ ................................................................. 205
3.4 ЛПК- синтезаторы…………………………………………………………………….......213
178
Введение
Термин «диалог» до 50-х годов XX века относился только к разговору двух людей. Обмен информацией человека с его орудиями труда до
этого не требовался, поскольку машины и механизмы в основном выполняли физические преобразования, результаты которых были очевидны.
Начальным моментом возникновения диалога человека с машиной (в
неявном виде) можно считать использование различного вида сигнализаторов и датчиков (световых, звуковых, механических), которые сообщали
работающему о состоянии машины, в основном предупреждая его о какихто граничных, опасных ситуациях. В этой начальной форме диалога можно условно выделить два потока информации: от человека к машине –
управляющая информация, передаваемая с помощью различных вентилей,
штурвалов, рычагов, рубильников, пускателей и т.п., и от машины к человеку – в виде показаний различных датчиков.
По мере усложнения машин, окружающих человека, названные потоки информации всё возрастали и ручное управление оказалось весьма
затруднительным, а в ряде случаев невозможным.
На первой стадии развития этой техники поступающая к человеку
информация характеризовалась обилием видов и форм. Кабина большого
самолёта, например, по количеству различных показывающих приборов
напоминает часовой механизм. Ещё сложней выглядит пульт управления
электростанцией, кабина космической орбитальной станции и т.п. Только
с внедрением микропроцессоров и ЭВМ в системы управления появилась
возможность регулировать потоки информации в человеко-машинных системах на основе унифицированных средств ввода, вывода, обработки и
хранения информации с учётом коммуникационных способностей человека.
Важное место в проблеме человеко-машинного общения занимают языки диалога. В противовес естественному человеческому языку
с его богатыми возможностями «смысловыражения» были созданы многочисленными языки дескрипторного типа, которые внешне напоминают
естественный язык, поскольку используют языковую лексику, но по
структуре связей между словами практически не отличаются от формализованных машинных языков с их жёсткой структурой и однозначной
смысловой нагрузкой элементов языка.
Таким образом, научить человека машинному языку трудно, да и
вряд ли целесообразно. Гораздо полезней научить машину понимать естественный язык. Сейчас стало очевидным, что только естественные языки
(или их версии, соответствующие ограниченным предметным областям
знаний) могут стать перспективной базой общения человека с ЭВМ.
Особое место в проблеме общения человека с ЭВМ занимает
форма диалога. Ручной ввод требует значительного зрительного внимания. Экран дисплея отгораживает от человека объекты управления, лишает
возможности непосредственного контакта с управляемыми средствами.
Кроме того, ручной ввод является медленным, ненадёжным и утомительным. В связи с этим предпочтительнее устная форма диалога, которая сулит большие преимущества, но и требует значительных усилий для её
практического осуществления.
179
Живая человеческая речь обладает значительными отличиями
от всех технических сигналов; для её автоматического распознавания и
понимания недостаточно традиционных способов обработки сигналов,
необходимо в максимальной степени учитывать свойства человеческого
восприятия речи.
Вывод речи из ЭВМ выполняется на основе синтеза речи, который
представляет или восстановление предварительно закодированной ес- тественной речи, или получение речеподобной последовательности искусственно созданных звуков.
Техника синтеза практически продвинулась значительно дальше техники распознавания. Это и понятно: с информационной точки зрения
распознавание и синтез соотносятся между собой как человек и попугай.
Другая причина успехов синтеза – наличие математических и электронных моделей процессов речеобразования [1].
ПРОЦЕСС РЕЧЕОБРАЗОВАНИЯ И ЗВУКИ РЕЧИ
Речеобразование является одним из сложнейших психофизиологических процессов. В нём тесно переплетены уровни создания звуков, слов,
фраз, передачи смысла. Внешней, акустической речи предшествует этап
так называемой внутренней речи. Внутриречевая программа будущего
высказывания складывается из «смысловых вех», то есть включает в себя
корреляты отдельных, особенно важных для высказывания компонентов.
Речевой аппарат человека условно можно разделить на источник
возбуждения звука – органы дыхания, голосовая щель и речевой тракт –
полости рта и носа. Подвижные органы речевого тракта называют артикуляционными органами (в основном это язык, губы, мягкое нёбо, нижняя челюсть).
Звуки речи возникают обычно на выдохе. Возбуждение звуков может
быть тональным или шумовым.
В первом случае, создавая давление воздуха в лёгких и напрягая голосовые связки, мы вызываем колебательные движения этих связок. В результате в речевой тракт поступают импульсы воздуха, их частота зависит главным образом от перепада давления воздуха до и после голосовой
щели, от массы и размера голосовых связок, от степени их напряжения.
Эта частота и определяет высоту тона голоса.
Во втором случае связки не напряжены, свободная струя воздуха, не
встречая на пути препятствия, создаёт шум.
Выходной звук определяется характером возбуждения и конфигурацией речевого тракта. Если при тональном возбуждении конфигурация
речевого тракта представляет как бы набор резонансных полостей, то на
выходе образуются сложные колебания, содержащие гармоники (обертоны) основного тона. Состав обертонов и определяет тот или иной гласный звук.
Если же при тональном возбуждении в речевом тракте создано существенное сужение, то выходной сигнал будет содержать как гармоническую (тональную) компоненту, так и шумовую, что характери- зует звонкие согласные (например, з. ж).
В случае шумового источника образуются глухие согласные
(например, с, ш).
180
Особое место в речеобразовании занимает динамика работы артикуляционных органов. Некоторые звуки могут быть произнесены при
статическом положении речевого тракта, это так называемые протяжные звуки (например, а, о, с, х). Другие звуки характеризуются определённой динамикой органов артикуляции. Например, звук ц характеризуется предварительным полным перекрытием речевого тракта и затем резким нарастанием шумовой составляющей. Этот звук невозможно тянуть
или произносить медленно.
Важно также заметить, что в процессе речи речевой тракт находится
в постоянной перестройке, что ведёт к значительному взаимному перекрытию отдельных звуков и отсутствию физически очевидных межзвуковых границ. Это составляет важную особенность речевого сигнала, которую необходимо учитывать как при распознавании, так и при синтезе речи.
Основной единицей звукового строя языка является фонема. Звуковой состав различных языков имеет свои особенности. В русском языке
насчитывают 41 фонему [1]. Это деление условно и может подвергаться
сомнениям, как любое деление сложного процесса на части.
Многие согласные буквы имеют два фонетических аналога: твёрдый
и мягкий. Некоторые гласные буквы (дифтонги, в ряде публикаций их
называют дифонами), напротив, не имеют фонетических аналогов, а отображаются двойными звуками (j+гласный, например, я=j+а, ю=j+у).
При изучении письменной речи мы постепенно осваиваем эти сложные соотношения между тем, что пишется, и что произносится (и слышится). С этой точки зрения фонетическая транскрипция «называет вещи своими именами», непосредственно указывая, что именно надо произносить,
не прибегая к анализу звукового контекста и других факторов. Фонетический текст служит основой при построении некоторых типов синтезаторов
речи
Чтобы показать соотношение фонетического содержания речи и
письменного текста сравним соответствующие описания фрагмента текста [2].
Орфографическая форма:
«В одной из отдалённых улиц Москвы, в сером доме с белыми
колоннами, антресолью и покривившимся балконом жила некогда
барыня-вдова, окружённая многочисленной дворней».
Фонетическая форма:
«ва-дной-из-ад-да-лен-ных у-лиц ма-сквы, фсе-рам до-ме збе-лы-ми
ка-лон-на-ми, а-нтре-соль-jу и па-кри-виф-шы-мся-ба-лко-нам, жы-ла
не-ка-гда ба-ры-ня-вда-ва, а-кру-жон-наjа мна-га-чис-лен-най двор-ней»
Как видно из фонетической формы, построенной на основе одного из
диалектов русского языка – московского диалекта, распознавание речи
представляет собой очень сложную проблему.
Понятие «фонема» может рассматриваться как абстрактное, типизированное представление звука языка. В живой речи существует, однако,
бесчисленное множество разнообразных физических реализаций каждой
фонемы. Одна из главных закономерностей в изменчивости фонем – это
влияние соседних звуков. Разновидности фонемы, обусловленные звуко-
181
вым окружением, называют её «аллофонами». С учётом аллофонов
звуковой состав речи может насчитывать 100 – 140 и более различных
звуков.
Другие систематические факторы изменчивости фонем – это индивидуальные особенности артикуляции, местные диалекты, пол, возраст.
В силу всех этих причин речевой сигнал считают квазислучайным,
обладающим регулярной и случайной компонентами, что важно учитывать при автоматическом распознавании речи и речевом синтезе.
Фонемы можно классифицировать на основе различных подходов:
артикуляционного, слухового и технического.
При артикуляционном подходе признаками фонем являются факты,
связанные с движением (или положением) речеобразующих подвижных
органов [1]. Гласные фонемы различают при этом по степени подъёма
языка, по степени его продвинутости вперёд-назад, по участию губ.
Например, звук «а» является гласным низкого подъёма (или открытым),
заднего ряда, не огублённым (губы не участвуют).
Согласные фонемы характеризуют признаками места (при помощи
какого действующего органа они образуются – губные, переднеязычные,
среднеязычные, заднеязычные), способом образования звука (сближение
произносительных органов, смыкание-размыкание, дрожание), наличием
голосового источника (звонкие, глухие), твёрдостью-мягкостью, участиемнеучастием носовой полости (ротовые, нозальные).Звук «б», например,
является губным по месту образования, взрывным по способу образования, звонким по участию голосового источника (голосовой щели), мягким,
ротовым.
Слуховой подход к классификации звуков основан на выделении
таких признаков, как звонкость, шумность, нозальность (участии полости
носа), компактность и др. Эти признаки определяются методами психоакустики.
Технический подход основан на описании фонем совокупностью
измеренных параметров. Это могут быть последовательности спектральных отсчётов, формантные частоты (см. ниже) и ряд других. В любом
случае эти описания приводят к сложным алгоритмам распознавания фонем.
1. ПРИЗНАКОВОЕ ОПИСАНИЕ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ
Поскольку во всех устройствах распознавания речи и речевых синтезаторах носителями информации являются электрические сигналы (аналоговые и цифровые), предварительно дадим некоторые определения и определим численные характеристики некоторых из них.
Речевой аппарат говорящего можно уподобить резонатору – устройству, при возбуждении которого рождается акустический сигнал, преобразуемый с помощью микрофона и усилителя в электрический сигнал. При
неизменных параметрах резонатора (положение языка, губ, нёба) этот резонатор генерирует акустический сигнал с неизменной частотой – сигнал
основного тона. При этом частота основного тона мужских голосов лежит в пределах 130 – 146 Гц, женских – 188 – 295 Гц. В тех случаях, когда
182
речь содержит сильные ударения, эмоционально окрашена (крик) частота
основного тона поднимается до 400 Гц.
При произнесении связной речи речевой аппарат человека находится
в постоянном движении – непрерывно перестраивается. Это рождает в речевом сигнале так называемые обертоны – сигналы с частотой кратной
основному тону, что делает речевой сигнал насыщенным и воспринимается ухом человека лучше.
Частотный диапазон речи равен 20 – 20000 Гц (как правило меньше).
В телефонном канале этот диапазон существенно меньше – 1000 – 6000 Гц
без заметной потери информации при разговоре.
Так как речевой сигнал является квазислучайным, его трудно обрабатывать общепринятыми методами. Поэтому речевой сигнал заменяют рядом его признаков, которые должны достаточно хорошо представлять речевой сигнал в процессе его обработки в ЭВМ.
Признаками речевого сигнала принято называть совокупность параметров, которая непосредственно используется при распознавании и синтезе речи.
Известно несколько методов анализа речевого сигнала с целью выделения его признаков:
1. Спектральное описание речевого сигнала;
2. Клиппирование речевого сигнала;
3. Выделение формантных параметров речи;
4. КЛП-анализ речи;
5. Автокорреляция речевого сигнала.
1.1. Спектальное описание речевого сигнала
Речевой сигнал, полученный с микрофона и усиленный до заданного
уровня может быть разложен на гармонические составляющие или представлен как интеграл бесконечного числа гармонических составляю-щих:
∞
F(t) = Σ Cn Сos( n ω t)
(*)
n=0
где: n- номер гармоники;
Cn-амплитуда гармоники;
ω частота (круговая).
Спектром сигнала F(t) называют совокупность простых гармонических колебаний, на которые может быть разложено сложное колебательное движение. По сути выражение (*) является аналитическим спектром
функции F(t). При этом гармонические колебания имеют характерный линейчатый спектр, а негармонические и затухающие колебания – сплошной спектр (см. рис.1,а,б, соответственно).
Основным способом разложения сигнала в спектр является преобразование Фурье с последующей полосовой фильтрацией. Речевой сигнал
обычно анализируется в полосе частот от 50 Гц до 12 Кгц или меньше (300
– 3400 Гц в телефонном канале). Число спектральных полос не поддаётся
183
точному расчёту и подбирается экспериментально (5 до 16, а иногда значительно больше). Для определения амплитуд спектральных составляющих используется детектирование.
В результате спектрального разложения речевого сигнала (фонем)
получают «спектральный портрет» звукового образа речи:
А0,
А1,
А2,
ω1, ω2 ω3,
где: Аi – амплитуды гармоник;
ωi – частоты гармоник.
Аn
ωn
1.2. Клиппирование речевого сигнала
Клиппирование является простейшим методом анализа речевого
сигнала и заключается в предельном усилении сигнала с последующим
ограничением по амплитуде (см. рис.2,а).
Преобразование сигнала f(t) л в цифровую форму позволяет записать его в память ЭВМ и обработать с целью получения «цифрового портрета речевого сигнала».
Клиппированная речь обладает удовлетворительной разборчивостью,
то есть несёт в себе ещё достаточно информации для различения слов и
понимания фраз, несмотря на большое упрощение формы сигнала.
Разборчивость клиппированной речи значительно возрастает, если
клиппированный сигнал смешивают с его клиппированной производной.
Однако при этом более чем вдвое возрастает сложность описания речи.
Анализ клиппированного сигнала сводится к подсчёту числа переходов через нулевой уровень в единицу времени и учёту распределений интервалов времени между нуль-переходами
1.3. Выделение формантных параметров речи
Если произнести в микрофон некоторую фонему и, затем, усилить
сигнал с микрофона, построить кривую I=f(ω), где I-интенсивность (для
простоты – амплитуда сигнала), ω круговая частота сигнала, то можно получить график функции, которая в теории анализа речевых сигналов называют формантной характеристикой (см. рис. 2,б). Эта характеристика
представляет собой графическое изображение спектра речевого сигнала,
полученного при произнесении фонем букв «а» и «о». Приведённые на
рисунке характеристики представляют собой частотный портрет фонем и
имеют вид кривых с тремя чётко выраженными горбами на частотах ω1,
ω2 и ω3 (некоторые фонемы имеют до 6 таких горбов и, соответственно,
частот). Эти частоты называют формантными частота-ми. В теории
формантного анализа сигналов показано [3], что для хороше-го качества
распознавания фонем и синтеза речевого сигнала достаточно задать параметры нескольких старших (первых трёх) формант основного тона и источника шумового сигнала.
184
Формантный анализ речи является развитием спектрального анализа
применительно к специфике речеобразования. Данный вид анализа является весьма сложным, поскольку необходимо с высокой надёжностью различать (тональные) и глухие участки речи, вырабатывая признак тон/шум,
определять параметры шума и параметры речевого тракта. Параметрами
тракта является информация о резонансах: определяются формантные частоты (от 2 до 6) и их полосы.
185
186
1.4. КЛП-анализ речи
Этот метод основан на вычислении коэффициентов линейного предсказания (КЛП). Метод позволяет описать речевой сигнал наиболее точно
и в то же время компактно. В ходе обработки текущие отсчёты речевого
сигнала, взятые с интервалами квантования 50 – 120 мкс, сравниваются с
линейными комбинациями ограниченного ряда (4 – 12) предыдущих отсчётов. Эти линейные комбинации называют предсказанными отсчётами.
Коэффициенты в линейных комбинациях определяются статистическим
путём на участках речи длительностью 10 – 20 мс с таким расчётом, чтобы
расхождение между предсказанными и текущими значениями были минимальными. Массивы этих коэффициентов и являются результатом КЛПанализа. Алгоритмы вычисления ЛПК довольно сложны, они реализуются
в реальном времени только на очень быстрых ЭВМ.
1.5. Автокорреляция речевого сигнала
Автокорреляционная функция (АКФ) сигнала однозначно связана с
его спектром [1]. АКФ вычисляется либо на сравнительно длинных отрезках (секунды и более), либо на временных сегментах длительностью 10 –
20 мс. В первом случае получают обобщённые оценки сигнала, во втором
– описание текущего сигнала, адекватное характеру артикуляционных
движений, то есть получают параметры , пригодные для распознавания
звуков.
Если анализируемый сегмент представлен последовательностью отсчётов сигнала X1, X2, X3,…,Xn, тогда для вычисления кратковременной
АКФ можно использовать выражение:
N-τ
B(τ)= 1/(N-τ) Σ Xt Xt+τ
T=1
При значениях τ равных 0, 1, 2, …, 9 получается набор коэффициентов АКФ: B(0), B(1), B(2), …,B(9), однозначно определяющих данный
сегмент.
В реальном масштабе времени далеко не каждая ЭВМ может выполнить такую обработку сигнала [1].
2. УСТРОЙСТВА РАСПОЗНАВАНИЯ РЕЧИ
2.1. Разновидности устройств речевого ввода и модель
устройства речевого ввода
Задача распознавания речи (речевого ввода) существенно сложнее
задачи синтеза речи (речевого вывода) и к настоящему времени решается
лишь при ряде ограничений [3]:
1. Ограничен объём словаря для вводимой информации (от 50 до 300
слов; при увеличении словаря падает достоверность, растёт время распознавания);
2. Устройства ввода распознают изолированно (раздельно) произносимые слова. Задача распознавания слитной речи пока окончательно не
решена;
187
3. Проявляется зависимость достоверности распознавания от индивидуальных свойств речи конкретного оператора, вследствие чего требуется
настройка устройства на данного диктора и его словарь. Достоверность
распознавания при соблюдении некоторых условий достигает тем не менееь 92 – 99 %.
В связи с перечисленными выше ограничениями устройства речевого
ввода (УРВ) можно классифицировать следующим образом:
1.Устройства для распознавания изолированной или слитной речи;
2.Устройства с ограниченным словарём (словником);
3.Устройства адаптированные на конкретного диктора
Большинство реально работающих устройств использует сравнительно несложный общий алгоритм распознавания речи, суть которого
кратко заключается в следующем.
Предварительно, на этапе обучения устройства формируется и
записывается в память словарь эталонов – массив слов, которые
устройство должно распознавать с заданной достоверностью. Затем на
этапе распознавания произнесённое диктором слово (реализация)
сравнивается последовательно со всеми эталонами и вырабатывается
решение о сходстве (несходстве) реализации и эталона.
Сравнительная простота общего алгоритма распознавания реализуется намного сложней, так как к техническим параметрам отдельных узлов
УРВ предъявляются очень жёсткие требования. По этим причинам
устройства распознавания речи развиты в настоящее время слабей, чем
синтезаторы речи.
На рис.3 приведена модель устройства распознавания речи, с использованием которой (и её аналогов) были разработаны реальные устройства
(в том числе такие серийные отечественные устройства как ИКАР, УРВ
РМ, ЛЕКСИНАР и др.).
Модель УРВ состоит из нескольких блоков, каждый из которых реализует часть общего алгоритма распознавания речевого сигнала. Работа
модели разбивается на два самостоятельных этапа (режима) работы:
а) Режим обучения устройства, на котором происходит формирование словаря (словника);
б) Режим распознавания – основной режим работы УРВ.
Модель основана на распознавания раздельно произносимых слов,
так как в этом случае временные интервалы между словами чётко различимы и не усложняют алгоритм. В составе модели имеется мини-дисплей
(МД), который информирует диктора о том какие действия диктор должен
предпринимать, если в работе УРВ имеются какие-либо неполадки или отклонения от алгоритма или о том, что обучение устройства или распознавание слов происходит нормально.
Опуская некоторые детали, рассмотрим несколько упрощенный
принцип работы модели УРВ
РЕЖИМ ОБУЧЕНИЯ УСТРОЙСТВА (Режим 1): Диктор (Д) последовательно произносит в микрофон отдельные слова. Речевой сигнал с
микрофона усиливается усилителем и в нормированном виде поступает на
дальнейшую обработку – блок 1. Далее в блоке 2 происходит преобразование аналогового речевого сигнала X(t) в цифровую форму – формируется цифровое информационное описание речевого сигнала X*(t). Алгоритм
формирования цифрового описания зависит от того, какой метод положен
188
189
в основу формирования признаковых параметров. Будем считать, что речевой сигнал подвергается спектральному анализу (см. раздел 2.1). В
блоке 3 происходит формирование словаря УРВ и запись словаря в память
устройства. Формирование словаря происходит последовательно для всех
слов, которые должны входить в словарь На этом заканчивается режим 1 –
режим обучения УРВ.
РЕЖИМ РАСПОЗНАВАНИЯ (режим 2): Этот режим является основным, то есть это собственно режим распознавания слов. Начальная
часть режима (блоки 1 и 2) реализуются аналогично.
Сформированный цифровой образ слова, произнесённого диктором
слова – реализация Xp(i) – поступает в блок 4, в котором происходит
сравнение реализации с эталонами Xэ(j). В этом же блоке происходит нормализация темпа речи методом деформации оси времени с тем, чтобы длительность звучания реализации соответствовала длительности звучания
эталона. Результатом работы блока 4 массив данных – так называемых
мер сходства (или несходства) – {Mk}, каждая из которых характеризует
близость произнесённого слова к эталонам.
В блоке 5 происходит анализ мер сходства и вырабатывается решение, определяющее результат распознавания.
Возможны 5 вариантов решения (подсказок диктору):
а) Входная реализация тождественна (близка) одному из эталонов заданного словаря;
б) Реализация не принадлежит данному словарю;
в) Реализация равноудалена от нескольких эталонов словаря;
г) Реализация произнесена тихо;
д) Реализация не принадлежит к классу речевых сигналов (помеха).
Разумеется, эта модель, достаточно точно отражающая суть алгоритма распознавания и принцип реализации его в УРВ, рассмотрена с учётом
большого количества упрощающих предположений. Это сделано намеренно с целью избежать излишних подробностей, мешающих понять суть
процесса распознавания речи.
190
2.2
Обобщённая структура устройства распознавания речи
Обобщённая структура устройства распознавания речи (УРВ) приведена на рис.4. В приведённой структуре УРВ используется метод спектрального представления речевого сигнала.
На структурной схеме использованы следующие обозначения:
Д – дисплей (минидисплей) устройство, замыкающее цепь обратной
связи, позволяющее информировать диктора о состоянии устройства (режим подсказок диктору);
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, хранящее микропрограммы управления ЭВМ нижнего уровня (МП, μЭВМ);
ОЗУ-ЭТ – оперативное запоминающее устройство эталонов, хранящее эталоны;
ПП – предпроцессор, аналого-цифровое вычислительное устройство,
осуществляющее спектральный анализ речевого сигнала с последующим
преобразованием данных в цифровую форму.
ЭВМ (МП, μЭВМ) – ЭВМ нижнего уровня, управляющая потоками
информации в УРВ;
ПДП – процессор динамического программирования, осуществляющий вычисление мер сходства между реализациями и эталонами;
Кл – клавиатура;
ИБ – интерфейсный блок (интерфейс), связывающий УРВ с ЭВМ
верхнего уровня.
Данная структура функционирует в полном соответствии с моделью
устройства речевого ввода, рассмотренного выше.
Определённую специфику в данную структуру вносит предпроцессор, который реализует начальную стадию работы устройства как в режиме обучения (создания словаря), так и в режиме распознавания. Структура
предпроцессора во многом определяет работу УРВ в целом.
191
192
2.3 Структура и функции предпроцессора
Как уже отмечалось выше, предпроцессор, являясь специализированным вычислительным устройством аналого-цифрового типа, выполняет
первичную обработку и преобразование речевого сигнала.
В основу алгоритма работы предпроцессора могут быть положены
различные методы образования признаковых параметров, характеризующих аналоговый речевой сигнал. В зависимости от выбранного метода изменяется не только структура предпроцессора, но и в той или иной мере и
структура всего УРВ. В приведённой на рис.5 структурной схеме предпроцессора используется метод разложения речевого сигнала на его спектральные составляющие с последующим преобразованием составляющих
спектра в цифровую форму.
В структуре предпроцессора можно выделить несколько основных
блоков (второстепенные блоки опущены, так как они играют вспомогательную роль). На структуре предпроцессора приняты следующие обозначения:
М – микрофон диктора;
У – усилитель, осуществляющий усиление сигнала, поступающего с
микрофона и нормирующего амплитуду (размах) речевого сигнала до необходимого уровня, принятого в данном устройстве (ПП);
БПФ – блок полосовых фильтров «вырезающих» из сравнительного
широкополосного речевого сигнала ряд гармонических сигналов с частотами f1, f2, f3, …,fn. В блоке полосовых фильтров количество его элементов выбирается в зависимости от заданного диапазона частот речевого
сигнала и составляет для разных вариантов УРВ величину n =5 – 12-16, а
иногда значительно больше. Частота f1 является (как правило) частотой
основного тона речевого сигнала (см. ниже).
На выходах БПФ образуется n напряжений синусоидальной формы
Uf,i , которые по частоте равномерно распределены в диапазоне f1 – fn.
Этот набор «гармоник» представляет собой спектр речевого сигнала, зафиксированного в ряде точек частотного диапазона речевого сигнала.
Гармонические колебания Uf,i подаются на соответствующие входы блока детектирования для дальнейшей обработки спектральных составляющих речевого сигнала.
БД – блок детектирования; осуществляет образование и запоминание максимальных амплитуд сигналов Uf,i в каждом из частотных каналов или (амплитуд этих сигналов, превышающих заданный уровень).
КОМ – высокочастотный коммутатор, осуществляющий под управлением МП подачу компонентов X1,к – Xn,к на АЦП.
193
194
АЦП – аналого-цифровой преобразователь; преобразует двоичный
код в к-ом столбце в вектор-столбец – набор цифровых данных а1к – аnк.
Временная диаграмма, иллюстрирующая работу предпроцессора
приведена на рис.6. Временная диаграмма построена в сокращённом виде
– всего для 3-х частотных каналов (1-го – 3-го из 16), что не влияет на
общность рассмотрения.
С выхода усилителя У (см. рис.5) нормированный по амплитуде речевой сигнал X(t) поступает на блок полосовых фильтров (БПФ), на котором он преобразуется в гармонические составляющие Uf1 – Uf3 (аргумент t на временной диаграмме и на рис.5 опущен). Синусоидальные сигналы поступают на блок детектирования БД, который преобразует (детектирует) гармонические сигналы, то есть фиксирует максимальную амплитуду сигнала на отрезках времени, на которых гармонический сиг-нал
положителен (Ufi >0). На выходах блока детектирования, таким образом,
возникают прямоугольные сигналы X1(t) – Xn(t), где n – номер частотного канала. Длительность этих сигналов уменьшается в соответствии с
возрастанием номера частотного канала.
Параллельно с образованием указанных выше сигналов производится формирование двоичной матрицы (см.рис.6), которая представляет
собой «цифровой портрет» речевого сигнала, состоящий из двоичных
единиц и нулей. Каждый элемент матрицы образуется в момент появления
синхроимпульса (СИ), который фиксирует номер отсчёта по времени.
Элемент матрицы принимает значение «1», если сигнал Xi (t) имеет
высокий уровень и равен «0 в противном случае. Так в первом столбце
матрицы зафиксированы три двоичных единицы (отсчёт № 1, код 111…), а
во втором столбце две единицы и нуль (отсчёт №2, код 101…)
Сформированный на очередном отсчёте столбец матрицы (а1, а2,
а3,…,аn) записывается в ОЗУ-ЭТ (см. рис.4). В результате обработки речевого фрагмента в ОЗУ эталонов формируется матрица эталонов.
В режиме распознавания формирование матрицы речевого сигнала
(матрицы реализации) осуществляется аналогично. Матрица реализации
сразу же передаётся в блок сравнения с матрицами эталонов (блок 4, см.
рис.3), после чего реализуется алгоритм сравнения матрицы реализации с
матрицами эталонов.
На рис.7 приведена матрица признаков распознаваемого слова. Строки матрицы (16 строк) соответствуют номеру частотного канала, а столбцы – номеру отсчёта по времени. В режиме распознавания, выполняется
последовательное сравнение всех эталонов словаря с набором аналогичных признаков, полученных при произнесении слова (команды) в микрофон УРВ. По результатам анализа полученных мер сходства (или несходства) со всеми эталонами. По результатам анализа полученных мер сходства микропроцессор принимает решение и передаёт его на дисплей (Д) и
в интерфейсный блок.
Сравнение эталонов и вычисление мер сходства сопряжены с трудностями. Например, возникает задача их нормализации по длительности,
так как при речевом вводе одного и того же сообщения могут быть значительные отличия формы и величины исходного сигнала с микрофона из-за
нелинейного изменения темпа речи или силы голоса.
195
196
Амплитудные изменения учитываются при обработке речевого сигнала в предпроцессоре (ПП). Изменения в темпе произнесения учитываются более сложным путём [3], например, нормализацией сигнала по
времени, разбиением его на определённое число интервалов, что не всегда
даёт удовлетворительный результат, или использованием алгоритмов динамического программирования (ДП), обеспечива-ющих наилучшее возможное выравнивание между неизвестным высказыванием и эталоном.
Для реализации прцедуры ДП составляется матрица близости или
различия двух образов: реализации (распознаваемого слова) и очередного
эталона, с которым производится сравнение. Для выполнения процедуры
ДП первый столбец матрицы признаков слова сравнивается со всеми
столбцами признаков эталона. Оцениваются меры близости этих отдельных отсчётов – частичные меры. Они заносятся в первую строку
формируемой таким образом матрицы близости образцов.
Для определения частичной мерой близости можно воспользоваться,
например, простейшим правилом: при полном совпадении кодов в каждом из разрядов столбцов результат равен сумме разрядов столбцов
(16 в нашем случае, см. рис.7), при совпадении в половине разрядов – 8 и
так далее. В случае определения меры отличия (несходства) – картина
обратная – результат равен нулю при полном совпадении кодов и
нарастает в зависимости от степени отличия.
Затем берутся остальные столбцы матрицы признаков слова и каждый из них последовательно сравнивается со столбцом матрицы признаков
эталона. В ходе такой процедуры последовательно заполняется вторая и
остальные строки матрицы близости (или различия) образов.
Рассмотрим матрицу различия для слова «ПУСК» (см. рис 8). Приве
дённые на рисунках случаи соответствуют двум вариантам произнесения
слова. При полном совпадении слова и его эталона значения с минимальным различием частичной меры располагаются строго по диагонали (см.
рис. 8,а).При временных искажениях в произнесении слова может быть
вариант, представленный нп рис.8,б. Чтобы определить меру различия
двух образов, необходимо просуммировать частичные меры различия
по любому пути, соответствующему возможным деформациям оси
времени. При этом оптимальная деформация даёт минимальную меру
различия образов.
Для нахождения оптимального пути используют аппарат ДП. Один
из возможных вариантов процедуры ДП выглядит так:
M(i-1, j) + m(i, j);
М (i, j) = min
{ M(i-1, j-1) +2m(i, j);
(*)
M(i, j-1) +m(i, j),
где; i-координата по оси ординат – номер отсчёта признаков распознаваемого слова; j-координата по оси абсцисс – номер отсчётов признаков
эталона; M-полная мера различия в точках матрицы; m-частичная мера
различия.
197
198
На основе выражения (*) строится матрица оптимального пути и
подсчитывается мера M(I,J) в его конце.
Как видно из изложенного выше процесс распознавания, состоящий
из вычисления мер сходства (различия) реализации и эталона очень трудоёмкий процесс. Поэтому для реализации алгоритмов ДП используется
специализированный процессор, так как решение этой задачи программными средствами приводит к большим затратам времени.
Учитывая относительно большой словарь УРВ, а также тот факт, что
каждое слово произносится некоторое время (разное для разных слов),
ДП-процессор, кроме того, должен нормировать время произнесения и
слова и в приемлемое время дать ответ о сходстве (несходстве) произнесённого слова и эталона. Поэтому ДП-процессор реализуется аппаратно.
Дадим ориентировочные временные оценки и требования к объёму памяти. Исходными данными являются:
Средняя длина произносимого слова
∆t=0,6 сек;
Периодичность опроса
(fси не ниже частоты основного тона)
τ = 15 мс;
Разрядность матрицы эталона по строкам
n = 16.
Эталон описывается областью памяти:
Vэт = (∆t·n)/τопр= (0,6·16)/0,015 = 640 бит = 80 байт.
Если словарь составляет m=200 слов, то объём памяти словаря составляет:
Vсл = Vэ·m = 640·200 ≈ 15,6 Кбайт.
Если время ответа (распознавания) составляет tотв = 0,8 с (УРВ
«ИКАР»), то время на вычисление меры сходства (матрицы меры) составляет:
t выч = t отв/m = 0,8/200 ≈ 4 мс
За это время необходимо вычислить матрицу сходства по алгоритму
рассмотренному выше.
199
3. СИНТЕЗАТОРЫ РЕЧИ
3.1
Разновидности синтезаторов речи
Устройство, осуществляющее преобразование символьного представления информации принятого в ЭВМ в звуковой сигнал, принято называть синтезатором речи.
Как может быть это ни странно, но процесс формирования речи реализуется технически проще, чем процесс распознавания речи.
Синтезаторы речи различают по исходному речевому материалу. Это
может быть:
а) Предварительно закодированная (сжатая по возможности) в виде
слов, слогов, фраз или сегментов человеческая речь;
б) Искусственные речеподобные звуки, сформированные электронным устройством.
Вне зависимости от используемого в синтезаторе метода процесс
преобразования символьного сообщения в речевой сигнал состоит из 2-х
основных этапов:
1-й этап – конструирование речевого сообщения;
2-й этап – собственно речевой синтез.
Конструирование речевого сообщения (РС) заключается в выработке
некоторой последовательности команд управления средствами собственно
синтезатора. Конструирование РС может выполняться программным путём с использованием аппаратуры, встроенной в синтезатор.
Собственно речевой синтез РС выполняется аппаратурой речевого
синтезатора.
Одним из существенных различий синтезаторов состоит в том, ЧТО
именно является объектом кодирования (сжатия): фронт речевой волны (временное описание речевого сигнала), спектр сигала или со-
стояние речевого тракта.
Все синтезаторы могут быть подразделены на 2 разновидности:
а) Синтезаторы, работающие по образцам (компилятивный синтез);
б) Синтезаторы, формирующие речь по правилам (фонетический
синтез).
К первой разновидности могут быть отнесены устройства, использующие:
- Кодирование речи с последующим восстановлением;
- КЛП-методы –математическое восстановление речи;
Ко второй разновидности могут быть отнесены синтезаторы, использующие:
- Формантный синтез речи;
- Фонемный синтез речи.
На практике самое широкое распространение получили три основные технологии синтеза речи:
1. Методы кодирования-восстановления формы речевых сигналов
(компилятивные методы);
2. Аналоговые методы синтеза формантных частот (фонетические
методы).
200
3. Методы цифрового моделирования голосового тракта (компилятивные методы)
а) Методы кодирования-восстановления формы речевых сигналов
Эти методы являются одними из элементарных подходов к синтезу
речи. По существу компьютер данном случае просто служит устройством
для записи и хранения человеческой речи, которая подвергается предварительной обработке (кодированию), а затем преобразованию (восстановлению) и выводится на динамик [4].
У этих методов есть серьёзный недостаток: для хранения речевых
сообщений в их непосредственной форме нужна память большого
обёма.
Хотя речь, полученная таким способом, приближается по качеству к
очень хорошей, требования к объёму памяти часто оказываются неприемлемыми.
Тем не менее, когда словарь не очень велик ( 20 – 30 слов или фраз)
данный метод весьма привлекателен, так как не требует большого количества дополнительной аппаратуры.
б) Аналоговые методы синтеза формантных частот
Выше было дано определение формантной частоты речевого сигнала. Для удовлетворительного распознавания и синтеза речи достаточно
использовать 3 из 6-и старших формант. Тем не менее, использование
формантных частот даёт неестественное звучание речи, что объясняется
особенностью источника речи. В устройствах этого типа естественная
речь человека не используется, так как синтез речи основан на электронном моделировании голосового тракта человека, поэтому синтезатор «говорит» голосом робота. Кратко процесс синтеза заключает-ся в следующем.
Орфографический текст разбивается на фонемы, которые преобразуются в фонетическое описание текста, затем формируются последовательности управляющих слов, которые используются для управления собственно синтезатором.
Отличительной особенностью этого метода является принципиальная возможность создания синтезатора с неограниченным словарём, так
как в основу его положена элементарная частичка речи – фонема. Роскошь неограниченного словаря никакому другому типу синтезаторов не
доступна. Это в значительной степени искупает основной недостаток
синтезатора – неестественное звучание речи.
в) Синтезаторы третьего типа используют метод цифрового моделирование голосового тракта человека.
Наиболее распространённая реализация этого метода известна под
названием Линейного Предиктивного Кодирования (ЛПК), а синтезаторы называют ЛПК-синтезаторами.(термин «предиктивный» означает
предсказательный).
ЛПК синтезаторы обладают по сравнению с другими типами синтезаторов преимуществами, связанными с относительной простотой их реализации в виде цифровых микросхем, меньшей стоимостью их производства и меньшей эквивалентной скоростью передачи информации. Словарь
в ЛПК-синтезаторе создаётся (как и в синтезаторов первой группы) с участием говорящего человека; закодированная таким образом челов-ческая
201
речь на этапе синтеза не подвергается прямому восстановлению. Она обрабатывается специальным цифровым анализатором, и в результа- рте такого анализа образуются так называемые предикторные коэффици-енты –
параметры, которые используются непосредственно для управле-ния собственно синтезатором. Предикторные коэффициенты представля- ют собой частотные и голосовые коэффициенты речи. Такой подход позволяет
значительно снизить объём необходимой памяти.
3.2 Синтезаторы с непосредственным кодированием/восстановлением человеческой речи
Синтезаторы этого типа используют, как показано выше, компилятивный метод синтеза. Это означает, что в основу построения синтезатора
положен принцип работы по образцам. В качестве образца берётся живая
человеческая речь, которая предварительно кодируется, то есть преобразуется в цифровую форму и сохраняется в памяти компьютера. Принцип кодирования речевого сигнала иллюстрирует рис.9,а.
На верхнем рисунке приведён фрагмент речевого сигнала А(t). Этот
сигнал с помощью устройства, называемого схемой выборки, квантуется с
частотой синхроимпульсов (СИ), и на выходе схемы выборки образуются
отдельные значения речевого сигнала А*(t). Амплитуда этих сигналов соответствует величине сигнала А(t) в момент выборки, то есть в момент поступления СИ на схему выборки. Затем отдельные выборки произнесённого в микрофон слова или фразы преобразуются в код и записываются в
память. Массиву байтов, соответствующих слову (фразе), присваивается
идентификатор (имя), по которому на этапе синтеза речи можно обратиться к области памяти, где хранится это слово, (фраза). Как видно из рис.9,а,
десяти выборкам речевого сигнала соответствуют 10 байтов, записанных в
память компьютера (см .нижний рисунок)
На рисунке 9,б приведена простейшая схема выборки, реализованная
на базе операционного усилителя (ОУ) с емкостью в цепи отрицательной
обратной связи (С). Когда электронный ключ (К) закрыт ёмкость хранит
напряжение, равное величине напряжения А(t) в момент закрытия ключа
К. На выходе операционного усилителя (ОУ) при этом образуется напряжение -А*(t) равное А(t) (при равенстве резисторов R). С приходом очередного импульса СИ ключ открывается и ёмкость разряжается до напряжения А(t), действующего на входе. С прекращением импульса СИ ключ
К закрывается и ёмкость хранит напряжение, поступившее на вход в момент закрытия ключа (с обратным знаком). Работу схемы выборки описывает временная диаграмма, приведённая на рис.9, а (с точностью до знака).
Структура синтезатора приведена на рис.10. В приведённой структуре можно выделить 3 основных узла:
1. Входной узел синтезатора, состоящий из микрофона (М), фильтра
нижних частот (ФНЧ), усилителя (У), схемы выборки и 8-битового АЦП;
2. Компьютер;
3. Выходной узел синтезатора, включающий в себя 8-битный ЦАП,
фильтр нижних частот (ФНЧ), усилитель мощности и динамик (Д).
Работа входного узла синтезатора описана выше и не требует особых
комментариев. Следует лишь отметить, что фильтр нижних частот, используемый в этом узле, и настроенный на частоту фильтрации сигнала с
202
203
204
микрофон (ниже 3 кГц), выполняет задачу подавления высокочастотных
помех, приводящих к искажению речевого сигнала А(t). Усилитель (У) доводит амплитуду речевого сигнала до уровня, принятого в синтезаторе.
Схема выборки с частотой 6 кГц производит выборки речевого сигнала A*(t), а аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует выборки в цифровые коды (байты). Временная диаграмма работы узла приведена на рис. 9,а. При частоте выборки сигнала 6 кГц среднее количество
выборок для слова длительностью 0,3 секунды составляет около 2000 байтов (включая короткие паузы в начале и в конце слова).
Компьютер имеет параллельный 8-битный порт ввода данных с
АЦП и параллельный 8-битный порт вывода, откуда данные поступают на
вход 8-битного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).
В процессе сбора данных компьютером его резидентная программа
переносит информацию из 8-битного АЦП и последовательно записывает
её в память. После произнесения слова процесс выборки заканчивается, а в
памяти оказывается записанным цифровое представление слова. Как видно из рис.10, эта информация занимает адресное пространство от ячейки
1024 до примерно 3073. В данном случае информация представлена в двоичном коде при полном диапазоне изменений напряжения ± 5 вольт. Колонка «нормализованные данные» содержит величины напряжений, эквивалентных записанным входным сигналам. Эта нормализованная информация в вольтах не имеет существенного значения для компьютера и показана здесь только для того, чтобы проиллюстрировать эквивалентность
аналого-цифрового процесса выборки (слово hello, см.[4]).
Выходной узел синтезатора представляет воспроизводящую часть
синтезатора. Он содержит 8-битный цифро-аналоговый преобразователь,
фильтр нижних частот (ФНЧ), который отфильтровывает нежелательные
высокочастотные сигналы c выхода ЦАП – A(t)вос, возникающие в восстановленном сигнале. Отфильтрованный сигнал поступает на усилитель
мощности, а затем в виде сигнала A*(t)вос на динамик Д.
Программа воспроизведения речи, хранимая в памяти, – это простая
индексирующая программа, которая последовательными шагами просматривает записанную ранее информацию и выводит её побайтно на 8-битный
ЦАП.
Речь, которую услышит пользователь из громкоговорителя, должна в
точности повторить исходный речевой сигнал на входе синтезатора, за исключением небольших потерь в высокочастотной части спектра речевого
сигнала, вызываемых фильтром нижних частот. Иначе говоря, полученная
речь по своему звучанию соответствует голосу говорящего и имеет такие
же модуляцию и тональность, как и входной речевой сигнал.
205
3.3
Аналоговый синтез формантных частот
В отличие от метода, описанного выше, метод синтеза формантных
частот не использует человеческую речь в качестве исходного материала.
В этих методах используется известное приближение к человеческой речи
с использованием формантных частот (см. выше).
Существует много методов реализации формантного синтеза. Но основные функциональные операции для генерации речи при разных способах формантного синтеза в принципе одинаковы. Все они основываются
на детальном знании фонем и фонетическом расчленении речи. По этой
причине эта группа методов в литературе получила название «формирование речи по правилам» При синтезе речи по правилам используется
электронная модель голосового тракта человека, то есть синтезатор
строится как некоторое приближение к голосовому тракту. При этом
настройка синтезатора в этом случае производится отдельно для каждого
фонетического элемента алфавита.
Фонетическое описание представляет собой последовательность элементов фонетического алфавита (включая паузы) с указанием длительности звучания каждого из них. Таким образом, каждому элементу фонетического алфавита ставят в соответствие набор параметров настройки синтезатора. Эти параметры могут быть неизменными в течение всей продолжительности звучания фонемы или аллофона, но могут и изменяться, как,
например, для дифтонгов. В последнем случае элементу фонетического
алфавита ставится в соответствие последователь-ность нескольких наборов параметров. Наборы параметров настройки синтезатора для каждого элемента фонетического алфавита (ФА) в виде управляющих
слов (УС) хранятся в памяти (как правило в ПЗУ). Код элемента ФА используется, таким образом, в качестве адреса и позволяет найти УС или
их последовательность. Каждая УС содержит помимо набора параметров
настройки синтезатора {pi} параметр длительности звучания фонологического элемента, флаг цепи УС и ряд других флагов.
Для того, чтобы связать фонему с конкретными формантными частотами, которые характерны для некоторых фонем фонетического алфавита
английского языка, рассмотрим таблицу 4.1 (усечённую) соответствия некоторых фонем формантным частотам [4]:
Таблица 4.1
Фонема
ee
i
eh
ae
ah
aw
u
oo
Как в слове
feet
hid
head
had
tot
talk
took
tool
F1 (Гц)
250
375
550
700
775
575
425
275
F2 (Гц)
2300
2150
1950
1800
1100
900
1000
850
F3 (Гц)
3000
2800
2600
2550
2500
2450
2400
2400
Для каждого звука в таблице даны три основные (старшие) формантные частоты, которые наблюдаются в спектрограммах соответствующих
фонем, произносимых «средним» мужским голосом. Эти частоты, F1, F2,
206
F3, можно различать визуально на спектрограммах каждой произносимой
гласной. Поскольку каждая из этих гласных является «статической», частоты остаются стабильными на протяжении всего времени их произнесения. Теперь, призвав на помощь немного воображения, нетрудно представить электронную схему, состоящую из трёх параллельных полосовых
фильтров, частоты которых настроены на F1 F2 и F3 и возбуждаются задающим генератором с выходным сигналом, аналогичным импульсу,
формируемому в голосовой щели. Как ни проста эта схема, она может
служить основой для создания фонемного синтезатора гласных при условии, что формантные частоты регулируются в пределах, указанных в таблице 4.1.
Таким образом, необходимо задавать параметры, регулирующие характеристики полосовых фильтров, амплитуды генератора шума
для воспроизведения шумных согласных, фрикативных согласных, амплитуды носовых (нозальных) гласных, и т.п. (см. ниже).
В формантных синтезаторах используется набор от 8 до 15 парамет-.
ров. Количество параметров влияет на качество синтезируемой речи, но
усложняет структуру синтезатора. Наиболее часто используется набор состоящий из следующих параметров:
1. F0 – частота сигналов голосовой щели (частота основного тона);
A0 – амплитуда сигналов основного тона;
3 – 5 F1 - F3 – частота фильтров первой, второй и третьей формант
2.
произносимой фонемы;
6. FN – частота резонатора носовых гласных;
7. AFR – амплитуда фрикативных согласных;
FR – частота резонатора фрикативных согласных;
9. AN – амплитуда носовых гласных;
10. AГЛ – амплитуда гласных.
8.
Справка (примеры согласных звуков):
Носовые гласные –м,н;
Шумные: взрывные – б, г, д; щелевые – в, з, ж;
Фрикативные: ц, ч;
Глайды : р, л;
Взрывные: п, т, к и т.д.
Один из вариантов (практически полный) модели синтезатора приведён на рис.11.На рисунке с помощью потенциометров, подключён-ным к
отдельным блокам модели, задаются параметры, управляющие синтезом
речи. В указанной схеме используются 9 таких параметров (см. схему).
Такую модель несложно реализовать, но практически она будет неработоспособна, так как задание параметров с помощью потенциомет-ров приводит к чрезвычайно большому (даже громадному) времени синтеза, что
лишает эту модель права на реализацию. Выходом из сложившейся ситуации является включение в модель вместо потенцио-метров резистивных матриц, управляемых с помощью цифрового кода, которые имеют приемлемое время установки параметра. Структура одной из
207
таких резистивных матриц приведена на рис.12. Матрица содержит резисторы Ri, которые подключаются (отключаются) с помощью быстродействующих ключевых схем (ключей) Ki. В свою очередь состояние ключа
(открыт-закрыт) определяется наличием двоичной единицы или нуля в
разряде регистра управления Rу. Таким образом, двоичный код, задаваемый с регистра (параметр), быстро преобразуется в величину проводимости матрицы от точки «ВХОД» до точки «ВЫХОД» схемы матрицы, а всё
остальное не вызывает затруднений, так как быстрое переключение параллельного выходного
208
209
210
порта управляющего компьютера к регистрам управления резистивной
матрицей реализуется с приемлемой скоростью.
Выходные напряжения резонаторов фрикативных согласных, н носовых гласных, а также трёх фильтров подаются смеситель (Σ), на выходе
которого образуется формантная речь. Все 9 регулируемых элементов модели, определяющих величину параметров, составляют так называемые
управляющие слова, которые хранятся в памяти компьютера и последовательно подаются в синтезатор. Перенастройка управления синтезатора
происходит с частотой 100 Гц. Учитывая, что каждое управляющее слово
состоит из 8-битового байта, синтезатором можно управлять при параллельной передаче управляющих слов со скоростью 900 байт/c. Но это ещё
не скорость выдачи фонем на выход синтезатора, а всего лишь скорость
передачи данных в самом синтезаторе, необходимая для текущих регулировок фильтров, высоты голосового тона и амплитуд при воспроизведении
каждой отдельной фонемы. Данная информация хранится, как правило, в
специальной управляющей таблице в памяти компьютера отдельно для
каждой фонемы и её вариаций – аллофонов. Она вызывается в виде последовательности, которая определяется входной последовательностью фонем в речевом выходе управляющей программы. Например, по каждой
фонеме, которая вводится в компьютер, компьютерное управление синтезатором может потребовать до 30 полных перенастроек системы фильтров.
Это означает следующее: чтобы компьютер выдавал схеме управления
формантного синтезатора по 900 байт в секунду, в программу опроса
справочной таблицы, которая управляет синтезатором, требуется вводить
всего по 30 байт в секунду.Это соответствует тому, что выдача данных конечному пользователю произво-дится со скоростью около 240 бит в секунду.
В то время как указанные выше скорости перенастройки фильтров
могут меняться от системы к системе, зависимость между числом воспроизводимых фонем и размерами управляющей таблицы остаётся практически неизменной. Естественно, чем больше число обращений к справочной
таблице по каждой фонеме, тем большей плавностью будет от-личаться
синтетическая речь и тем ближе будет она по звучанию к естественной артикуляции. Однако не следует надеяться , что речь по-добной системы
когда-нибудь будет звучать так, что её не отличишь от живой человеческой речи.
На рис.13 приведена структурная схема синтезатора формантного
типа, реализованного на практике одной из западных фирм [5]. В данной
структуре используются всего 8 параметров настройки: частота и амплитуда основного тона (F0, A0), три формантные частоты ( F1, F2, F3), амплитуда и частота сигнала шума, задающие свистящие и шипящие звуки
(Аш, Fш), а также параметр «придыхания».. Приведённая структура синтезатора соответствует модели, рассмотренной выше.
На структуре синтезатора, состоящего из двух трактов, использованы следующие обозначения блоков устройства.
Первый тракт:
ГВОТ – управляемый генератор (F0, A0) высоты основного тона;
У1 – усилитель;
211
Ф1, Ф2, Ф3,Ф4 – фильтры (сглаживающий – Ф1 и фильтры формантных частот – Ф2,Ф3 Ф4)
Эти компоненты структуры участвуют в формировании гласных звуков. Формирование большинства согласных звуков производится с помощью тех же фильтров при подаче на них сигналов с управляемого аттенюатора (делителя напряжения)(AT) и сигнала шума с генератора шума
(ГШ).
Второй тракт:
ГШ – генератор шума;
У2 – управляемый усилитель (ГШ);
Ф5 – управляемый фильтр (ГШ);
СМ – смеситель сигналов первого и второго трактов.
Сигналы от этих трактов подаются на смеситель (СМ) далее на усилитель, к выходу которого подключён громкоговоритель (Гр). Эта схема
довольно точно воспроизводит голосовой тракт человека
На рис.14,а приведён пример изменения параметров в процессе синтеза речевого сигнала «SIKS», соответствующего произношению английского слова «SIX».
Конструирование речевого сообщения (РС) при формантном синтезе
и (вообще по правилам) включает в себя два этапа:
Этап 1. Символьное представление «орфографического текста»,
принятого в ЭВМ, преобразуется в фонетическое описание.
Этап 2. Преобразование последовательности элементов фонетического алфавита в последовательность управляющих слов (УС) для непосредственного управления синтезатором.
Эти преобразования иллюстрируются схемой, приведённой на
рис.14,б.
На рисунке использованы следующие обозначения:
П1 – программа преобразования орфографического текста в фонетическое описание (ФО);
П2 – программа формирования последовательности управляющих
слов (УС);
СИНТ – синтезатор;
Библ-1 – библиотека правил формирования фонетических описаний
(ФО);
Библ-2 – библиотека управляющих слов (УС);
ФО – фонетические описания;
УС – управляющие слова;
ЗП – запросы от синтезатора
Гр – громкоговоритель;
А – адреса.
Структура, приведённая на рис.14,б работает следующим образом:
1.Последовательность слов и словосочетаний (ТЕКСТ) в виде символьного представления передаётся в программу П1. Эта программа реализуется средствами ЦП или специализированными средствами цифровой
обработки, встроенными в систему вывода речи.
2. Основой для преобразования текста в фонетическое описание
(ФО) служит набор правил, хранимых в Библиотеке 1 (Библ-1). Эти правила определяются фонетическими особенностями языка; они сложны и
неоднозначны, содержат большое количество исключений. Поэтому ино-
212
213
гда первый этап конструирования речи выполняется не в процессе создания системы речевого сообщения, а в процессе создания оператором системы речевого вывода.
3. Пользуясь библиотекой правил (Библ-1) или словарём, программа
П1 передаёт фонетическое описание (ФО) программе П2 – программе
формирования последовательности УС (управляющих слов).
4.Программа П2 чаще всего реализуется МП-средствами системы речевого вывода. Программа П2 последовательно получает коды элемен-тов
ФО, по ним формирует адрес (А), находит УС в библиотеке фонетических
описаний элементов (Библ-2), соответствующие каждому элементу и
направляет их в синтезатор (СИНТ).
5. Каждое следующее УС передаётся в синтезатор по его запросу
(ЗП) по окончании интервала звучания, определяемого параметром длительности звучания в предыдущем УС.
6.Новое УС выбирается по адресу следующего фонетического элемента, если воспроизведение предыдущего завершено, или по следующему по порядку адресу, если в предыдущем УС установлен соответствующий флаг (Фл) цепи УС, то есть если воспроизведение фоне-тического
элемента завершено (повтор).
Примечание: В состав управляющего слова (УС) кроме упомянутых
выше параметров вводятся также параметры, задающие длительность звучания фонемы и ряд так называемых «флажков», выполняющих служебные функции при работе программ П1 и П2.
Речь сформированная таким образом, отличается сравнительно невысоким качеством, но вполне различима; такая речь звучит неестественно, так как в ней отсутствуют присущие человеческой речи ритм, интонация, изменение громкости и т.п.Существенным достоинством таких систем является достаточно
большой словарь (до 300 слов) и полное время звучания до 200 секунд
(почти 3,5 минуты).
3.4
ЛПК- синтезаторы
Линейное предиктивное кодирование (ЛПК-метод) основано на использовнии математического аппарата – уравнений преобразования закодированной речи в её спектр исходных частот.
Главный принцип, положенный в основу ЛПК-метода сводится к тому, что поступающие выборки речевых сигналов могут рассматриваться
как линейные комбинации прошлых выборок речевого сигнала.
Физически это означает, что характер речевого сигнала сравнительно
мало изменяется при произнесении какого-либо одного звука, а изменение
характера этого сигнала происходит значительно реже (по отношению к
частоте квантования – Fкв) при переходе от одного звука к другому. Это
отчётливо видно, если речевой сигнал записать на магнитную ленту, а затем рассмотреть осциллограмму.
Существует большое сходство между ЛПК-методом и методом прямого кодирования-восстановления речевого сигнала. Сходство заключается в том, что в основе обоих методов используется живая человеческая
речь. Но в ЛПК-синтезаторах в память записывается коды слов, а затем на
основе этих кодов производится анализ кодированной речи с целью
214
образовать так называемые кадры ЛПК-данных, которые содержат информацию: о высоте основного тона, о формантных частотах, об амплитуде и
интонации речи и т.п. – всего около 12 параметров речи, которые формируются в кадры, управляющие собственно синтезатором.
На рис.15 приведена структура модели системы синтеза речи с использованием ЛПК-метода (модель несколько упрощена) [4]. В модель системы входят:
1. Микрофон (М) для ввода в модель речевых фрагментов и слов с помощью живой человеческой речи;
2. Аналого-цифровой преобразователь;
3. Цифровой анализатор речи (ЦАР);
4. Блок образования линейных предикторных коэффициентов (БЛПК);
5. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
6. Блок линейного предиктивного декодирования (ЛПДК);
7. Собственно цифровой синтезатор речи (ЦСР);
8. Память описаний (ПОп);
9. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);
10. Громкоговоритель (Д).
Следует заметить, что блоки 2 –5 модели реализуются средствами
компьютера и являются его программно-аппаратными частями.
Рассмотрим функции отдельных блоков модели и их взаимодействие.
Цифровой анализатор речи – программа, которая анализирует выборки речевых сигналов, поступающих с выхода АЦП, и образует данные
о спектральном составе речи, формантных характеристиках речи,
данные об амплитуде и интонации речи т.п. – всего 12 парамет-ров.
Блок образования линейных предикторных коэффициентов –
программный блок вычисления предикторных коэффициентов, описывающих речевой фрагмент (слово, фразу). Это блок предикторного кодирования. Этот блок, по сути дела, является устройством краткосроч-ного прогнозирования, то есть своеобразного «предсказателя» последую-щего речевого сигнала. Выходные данные этого блока управляют параметрами и
определяют числовые коэффициенты, которые использу-ются для линейной предиктивной генерации речи.
Постоянное запоминающее устройство хранит данные из блока
БЛПК. Эти данные в дальнейшем служат для регенерации речи, формируемой системой ЛПК-синтезатора.
После того, как на этапе настройки синтезатора параметры записаны в ПЗУ системы, можно приступать к синезу речи. Процесс
синтеза (регенерации) речи начинается в блоке ЛПКД.
Блок линейного предиктивного декодирования из данных, записанных в ПЗУ, формирует управляющие кадры, которые подаются на
блок ЦСР – цифровой синтезатор речи, который принимает управляющие кадры. Формат управляющего кадра имеет вид:
ЭН
4б
R
1б
Вот
5б
К1
5б
К2
5б
К3
4б
К4
4б
К5
4б
К6
4б
К7
4б
К8
3б
К9
3б
К10
3б
215
216
Кадр не имеет фиксированной длины, его длина колеблется от 49 бит
до 1 бита. Каждая ячейка управляющего кадра (УК) представляет собой
код – элемент двоичной информации, который передаётся в синтезатор и
управляет синтезом речи.
Ячейки управляющего кадра имеют следующий функциональный
смысл:
Ячейка ЭН (энергия) – всегда присутствует в кадре. Её значение –
либо 1111, либо 0000. Эта ячейка кадра служит для непрерывного управления амплитудой произносимой речи.
Ячейка R (повторение кадра) – если R=1, то повтора кадра нет, в
противном случае кадр повторяется (длинный звук).
Ячейка ВОТ (высота основного тона): при ВОТ=0 – глухой звук,
при ВОТ=1 – звонкий звук.
К1 – К10 – (3-5 бит), управляющие биты, задающие предикторные коэффициенты (параметры), вычисленные на этапе цифрового анализа речи
(ЦАР) и образования предикторных коэффициентов (БЛПК – ПЗУ –
ЛПДК).
Приведём примеры реальных управляющих кадров используемых в
синтезаторе фирмы «Тексас инструментс» [4]:
ЭН R ВОТ Коэф-ты. Размер
Кадр для звонкого звука: хххх 0 ххххх К1 – К10 – 49 бит
Кадр для глухого звука:
хххх 0 00000 К1 – К4 – 28 бит;
Повторить кадр
хххх 1 ххххх
10 бит;
Кадр с нулевой энергией
0000
4 бита;
Кадр с кодом останова
1111
4 бита;
Примечание: Х-безразличное состояние бита.
Система ЛПК-синтеза работает в двух режимах (как и синтезатор, работающий по методу кодирования-восстановления речи).
РЕЖИМ 1. Режим подготовки системы к генерации речи
В этом режиме при использовании реальной человеческой речи в памяти описаний (ПОп, см рис. 15) необходимо создать массив управляющих кадров для генерации сегмента речи. В этом режиме в системе ЛПКсинтеза работают блоки: АЦП, ЦАР, БЛПК, ПЗУ, ЛПДК, ПОп. Оператор
через микрофон передаёт в систему речевые сегменты (фразы, слова), которые оцифровываются и поступают в БЛПК; этот блок образует линейные предикторные коэффициенты, которые записываются в ПЗУ, а затем
передаются в блок линейного предиктивного декодирования (ЛПДК). Блок
формирует из этих данных управляющие кадры (УК). Управляющим кадрам, соответствующим одному фрагменту речи, присваивается идентификатор сообщения (ИС). Управляющие кадры со своим идентификатором
записываются в память описаний. Аналогичные операции совершаются со
всеми речевыми фрагментами, которые вводят-ся в синтезатор.
РЕЖИМ 2. Этот режим является основным режимом – режимом
собственно синтеза речи. Он реализуется следующим образом:
Идентификатор (имя) сообщения из ЭВМ верхнего уровня (центральной ЭВМ) передаётся в узел управления выборкой и синхронизации
(УВиС). Этот узел осуществляет поиск описания выводимого речевого сообщения в памяти описания (ПОп). Описание речевого сообщения пред-
217
ставляет собой последовательность управляющих кадров, поступающих в
синтезатор каждые 20 мс, в течение которых предикторные коэффициенты
остаются постоянными.
Структурная схема синтезатора описанного типа приведена на рис16.
В структуре использованы следующие обозначения:
ГВОТ – генератор высоты основного тона;
ГШ – генератор шума;
РгКд – регистр управляющего кадра (УК);
Эн – ячейка «энергия» регистра кадра (РгКд);
R – ячейка «повторить кадр регистра кадра (РгКд);
ВОТ – ячейка «высота основного тона регистра кадра (РгКд);
К1 – К10 – ячейки управляющих битов регистра кадра (РгКд);
ПОп – память описаний;
УВиС – устройство управление выборкой и синхронизацией
ИС – идентификатор сообщения;
ЦМФ – цифровой многозвенный фильтр;
Ф1 – Ф10 – элементы цифрового многозвенного фильтра;
П – электронный переключатель;
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;
У – усилитель;
Д – динамик;
Работа синтезатора кратко заключается в следующем.
Будем считать, что синтезатор подготовлен к работе, то есть в режиме 1 в память описаний введена информация в виде речевых сообщений.
Из ЭВМ верхнего уровня в устройство УВиС (на рис. 16 не приведено) поступает идентификатор сообщения (ИС). Устройство УВиС осуществляет
в памяти описаний (ПОп) поиск начального кадра из числа кадров, которые управляют синтезатором при выводе сообщения, заданного ЭВМ.
Управляющие сообщения последовательно записываются в регистр кадров
и управляют всеми компонентами синтезатора которые подключены к регистру управляющего кадра. Когда последний управляющий кадр из последовательности кадров реализует свои функции, синтез прекращается.
При формировании речи по образцам (компилятивными методами) количество возможных речевых сообщений ограничено теми
сообщениями, описание которых составлены заранее и хранятся
непосредственно в памяти описаний или составляются в процессе вывода путём слияния нескольких элементарных сообщений, также хранящихся в памяти.
Составление описаний более сложных сообщений выполняется с использованием программных средств. Например сообщение «Температура воздуха в Москве в ХХ часов была YY градусов» может
быть составлено из 5 элементарных сообщений:
1. Температура воздуха в Москве
2. в
3 XX часов
4. была
5 YY градусов
Поиск и выбор из памяти (ПОп) этих элементарных сообщений выполняется программой.
218
Поиск элементарных сообщений «ХХ часов» и «YY градусов»
зависит от информации, которая поступает в вычислительную систему от
других периферийных устройств (часов текущего времени и АЦП, связанных с датчиками температуры).
Формирование более сложных сообщений требует базы синтаксических правил, сложных программ, а также элементов, присущих способам
синтеза речи по правилам.
Литература
1. Косырев Ю.А. Естественная форма диалога с ЭВМ. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд. 1989. – 143 с: ил.
2. Щерба Л.В. Избранные работы по русскому языку. М.: Учпедгиз,
1957. 188 с.: ил.
3. Иванов Е.Л., Степанов И.М., Хомяков К.С. Периферийные устройства ЭВМ и систем: Учебн. пособие для вузов по спец.
«ЭВМ». Высш. школа, 1987. – 319 с.: ил.
4. Дж. Кейтер. Компьютеры – синтезаторы речи: Пер. с англ. – М.:
Мир, 1985. 237 с.: ил.
5. Ларионов А.М., Горнец Н.Н. Периферийные устройства в вычислительных системах: Учебн. пособие для вузов по спец. «Выч.
машины, комплексы, системы и сети». – М.: Высш. шк. 1991, 336
с.: ил.