Материал: Tannenbaum
Процесс ввода-вывода
123
Лазер
Луч света
попадает
на барабан
О
Вращающееся
восьмиугольное зеркало
На барабан подается напряжение
Барабан
Чистая Отпечатанные
бумага листы
Рис.
2.32. Работа лазерного принтера
Едва ли нужно говорить, что этот процесс представляет собой чрезвычайно
сложную комбинацию физики, химии, механики и оптики. Тем не менее неко-
торые производители выпускают агрегаты, которые называются
печатающими
устройствами. Изготовители лазерных принтеров сочетают печатающие устрой-
ства с их собственным аппаратным и программным обеспечением. Аппаратное обес-
печение состоит из быстроработающего процессора, а также нескольких мегабай-
тов памяти для хранения полного изображения в битовой форме и различных
шрифтов, одни из которых встроены, а другие загружаются из памяти. Большин-
ство принтеров принимают команды, описывающие страницу, которую нужно на-
печатать (в противоположность принтерам, принимающим изображения в бито-
вой форме от центрального процессора). Эти команды обычно даются на языке
PCL или PostScript.
Лазерные принтеры с разрешающей способностью 300 dpi и выше могут печа-
тать черно-белые фотографии, но технология при этом гораздо сложнее, чем мо-
жет показаться на первый взгляд. Рассмотрим фотографию, отсканированную с
разрешающей способностью 600 dpi, которую нужно напечатать на принтере с та-
кой же разрешающей способностью (600 dpi). Сканированное изображение содер-
жит 600x600 пикселов/дюйм, каждый пиксел характеризуется определенной сте-
пенью серого цвета от 0 (белый цвет) до 255 (черный цвет). Принтер может печатать
с разрешающей способностью 600 dpi, но каждый напечатанный пиксел может быть
либо черного цвета (когда есть тонер), либо белого цвета (когда нет тонера). Сте-
пени серого печататься не могут.
Для печати таких изображений используется так называемая
обработка полу-
тонов
(как при печати серийных плакатов). Изображение разбивается на ячейки,
каждая 6x6 пикселов. Каждая ячейка может содержать от 0 до 36 черных пикселов.
Человеческому глазу ячейка с большим количеством черных пикселов кажется
124
Глава 2. Организация компьютерных систем
темнее, чем ячейка с небольшим количеством черных пикселов. Серые тона в ди-
апазоне от 0 до 255 передаются следующим образом. Этот диапазон делится на
37 зон. Серые тона от 0 до 6 расположены в зоне 0, от 7 до 13 — в зоне 1 и т. д. (зона
36 немного меньше, чем другие, потому что 256 на 37 без остатка не делится). Ко-
гда встречаются тона зоны 0, ячейка оставляется белой, как показано на рис. 2.33,
а.
Тона зоны 1 передаются одним черным пикселом в ячейке. Тона зоны 2 — двумя
пикселами в ячейке, как показано на рис. 2.33,
б.
Изображение серых тонов других
зон показано на рис. 2 33,
в — е
Если фотография отсканирована с разрешающей
способностью 600 dpi, после подобной обработки полутонов разрешающая способ-
ность напечатанного изображения снижается до 100 ячеек/дюйм. Данная разре-
шающая способность называется градацией полутонов и измеряется в
lpi
(lines
per inch — количество строк на дюйм)
Рис. 2.33. Изображение серых полутонов различных зон 0-6 (а); 14-20 (б), 28-34
(в),
56-62(г), 105-111 (д); 161-167 (е)
Цветные принтеры
Цветные изображения могут передаваться двумя способами: с помощью поглощен-
ного света и с помощью отраженного света. Поглощенный свет используется, на-
пример, при создании изображений в электронно-лучевых мониторах. В данном
случае изображение строится путем аддитивного наложения трех основных цве-
тов' красного, зеленого и синего. Отраженный свет используется при создании
цветных фотографий и картинок в глянцевых журналах. В этом случае поглоща-
ется свет с определенной длиной волны, а остальной свет отражается Такие изоб-
ражения создаются путем субтрактивного наложения трех основных цветов: голу-
бого (красный полностью поглощен), желтого (синий полностью поглощен) и
сиреневого (зеленый полностью поглощен). Теоретически путем смешивания го-
лубых, желтых и сиреневых чернил можно получить любой цвет. Но на практике
очень сложно получить такие чернила, которые полностью поглощали бы весь свет
и в результате давали черный цвет. По этой причине практически во всех цветных
печатающих устройствах используются чернила четырех цветов: голубого, желто-
го, сиреневого и черного. Такая система цветов называется CYMK (С — Cyan (го-
лубой), Y — Yellow (желтый) М — Magenta (сиреневый) и К — ЫасК (черный)).
Из слова «black» берется последняя буква, чтобы не путать с Blue (синий). Монито-
ры, напротив, используют поглощенный свет и наложение красного, зеленого и си-
него цветов для создания цветного изображения.
Полный набор цветов, который может производить монитор или принтер, на-
зывается цветовой шкалой Не существует такого устройства, которое полностью
передавало бы цвета окружающего нас мира. В лучшем случае устройство дает всего
Процесс ввода-вывода 125
256 степеней интенсивности каждого цвета, и в итоге получается только 16 777 216
различных цветов. Несовершенство технологий еще больше сокращает это число,
а оставшиеся цвета не передают полного цветового спектра. Кроме того, цветовос-
приятие связано не только с физическими свойствами света, но и с работой пало-
чек и колбочек в сетчатке глаза.
Из всего этого следует, что превратить красивое цветное изображение, которое
замечательно смотрится на экране, в идентичное печатное изображение очень слож-
но. Среди основных проблем можно назвать следующие:
1. Цветные мониторы используют поглощенный свет; цветные принтеры ис-
пользуют отраженный свет.
2. Электронно-лучевая трубка производит 256 оттенков каждого цвета; цвет-
ные принтеры должны совершать обработку полутонов.
3. Мониторы имеют темный фон; бумага имеет светлый фон.
4. Системы цветов RGB (Red, Green, Blue — красный, зеленый, синий) и CYMK
отличаются друг от друга.
Чтобы цветные печатные изображения соответствовали реальной действитель-
ности (или хотя бы изображениям на экране), необходима калибровка оборудова-
ния, сложное программное обеспечение и компетентность пользователя.
Для цветной печати используются пять технологий, и все они основаны на сис-
теме CYMK. Самыми дешевыми являются
цветные струйные принтеры.
Они ра-
ботают так же, как и монохромные струйные принтеры, но вместо одного картрид-
жа в них находится четыре (для голубых, желтых, сиреневых и черных чернил).
Они хорошо печатают цветную графику, сносно печатают фотографии и при этом
не очень дорого стоят (отметим, что сами принтеры дешевые, а картриджи доволь-
но дорогие).
Для получения лучших результатов должны использоваться особые чернила
и
особая бумага. Существует два вида чернил.
Чернила на
основе красителя состо-
ят из красителей, растворенных в жидкой среде. Они дают яркие цвета и легко
вытекают из картриджа. Главным недостатком таких чернил является то, что они
быстро выгорают под воздействием ультрафиолетовых лучей, которые содержат-
ся в солнечном свете.
Чернила на основе пигмента
содержат твердые частицы пиг-
мента, погруженные в жидкость. Жидкость испаряется с бумаги, а пигмент остает-
ся. Чернила не выгорают, но зато дают не такие яркие краски, как чернила на основе
красителя. Кроме того, частицы пигмента часто засоряют выпускные отверстия
картриджей, поэтому их нужно периодически чистить. Для печати фотографий
необходима мелованная или глянцевая бумага. Эти особые виды бумаги были со-
зданы специально для того, чтобы удерживать капельки чернил и не давать им
растекаться.
Следующий тип принтеров —
принтеры с твердыми чернилами.
В этих прин-
терах содержится 4 твердых блока специальных восковых чернил, которые затем
расплавляются. Перед началом печати должно пройти 10 минут (время, необходи-
мое для того, чтобы расплавить чернила). Горячие чернила выпрыскиваются на
бумагу, где они затвердевают и закрепляются после прохождения листа между
двумя валиками.
126 Глава 2. Организация компьютерных систем
Третий тип цветных принтеров —
цветные лазерные принтеры.
Они работают
так же, как их монохромные братья, только они составляют четыре отдельных изоб-
ражения (голубого, желтого, сиреневого и черного цвета) и используют четыре
разных тонера. Поскольку полное изображение в битовой форме обычно состав-
ляется заранее, для изображения с разрешающей способностью 1200x1200 dpi на
листе в 80 квадратных дюймов нужно 115 млн пикселов. Так как каждый пиксел
состоит из 4 битов, принтеру нужно 55 Мбайт памяти только для хранения изобра-
жения в битовой форме, не считая памяти, необходимой для внутренних процессо-
ров, шрифтов и т. п. Это требование делает цветные лазерные принтеры очень доро-
гими, но зато они очень быстро работают и дают высокое качество печати. К тому
же полученные изображения сохраняются на протяжении длительного времени.
Четвертый тип принтеров —
принтеры с восковыми чернилами.
Они содержат
широкую ленту из четырехцветного воска, которая разделяется на отрезки разме-
ром с лист бумаги. Тысячи нагревательных элементов растапливают воск, когда
бумага проходит под лентой. Воск закрепляется на бумаге в форме пикселов с ис-
пользованием системы CYMK. Такие принтеры когда-то были очень популярны,
но сейчас их вытеснили другие типы принтеров с более дешевыми расходными
материалами.
Пятый тип принтеров работает на основе технологии
сублимации.
Это слово
содержит некоторые фрейдистские нотки
1
, однако в науке под сублимацией пони-
мается переход твердых веществ в газообразные без прохождения через стадию
жидкости. Таким материалом является, например, сухой лед (замороженный уг-
лекислый газ). В принтере, работающем на основе процесса сублимации, контей-
нер с красителями CYMK двигается над термической печатающей головкой, кото-
рая содержит тысячи программируемых нагревательных элементов. Красители
мгновенно испаряются и впитываются специальной бумагой. Каждый нагреватель-
ный элемент может производить 256 различных температур. Чем выше темпера-
тура, тем больше красителя осаждается и тем интенсивнее получается цвет. В от-
личие от всех других цветных принтеров, данный принтер способен воспроизводить
цвета практически сплошного спектра, поэтому процедура обработки полутонов
не нужна. Процесс сублимации часто используется при изготовлении моменталь-
ных снимков. Такие снимки делаются на специальной дорогостоящей бумаге.
Модемы
С появлением большого количества компьютеров в последние годы возникла не-
обходимость установить связь между компьютерами. Например, можно связать
свой домашний компьютер с компьютером на работе, с поставщиком услуг Интер-
нета или банковской системой, Для обеспечения такой связи часто используется
телефонная линия.
Однако грубая телефонная линия не подходит для передачи компьютерных
сигналов, которые обычно передают 0 как 0 В, а 1 — от 3 до 5 В, как показано на
рис. 2.34,
а.
Двухуровневые сигналы страдают от сильного искажения во время
Сублимация в психологии означает психический процесс преобразования и переключения энергии
влечений на цели социальной деятельности и культурного творчества; термин введен 3. Фрейдом. -
Примеч. перев.
Процесс ввода-вывода
127
передачи по телефонной линии, которая предназначена для передачи голоса, а иска-
жения ведут к ошибкам в передаче. Тем не менее синусоидальный сигнал с часто-
той от 1000 до 2000 Гц, который называется
несущим сигналом,
может передаваться
с относительно небольшими искажениями, и это свойство используется при пере-
даче данных в большинстве телекоммуникационных систем.
Поскольку синусоидальная волна полностью предсказуема, она не передает
никакой информации. Однако изменяя амплитуду, частоту или фазу, можно пе-
редавать последовательность нулей и единиц, как показано на рис. 2.34. Этот про-
цесс называется
модуляцией.
При
амплитудной модуляции
(рис 2.34,
6)
исполь-
зуется два уровня напряжения, для 0 и 1 соответственно. Если цифровые данные
передаются с очень низкой скоростью, то при передаче 1 слышен громкий шум,
а при передаче 0 шум отсутствует.
В2
В1
1
0
0
1
1
Время -
0 1
1
0
0
I
0
I
1
Низкая
амплитуда
Фазовое
изменение
Рис. 2.34. Последовательная передача двоичного числа 01001011000100 по телефонной
линии двухуровневый сигнал (а), амплитудная модуляция (б); частотная модуляция (в);
фазовая модуляция (г)
При
частотной модуляции
(рис. 2.34, б) уровень напряжения не изменяется,
но частота несущего сигнала различается для 1 и для 0. В этом случае при пере-
даче цифровых данных можно услышать два тона: один из них соответствует 0,
а другой — 1. Частотная модуляция иногда называется
частотной манипуляцией.
При простой фазовой модуляции (рис. 2.34, г) амплитуда и частота сохраня-
ются на одном уровне, а фаза несущего сигнала изменяется на 180 градусов, ко-
гда данные меняются с 0 на 1 или с 1 на 0. В более сложных системах фазовой моду-
ляции в начале каждого неделимого временного отрезка фаза несущего сигнала
резко сдвигается на 45,135, 225 или 315 градусов, чтобы передавать 2 бита за один
временной отрезок. Это называется
дибитной фазовой кодировкой.
Например,