Сканеры на основе ПЗС

а) линейчатый сканер (рис. 5.13)

Применяется в основном в ручных сканерах. Принцип действия виден на рисунке.

Линейка ПЗС протягивается над оригиналом, результат записывается в БЗУ. Далее считывается в ЭВМ. Качество сканирования зависит от равномерности протяжки.

б) роликовый сканер, также использует линейку ПЗС. Но в этом случае оригинал протягивается между 2-х роликов. Остальное аналогично линейчатому (ручному) сканеру. Роликовый сканер может быть сразу подключен к ЭВМ.

в) матричный сканер (Рис. 5.14)

Сканирование происходит без протяжки оригинала. Происходит поочередное считывание потенциалов с выходов строк матрицы ПЗС.

Высокая скорость, так как отсутствует кинематика. На этом принципе работают передающие телевизионные камеры, фотокамеры в фотоаппаратах, в цифровые камеры.

В цифровой камере фиксируются в памяти изображение, параметры съемки: время, число кадров и т.д., то есть она является носителем мультимедийной информации, может иметь жесткий диск большой емкости, обеспечивать 24-36 битное представление цвета, большое разрешение (свыше 70 линий на дюйм), жидкокристаллический экран для просмотра, порт для подключения ЭВМ.

г) Видеосканеры – это устройства для так называемого захвата видеоизображений. Представляют собой плату расширения, устанавливаемую в слот ЭВМ, имеющую входы для подключения: видеокамеры, телевизора, видеомагнитофона и т.д.

Видеосканеры могут согласовывать параметры телевизионных и других разверток.

По этой причине видеосканеры могут еще называться картами видеоизображений или ФРЭЙМ – граберами (frame grabber), или видеобластерами.

д) цветные сканеры.

При сканировании цветных изображений, оригинал освещается через 3-х цветный светофильтр RGB. Сканирование осуществляется либо за один проход при наличии 3-х линеек ПЗС, либо за 3 прохода при одной линейке ПЗС.

Вместо светофильтра RGB могут использоваться 3 разных источника света.

Для подключения сканеров могут использоваться стандартные интерфейсы IBM PC: последовательный, параллельный или SCSI.

В комплект обязательно входят соответствующие драйверы.

К настоящему времени уже разработан организацией TWATN единый стандарт драйвера для сканеров.

5.6. Шрифты

Шрифт – это набор символов определенного начертания и размера. Различают по следующим показателям:

- гарнитура: комплект типографских шрифтов одного рисунка с общими стилевыми особенностями и своими наименованиями: готический, кириллица, латиница, арабский и т.д.

- ширина знака: может быть пропорциональной или фиксированной относительно его высоты.

- плотность шрифта: число знаков на дюйм.

- кегль (размер): высота знака с над и подстрочными элементами щ – подстрочный, в надстрочный). Измеряется в пунктах (точках) длиной 1/72 дюйма = 0,3528 мм.

- начертание: относительная толщина символа.

Шрифты классифицируются:

1. По способу отображения: экранные и принтерные.

2. По месту хранения: если со шрифтами на винчестере – то загружаемые, если прошиты в ROM принтера то встроенные.

3. По способу печати: растровые и масштабируемые.

Растровые хранятся в файлах с расширением.fon (например, serif.fon, courf.fon и т.д.)

Файл содержит описание символов, их размер 8, 10, 12, 13 и т.д. (в кеглях)

Их масштабирование не всегда возможно из-за ухудшения качества изображения.

Масштабируемые: существует несколько их стандартов: Post Script (Type 1, Type 2) True Type и т.д.

6. Печатающие устройства

К ним относят: принтеры, плоттеры, фотонаборные машины. Подключаются к ЭВМ либо через LPT-порт, либо через USB.

Принтеры делят на 2 класса:

Impact – ударного действия с использованием шаблона символа.

Not Impact – создают изображение символа с применением чернил или тепла на основе ксерографических способов печати.

6.1. Принтеры ударного действия

1) Появились за счет модернизации электрической пишущей машинки путем дополнения к ней порта ввода-вывода, дешифратора кода ASCII и устройства электромагнитного управления клавишей.

Далее стали применять вращающиеся головки с символами на ее поверхности (литеры), а затем вместо головки – диск со спицами, на концах которых были пластинки с символами (менее инерционные и менее шумные, рис. 6.01.).

Все они давали четкое изображение, но не устраивала скорость печати и их шумность. Применение другого шрифта требовало замены диска.

На смену им пришли игольчатые, которые применяются до сих пор – в магазинах, на почте, в банках.

У них сравнительно высокая скорость печати (400-600 точек/с), низкая стоимость печати, широкий набор шрифтов. Принцип действия таких принтеров поясняется рис.6.01.

Знак формируется матрицей иголок (пуансонов), против каждой из которых находится ударный электромагнитный молоточек. При движении матрицы вдоль строки на нужные иголки ударяет молоточек, и пуансон через красящую ленту чертит точку по контуру символа. Число пуансонов может быть 9, 18, 24 и более. Чем больше их число, тем четче формируется символ.

Есть принтеры, имеющие матрицу пуансонов (планку) на всю строку, что позволяет практически одновременно печатать всю строку. Их скорость печати достигает до 1500 строк в минуту. Игольчатые головки позволяют печатать через копировальную бумагу до 5 копий одновременно (Сбербанк применяет до сих пор игольчатые принтеры, принтеры могут быть цветные).

Обозначение качества принтеров: LQ – низкое, NLQ – высокое. Игольчатые принтеры могут использовать несколько шрифтов, заложенных в памяти принтера.

6.2. Струйные принтеры

Качество печати высокое. Вместо пуансонов здесь используется матрица сопел, которые из специального резервуара переносят чернила на бумагу. Число сопел в матрице от 16 до 64, есть матрицы с числом сопел 300 и даже 416, дающих весьма высокое качество печати.

Для хранения чернил используются 2 метода:

- головка с матрицей сопел объединена с резервуаром с чернилами;

- используется отдельный резервуар, из которого чернила к соплам поступают по специальным капиллярам.

Для разбрызгивания чернил на бумагу применяются следующие методы:

1. пьезоэлектрический;

2. метод газовых пузырей;

3. метод drop-on-demand.

1. Пьезоэлектрический (рис. 6.02.)

В каждое сопло установлен пьезокристалл, связанный с диафрагмой. Под действием электрического сигнала кристалл вибрирует и управляет диафрагмой1, которая проталкивает чернила через сопло на бумагу.

Выпускаются такие принтеры фирмами Epson, Brother и т.д.

2. Метод газовых пузырей – (относится к термическим) еще одно название: метод инжектируемых пузырей (рис. 6.02.).

Каждое сопло снабжено нагревательным элементом, который при поступлении электрического импульса нагревается до газообразного состояния и выталкиваются на бумагу.

Такие принтеры выпускает фирма Canon.

3. Метод drop-on-demand (фирма Hewlett Packard - HP) отличается от метода газовых пузырей тем, что в нем используется дополнительный механизм, типа насоса, для более быстрого выталкивания чернил через сопло, что повышает скорость печати.

В цветных струйных принтерах используется 4 резервуара с чернилами для цветов: циан (Cyan), пурпурный (Magenta), желтый (Yellow) и черный (Black).

Основные характеристики принтеров:

- бесшумность (не более 40 дБ);

- скорость выше, чем у матричного (3-6 страниц/мин)

- разрешение до 720×720 dpi.

Недостаток: засыхание чернил при длительном бездействии, использование специальных чернил.

6.3. Лазерные принтеры

Большинство из них использует ксерографический метод печати фирмы Canon.

Функциональная схема принтера приведена на рис. 6.03.

На поверхность вращающегося фотобарабана, покрытого пленкой светопроводящего полупроводника (оксид цинка) равномерно наносится статический заряд коронирующим проводом (сеткой), на который подается высокое напряжение.

Лазер, управляемый по интенсивности микроконтроллером пропорционально яркости изображения, генерирует луч, который отражаясь отклоняющегося зеркала вдоль строки, попадает на барабан, и изменяет заряд на его поверхности в соответствии с изображением от -900 В до -200 В. Это изменение заряда и создает скрытую копию изображения на поверхности барабана. Далее на барабан девелопером (распылителем) наносится тонер (красящий порошок), который притягивается к поверхности барабана в точках электростатического изображения, тем самым формируя порошковое изображение.

На подаваемую бумагу механизмом заряда наносится статический заряд, который в момент соприкосновения бумаги с барабаном притягивает на бумагу порошок (от точек изображения). Далее бумага с порошком проходит между двумя роликами, нагреваясь до 180 ^оС, тем самым фиксируя изображение на бумаге.

После этого барабан полностью разряжается проводом разряда, очищается от остатков порошка и процесс начинается снова.

Разновидностью лазерного принтера является светодиодный принтер (LED – Light Emitting Diode). Здесь фотобарабан освещается неподвижной линейкой светодиодов (2500 светодиодов на строке), яркость которых также регулируется яркостью изображения. Примером такого принтера является принтер ОКI.

Как правило лазерные принтеры оснащены процессором с тактовой частотой до 33 МГц и памятью 8 Мбайт и выше.

Вертикальное разрешение определяется шагом вращения фотобарабана, а горизонтальное – точностью наведения луча. Число градаций яркости печати зависит от системы модуляции луча по интенсивности. Площадь ячейки (пиксела) освещения составляет от 0.42×0.42 до 0.25×0.25 мм.

В цветных принтерах изображение формируется на светочувствительной фотоприемной пленке последовательно для каждого из четырех цветов – лист печатается за 4 прохода. Оснащены процессором, большой памятью и даже винчестером. Габаритны и дорогие. Цветность средняя, скорость – 6 строк в минуту, то есть медленные. Имеют специальный разъем соединения с ЭВМ через переходник.

Есть принтеры с инфракрасным портом, с двусторонней печатью.

Сетевые принтеры – высокоскоростные (свыше 20 страниц в минут), имеют свои языки программирования.

Термические принтеры

Такие принтеры высокого класса, качество печати близкое к фотографическому. Используют три основных технологии цветной термопечати:

1. Струйный перенос расплавленного красителя на бумагу (темропластичная печать).

2. Контактный перенос расплавленного красителя (термовосковая печать – краситель смешан с расплавленным воском).

3. Термоперенос красителя – сублимационная печать, не отличается от фотографической.

В 1 и 3 случаях краситель наносится в жидкой или газообразной форме. Для термических принтеров используется как правило специальная бумага.

Основной язык принтеров Post Script. Скорость печати у них ниже, чем у обычных.

Фотонаборный аппарат действует подобно лазерному, с той разницей, что в нем лазерный луч освещает не барабан, а фотобумагу или фотопленку, с которых в последствии осуществляется печать. Оборудован процессором растрового изображения. Изображение из ЭВМ передается в векторном виде. Язык принтера Print Script.

6.4. Системы распознавания символов

Оптическое распознавание символов – это механический или электронный перевод изображений рукописного, машинописного или печатного текста в последовательность кодов, используемых для представления в текстовом редакторе.

Применяется для конвертации книг и документов в электронный вид, для автоматизации учета в бизнесе или для публикации на веб-страницах. Позволяет также редактировать текст, хранить его в компактной форме, применять к тексту электронный перевод, преобразовывать текст в речь.

Оптическое распознавание текста исследуется в области науки: распознавание образов, искусственный интеллект, компьютерное зрение.

Впервые в Германии, в 1929 г., Густавом Таушеком был разработан метод оптического распознавания текста. Реализован данный метод был в виде машины, использующей шаблоны символов и фотодетектор. Использовался вначале в почтовых системах.

В настоящее время для распознавания используется ЭВМ, наработано большое количество программного обеспечения.

Точность распознавания символов достигает 99%, но только для печатных текстов, пригодных для определенной программы, ориентированной на определенные шрифты. Применяемый математический аппарат весьма сложный.

Рассмотрим распознавание символов на примере читающего автомата (сканера) для считывания буквенно-цифровой информации, для использования ее в базах данных, информационных, издательских, банковских системах.

Такой автомат выполняет функции:

- сканирование для получения сигналов, соответствующих оптическому изображению символа;

- кодирование результатов сканирования;

- принятие решения о принадлежности анализируемого символа к одному из классов.

Автомат построен на принципе распознавания образов.

Образ – это контур, форма или конфигурация символа (буква, цифра или другой символ).

Процесс распознавания состоит из трех этапов:

1. Анализ образа, то есть разбиение его на элементы. Выполняется аппаратно, строится по различным физическим принципам.

2. Собственно распознавание путем сравнения полученного кода с эталоном, хранящемся в памяти, методом перебора и присвоение совпавшему с эталоном коду имени (как правило кодовой комбинации ASCII). Называют этот этап – процесс идентификации.

3. Преобразование кода образа в машинный и его ввод в ЭВМ.

Структурная схема читающего автомата представлена на рис. 6.04.

Где: Х/У – преобразователь кода, ПЗУ – память хранения эталонов, УУ – устройство управления.

Существует ряд методов считывания (сканирования) знака. Наиболее простым является метод зондов: на рецепторном поле (маске), куда проецируется изображение знака, размещен ряд рецепторов (зондов), будем называть их элементами.

Рецептор-элемент – это светочувствительный прибор, реагирующий на изменение светового потока: терморезистор, фотоэлемент, сегнетоэлектрик, ПЗС (прибор с зарядовой связью) и др. Зонды могут выполняться в форме полоски, матрицы точек, расположенных на рецепторном поле (маске).

Пример маски с полосками, приведенный на рис. 6.05., предназначенной для распознавания цифр.

Каждый элемент является признаком наличия части контура цифры, а их совокупность описывает ее полностью. На рис. 6.05 цифра 2 своим контуром пересекает полоски (зонды) 2, 3, 4, 5, 7 и возбуждает их. Каждой цифре будет соответствовать своя комбинация возбужденных зондов или семиразрядная двоичная комбинация.

Можно составить таблицу соответствия десятичных цифр своим семиразрядным комбинациям (рис. 6.05), где 1 означает возбужденный элемент, 0 – нет, 0 (1) – неопределенность (либо пересекает контур, либо нет).

Во избежание этой неопределенности можно сделать так называемую стилизацию символов, то есть такое их начертание, которое будет исключать неопределенность (пример – почтовые индексы на конвертах).

Международной организацией ISO в качестве стандарта предложен шрифт типа OCR-A, на основе которого создан и русский шрифт из 61 символа: 32 букв, 10 цифр, 19 специальных знаков.

Пример стилизованного шрифта Courier New Cyr.

Стилизация, то есть изменение начертания символа, приводит к увеличению кодового расстояния между комбинациями, соответствующими наиболее похожими друг на друга символами (кодовое расстояние измеряется числом разрядов с противоположными значениями битов в двух комбинациях: например, 101 и 001 – кодовое расстояние d=1).

Для повышения достоверности считывания повышают значение кодового расстояния. Достигается это введением избыточности, то есть увеличением числа зондов в матрице распознавания, что приводит к росту аппаратных затрат. Но благодаря повышению в связи с этим разрядности кода растет и число распознаваемых символов.

Современный сканер символов способен вводить в ЭВМ не только тексты, но и полутоновые изображения.

Вернемся к структуре читающего автомата (рис. 6.04.).

На втором этапе происходит сравнение полученного кода из матрицы зондов (полосок) с кодами эталонов символов, хранящихся в ПЗУ. При их совпадении символу присваивается имя (идентификатор) эталона.

На третьем этапе распознавания производится преобразование кода-идентификатора в стандартный машинный код (преобразователь кода Х/У). Например, в ASCII, накопление его в буферном запоминающем устройстве (БЗУ) с последующим вводом в ЭВМ.

Применение вместо ПЗУ – репрограммируемого ЗУ позволяет произвести переход с одного алфавита на другой, то есть осуществить обучение сканера, другими словами наделить автомат искусственным интеллектом.

Одной из систем распознавания можно называть систему Cuneiform, поставляемой фирмами: Hewlett Packard, Epson, Mustek.

Система работает и с русским алфавитом. В ней маска сканера имеет форму матрицы из 10-20 рядов по 10-20 элементов в каждом, то есть содержит до 400 фотоэлементов.

Фиксированный алфавит эталонов занимает до 120 Кбайт памяти. Среднее время распознавания символа на ЭВМ с процессором не ниже i486 до 0.003 сек.

Однако система требует отсутствия на оригинале загрязнений и незнакомых начертаний.

Для распознавания таких оригиналов (с дефектами) существует много методов, способных распознавать символы сложных структур, поврежденные тексты, рисунки, таблицы и документы.

Физические основы их построения те же, но здесь уже работает ЭВМ с применением вероятностного математического аппарата.

В качестве примера приведем данные сканера типа HP Scan Jet 5p.

1. Способен оцифровывать и вводить в ЭВМ черно-белые и цветные тексты и изображения.

2. В комплект входит: программное обеспечение из 8 компонент:

- программа Paper Port для HP, позволяющая сканировать, организовывать, аннотировать документы;

- программа HP Picture Scan – контролирует процесс и параметры сканирования;

- текстовая программа для тестирования сканера после установки;

- программа калибровки экрана под формат сканера;

- программа копирования документов и др.

Для работы со сканером указываются требования к ЭВМ.

Например, для рассмотренного сканера ЭВМ должна иметь:

- процессор не ниже i486;

- ОЗУ не менее 8 Мбайт;

- 20 Мбайт свободной дисковой памяти;

- монитор с адаптером графики типа VGA;

- ОС Windows – 95 и выше;

- слот для интерфейсной платы HP или порт SCSI, встроенный в ЭВМ.

Основные характеристики сканера:

- планшетный, максимальный размер документа 216×216 мм;

- оптическое разрешение 300 dpi (точек на дюйм);

- масштабирование от 1 до 400%;

- сканирующая матрица на основе ПЗС;

- источник света: ксеноновая лампа

- скорость сканирования 22 сек на страницу;

- режимы сканирования:1-разрядный для черно-белого, 4-разрядный для 16 уровней серого цвета, 8-разрядный для 256 уровней.

- потребление – 36 Вт, в режиме покоя – 8Вт.

Уже устарел.

Новые модификации дают разрешение 2400 dpi, применяют вместо ASCII – UNICODE: 16 битовый набор символов (даже китайские иероглифы).

6.5. Структурная схема ЭВМ и иерархия средств подключения к ней периферийных устройств (М. Гук Шины USB, PCI и FireWire 2005 г. стр. 203-332)

Упрощенная структурная схема ЭВМ приведена на рис. 6.06.

Структура построена по классической схеме Фон-Неймановской ЭВМ, состоящей из трех основных частей:

а) процессор CP, выполняющий программы, хранящиеся в памяти IM

б) память IM

в) остальное можно отнести к устройствам ввода/вывода, которые часто называют периферийными устройствами (ПУ).

Процессор СР (или несколько), память IM и главный мост связаны между собой внутренней шиной (шиной процессора или системной шиной, которая недоступна для подключения внешних устройств). Всю эту часть называют центральной частью или ядром процессора. Со всеми остальными устройствами (ПУ) связь осуществляется через шины расширения PCI, шиной порта AGP, SCSI, ISA, USB и др. ПУ, не входящие в ядро процессора, можно разделить на несколько классов.

1. Устройства хранения данных (внешняя память):

- дисковая (магнитные, оптические, магнитооптические диски);

- ленточные (стримеры);

- твердотельные(карты, модули, флэш-памяти).

Все эти перечисленные устройства хранения данных энергозависимые, используются для загрузки хранящихся в них данных в оперативную память IM, с которой процессор работает непосредственно.

2. Устройства ввода/вывода, преобразующие информацию, обрабатываемую процессором (биты и байты) в форму, понятную окружающим потребителям и наоборот. Сюда относят мониторы, клавиатуру, мыши, принтеры, сканеры, плоттеры, акустические системы, теле- и видеокамеры, устройства управления и телеметрии и так далее.

3. Коммуникационные устройства, предназначенные для передачи данных между компьютерами или их частями, это модемы (проводные, радио, оптические, инфракрасные), адаптеры локальных и глобальных сетей, средства обмена между ПУ и ЭВМ и др.

Для обращения ЭВМ к ПУ может быть выделенное пространство адресов ввода/вывода отдельно от памяти IM, размер которого может составлять до 64 Кбайт.

В этой области располагаются адреса регистров ПУ разрядностью 1, 2, 4 байта, для обращения к которым есть команды IN, OUT, IS и OUTS.

Адреса регистров могут отображаться и в пространстве памяти (в выделенной области). В процессе взаимодействия процессора с компонентами ЭВМ, он всегда обращается к ячейке памяти или пространства ввода/вывода.

Таким образом, любое ПУ представляется набором регистров (ячеек) или источником прерывания.

Обмен данными между ПУ и процессором осуществляется через шины ввода/вывода, которые подразделяются на несколько видов (уровней).

Системная шина – для обмена между процессором, памятью IM и главным мостом.

Главный мост осуществляет преобразование сигналов, поступающих из ПУ (или в ПУ), «читаемых» процессором (или ПУ при выводе).

Шины расширения: SCSI, развивающаяся PCIxx, ISA и шина монитора.

ISA – отмирающая шина, ее интенсивно вытесняет шина USB, бурно развивающаяся, скорость передачи в которой сейчас ограничивается свойствами проводного кабеля, который вероятней всего может быть заменен оптоволоконным, пропускная способность которого практически неограниченна.

Достоинства USB: универсальность, благодаря удачной топологии подключения ПУ, развитого протокола обмена данными, большого числа одновременно подключаемых ПУ (до 127), высокой скорости обмена, возможности подключения (отключения на ходу) без перегрузки ОС.

ЕЕ хост-контроллер интегрирован во все современные системные платы. Применение USB пока ограничивается недостатком программного обеспечения ПУ, совместимого с протоколами обмена USB. Этот недостаток стремительно устраняется разработчиками ПУ.

Скорость передачи непрерывно растет:

Первая версия USB 1.0 – 1.5 Мбит/с – введена в 1996 г.

Вторая версия USB 2.0 – 12 Мбит/с – 1998 г.

Третья версия USB 3.0 – 480 Мбит/с – 2000 г.

Сейчас дорабатывается версия со скоростью более 600 Мбит/с.

6.6. Применение шины USB

Благодаря своей универсальности и способности эффективно передавать разнородный трафик, шина USB может применяться для подключения к РС самых разнородных устройств.

Скорее всего она полностью заменит традиционные порты РС – СОМ и LPT, порты игрового адаптера и интерфейса MIDI, шины ATA и SCSI, часть функций шины FireWire.

Перечислим основные области применения USB.

1. Устройства ввода: клавиатура, мышь, трэкболы, планшеты и т.д.

Здесь USB представляет единый интерфейс для разных устройств.

2. Принтеры – USB позволяет при наличии промежуточного хаба подключать несколько принтеров к одной ЭВМ.

3. Сканеры – USB позволяет отказаться от контроллера SCSI или от порта LPT, причем и увеличивать скорость передачи.

4. Аудиоустройства: колонки, микрофоны, головные телефоны (наушники). Обеспечивает высокое качество передачи при наличии преобразователя аналогового сигнала в цифровой в самом источнике. Может передавать аналоговый сигнал с последующим его преобразованием в цифровой в самом ПК, где есть звуковая карта.

5. Музыкальные синтезаторы и MIDI-контроллеры с интерфейсом для USB.

6. Фото и видеокамеры. USB позволяет передавать видеоданные (живое изображение) без сжатия (и естественно без потери качества). USB 2.0 и выше позволяет подключать устройства захвата видеосигнала (используются, например, при согласовании телевизионных сигналов стандартов SECAM, NTS и др.)

7. Коммуникации. С интерфейсом USB выпускаются разнообразные модемы, адаптеры высокоскоростной инфракрасной связи, сетевые адаптеры, подключаемые к компьютеру и др.

Выпускается USB и для связи двух ЭВМ, у которых 2 вилки типа А на концах. Напрямую соединять 2 ЭВМ обычной шиной USB нельзя, так как она имеет только один хост-контроллер.

8. Преобразователи интерфейсов позволяют подключать через порт USB и устройства, имеющие свои интерфейсы: Centronics, IEEE 1284 (порт LPT), RS 232 C (COM-порт) и другие последовательные порты. Разработаны переходники для подключения к шинам АТА, ISA и PC Card. Это позволяет избавиться в ноутбуках от перечисленных портов заменой их на USB порт.

9. Устройства хранения данных: диски, устройства чтения и записи CD и DVD, стримеры, флэшки, флэшкарты.

10. Игровые устройства: от джойстиков всех видов до автомобильных рулей на тренажерах.

11. Телефоны аналоговые и цифровые, что позволяет использовать ПК как автоответчик, секретаря, как пункт охраны.

12. Мониторы – здесь USB используется для управления параметрами монитора: яркостью, контрастностью, цветом.

13. Электронные ключи – устройства с любым уровнем интеллекта для защиты от несанкционированного доступа. Ключи могут выполняются прямо в корпусе вилки USB.

В современных ЭВМ портов USB может быть несколько, которые могут быть равноправными (поддерживать подключение на любой скорости), так и выделенными (часть их передает на высокой скорости, остальные – на средней и низкой).

Часть разъемов USB выводится на внешние панели, другая – на штырьковые разъемы прямо на системной плате. К этим разъемам можно подключать внешние через кабели, которые называют «выкидыши», с выводом например на свободные заглушки на панели.

Предупреждение: при подключении «выкидыша» недопустимо перепутать выводы +5 и земля, иначе подключаемое устройство сгорит.

Возможность подключения разнообразных устройств можно объяснить возможностью применения на шине USB разнообразных протоколов обмена, дескрипторов, описывающих устройства, и соответствующего ПО.

6.7. Организация шины USB

Шина USB состоит из четырех проводников: 2 провода для передачи данных и 2 провода для питания подключаемых устройств, если они потребляют не более 120 мА.

Разъемы бывают двух типов:

типа А: гнездо устанавливается только в нисходящих портах хабов, а вилки на кабелях внешних устройств (в восходящих портах).

типа В: используются в восходящих портах или для кабелей от внешних устройств.

Разъемы четырехконтактные:

№ контакта:

1 – Vbus (+5 В)

2 – + D

3 – -D

4 – земля GND.

Контакты 2 и 4 являются признаком дифференциального способа передачи сигнала (рис. 6.07 а).

Сигнал передается парафазным кодом +Uc и –Uс по линиям +D и –D.

Дифференциальный усилитель ДУ (компаратор) принимает разность напряжений: ∆U = (+Uc+Uпом)-(-Uc+Uпом) = 2Uc.

В шине может применяться дифференциальный способ передачи по витой паре (рис. 6.07 б).

ПУ как правило имеют линейные передатчики и приемники, которые используются на низких скоростях передачи по шине.

Переключение скорости передачи происходит при конфигурировании после определения параметров устройства. За этим следует хост-адаптер USB.

Хабы могут иметь световую индикацию (2 лампочки)

- лампочки не светятся – хаб не работает

- зеленый свет – нормальная работа

- желтый – ошибка в работе

- мигающие зеленый и желтый – требует внимания оператора (например, неоптимальная конфигурация).

Развита функция USB – управление энергопотреблением, например, если устройство потребляет >100 мА – оно будет отключено.

Каждое устройство при подключении к USB автоматически получает свой адрес.

Логически устройства представляют собой набор независимых точек, с которыми хост-контроллер обменивается информацией. Каждая точка имеет свой номер и описывается параметрами:

- требуемая частота доступа к шине и допустимая задержка обслуживания;

- требуемая частота пропускания канала (скорость передачи);

- требования к обработке ошибок;

- максимальные размеры пакетов передачи;

- тип передачи: дифференциальный или линейный;

- направление передачи (для передач массивов и изохронного обмена).

Организация подключения шины USB

USB имеет древовидную структуру, позволяющую подключать до 127 ПУ с помощью последовательных соединений типа «точка-точка» (рис. 6.08 а).

Уровней каскадирования может быть 5, не считая корневого хаба.

В узлах дерева находятся хабы, действующие как промежуточные устройства. Корневой хаб соединяет дерево с хост-компьютером. Внешние устройства – листья дерева, которые часто называют функциями.

Каждый хаб имеет ряд портов, к которыми могут подключаться как ПУ так и другие хабы.

Хаб копирует поступающие сообщения в свои выходные порты, поэтому сообщение, посланное компьютером, получают все ПУ, а ответит на него только адресуемое. Сообщение, посланное ПУ, поступит только к корневому хабу, то есть взаимодействие между ПУ минуя корневой хаб невозможно.

В этом основное отличие шин USB от других шин расширения.

Особенности структуры USB

О основе работы USB лежит принцип опроса ПУ. ПУ может отослать сообщение только в ответ на запрос хоста, следовательно конфликт между ПУ исключается, что позволяет применять простые и недорогие хабы.

Такой режим работы USB пригоден для всех внешних ПУ, работающих на невысоких скоростях. В таком режиме работает только USB 1.0. С появлением USB 2.0 и выше изменится режим ее работы, суть которого можно пояснить на рис. 6.08 б).

Допустим, во внешнее устройство D сообщение передается с низкой скоростью (нс) (1.5 Мбит/с). Это десятки миллисекунд на передачу пакета. Все это время другие сообщения передаваться не могут. Для решения этой проблемы протокол USB 2.0 обеспечивает передачу к хабу А по цепи высокой скорости (ВС), а от хаба А к ПУ D уже передает с низкой скоростью (НС), которая устраивает медленное устройство D. Для этого хаб А все время хранит сообщение для D на все время передачи к D. Следовательно, в это время корневой хаб может передавать сообщения для других ПУ, то есть шина USB сегментно делится между скоростями ВС, ПС и НС.

При этом сообщение для D предваряется и завершается специальными командами для хаба А с целью перехода его в режим разделения трафика, а потом выхода из него. Естественно, драйверы ПУ должны быть приспособлены для такого разделения трафика.

6.8. Протокол шины USB

Информация передается через соединения USB в виде пакетов, в каждый из которых включены один или несколько байтов данных.

В протоколе USB есть много типов пакетов, выполняющих разные управляющие функции. Пересылаемую информацию по USB можно разделить на две категории: управляющую и данные.

Управляющие пакеты используются для адресации ПУ при пересылке данных, для подтверждения о получении данных, для сообщений об ошибках.

Пакеты данных содержат входные или выходные данные и некоторую другую информацию.

Первое поле любого пакета (8-разрядное) называется идентификатором PID, определяет тип пакета, в нем 4 бита передаются дважды: первый раз реальные биты, второй – как дополнение (рис. 6.09 а). Это позволяет проверить достоверность полученного байта PID.

4 бита поля PID идентифицируют один из 16 возможных типов пакетов.

Пакеты, используемые для управления операциями пересылки данных называют пакетами маркера. Их формат показан на рис. 6.09 б), в котором PID определяет тип пакета:

IN (ввод) или OUT (вывод),

ADDR – адрес ПУ (7 разрядный),

EDNP – четырехразрядный номер конечной точки внутри ПУ (например в ПУ есть: принтер, факс, модем и т. д.),

CRC16 – для циклической проверки наличия ошибок в адресе ПУ и номере конечной точки (наподобие обнаружения ошибок в циклическом коде).

Формат пакетов входных или выходных данных показан на рис. 6.09 в).

Обратите внимание: адрес пересылки данных содержится в пакете IN и OUT, который инициирует эту пересылку.

Пример операции вывода данных для конфигурации подключения ПУ к хабу, который в свою очередь подключен к хост-компьютеру (корневому хабу) показан на рис. 6.10.

Передаются: а) управляющий пакет (пакет маркера) и б) – пакет данных.

Временная диаграмма передачи приведена на рис. 6.10 в).

Хост-компьютер отсылает хабу пакет маркера типа OUT, за ним – пакет данных. После PID пакета идентифицирует его как пакет данных с номером 0. Хаб, проверив контрольные биты пакета (CRC16), отсылает хосту подтверждение АСК, а ПУ – пакеты маркера и данных. Эти пакеты доходят до всех ПУ, но принимает их и отправляет хабу подтверждение АСК, только ПУ, распознавшее свой адрес в пакете маркере.

Пакет, переданный на полной или низкой скорости, имеет номер 0 или 1, что упрощает процесс восстановления данных после обнаружения ошибок, связанных с пересылкой.

Если в результате ошибки произошла потеря любого пакета, отправитель повторно посылает весь набор пакетов.

Высокоскоростные пакеты нумеруются как 0, 1, 2, 0 и т.д.

Операция ввода IN выполняется аналогично. Хост отсылает пакет маркера типа IN, содержащий адрес ПУ, который используется и как сигнал опроса, тем самым адресуемому ПУ дается команда – отправить данные.

ПУ отправляет данные, а также подтверждение АСК. Если ПУ не имеет данных, оно отправляет только пакет NAK.

Если к шине USB подключены низко, полно и высокоскоростные линии, то пакеты IN и OUT, предназначенные для низко и высокоскоростных ПУ, предваряются специальными управляющими пакетами, инициирующими переход в режим разделения трафика.

В заключение следует отметить, что протоколов пересылки данных по шине USB существует много, не меньше чем транзакций для разных устройств.

Подробное описание протоколов приведено на сайте по адресу:

www.usb.org/developers и в документах, составляющих спецификацию USB. Довольно много материала по USB и в книге М.Гук «Шины PCI, USB и FireWire», изд-во Питер, 2005 г.

Изохронный трафик по шине USB

Предназначен для передачи оцифрованных сообщений, например, голоса.

Для устройств, генерирующих и получающих изохронные данные для управления дискретизацией и восстановлением сигнала, нужна тактовая информация.

По этой причине передача изохронных данных по USB осуществляется покадрово. В полноскоростных линиях длительность кадра составляет 1мс. Через каждую миллисекунду корневой хаб генерирует пакет SOF, отмечающий начало кадра и используемый устройством и как тактовый сигнал.

Структура пакета SOF представлена на рис. 6.11 а). Увеличение длительности пакета (если этого требует устройство) достигается за счет включения в пакет 11-разрядого номера кадра.

Вслед за пакетом SOF хост выполняет пересылку пакетов маркера Tn и данных D (рис. 6.11 б).

Другими словами, каждое изохронное ПУ может получать данные каждую мс. Основное требование к изохронному трафику – строгое тактирование по частоте (допустимое отклонение ±0.00005 мс).

Изохронные устройства могут обслуживаться только по полноскоростным (12 Мбит/с) и высокоскоростным (480 Мбит/с) линиям USB.

В высокоскоростных линиях в кадре в 1 мс пакет SOF посылается 8 раз, то есть формируется 8 микрокадров длительностью 125 мкс.

Хаб является ключевым элементом технологии PnP в архитектуре USB, выполняет следующие функции:

1. Обеспечивает физическое подключение устройств, формирует и принимает сигналы в соответствии со спецификацией USB.

2. Управляет подачей питающего напряжения на нисходящие порты (например, для питания флэш-памяти). Предусматривает ограничение тока потребления устройством не более 100 мА.

3. Отслеживает состояние подключенных устройств, уведомляя об этом хост-компьютер, может отключать от шины неисправные устройства. Обнаруживает ошибки в шине.

4. Обеспечивает связь между сегментами шины, работающими на разных скоростях.

Каждый из нисходящих портов может быть разрешен, запрещен или сконфигурирован на полную, высокую или низкую скорость. Каждый из восходящих портов конфигурируется только на полную или высокую скорость.

Хост у каждой USB может быть только один. Хост-контроллер можно разделить на три уровня:

а) Интерфейс USB – обеспечивает физический интерфейс. Протокол шины реализуется хост-компьютером, имеющим внутренний встроенный хаб с гнездами типа А. Хост-контроллер отвечает за генерацию кадров, обменивается на аппаратном уровне с основной памятью IM.

б) Система USB – используя хост-контроллер, обеспечивает обмен данными с устройствами в транзакции; отвечает за распределение ресурсов USB, а именно: полосы пропускания, питания устройств через USB.

в) Клиенты USB – программные элементы (приложения или системные компоненты), взаимодействуют с устройствами.

Клиенты могут взаимодействовать с любыми устройствами или с их конечными точками, однако система USB изолирует клиентов от непосредственного обмена с какими-либо нормами или ячейками памяти IM.