Периферийное оборудование ЭВМ — это совокупность технических и программных средств, обеспечивающих взаимодействие ЭВМ с пользователем и внешней средой, а также хранение, подготовку и преобразование информации к виду, удобному для ввода-вывода.
Периферийное оборудование подразделяется на две группы: локальное, устанавливаемое рядом и подключаемое непосредственно к ЭВМ, и удаленное (терминальное). По выполняемым функциям и локальное, и терминальное оборудование включает в себя средства хранения, обработки и ввода-вывода информации. Средства взаимного общения с пользователем должны осуществлять представление и ввод информации в основном в графической форме.
В настоящее время существуют различные методы ввода и регистрации графической информации: высвечивание точек и линий на экране монитора, нанесение точек, вычерчивание линий и символов изображения на бумаге (в том числе специальной), изменение цвета бумаги путем химической (термической) реакции, электризация поверхности фотополупроводника, проецирование изображения с помощью луча лазера и др.
Каждый метод и устройства, реализующие его, имеют свои достоинства и недостатки. Основными критериями для их сравнения являются:
- качество изображения;
- скорость формирования изображения;
- стоимость оборудования и его эксплуатации;
- особенности программного обеспечения.
По программному обслуживанию периферийные устройства САПР делятся на два класса: растровые и координатные (векторные).
В растровых устройствах выводится мозаичный рисунок из отдельных точек — пикселов, по типу телевизионной развертки. При этом осуществляется последовательный перебор элементов мозаики и выделение пикселов, составляющих изображение. Время вывода изображения постоянно, не зависит от сложности рисунка и определяется только числом элементов мозаики (пикселов) и скоростью их перебора.
При векторном способе осуществляется последовательное вычерчивание линий, составляющих изображение. Время ввода-вывода изображения пропорционально суммарной длине линий. Для сложных изображений время вывода может быть достаточно велико.
В современных САПР широкое применение находят оба типа устройств. Все периферийные устройства делятся на три основные группы:
_ средства ввода-вывода с машинных носителей;
_ средства ввода-вывода с документов;
_ средства непосредственного взаимодействия с ЭВМ.
Первая группа средств включает в себя накопители на магнитных дисках или накопители на магнитных лентах (стримеры).
Средства ввода-вывода с документов имеют свою специфику для ввода-вывода текста и графической информации. К ним относятся различные печатающие устройства (принтеры), графопостроители, планшеты, сканеры и др.
Средства непосредственного взаимодействия с ЭВМ включают в себя устройства отображения алфавитно-цифровой и графической информации (дисплеи, проекционные системы и др.), акустические устройства ввода-вывода информации, устройства связи с реальными объектами (датчики, исполнительные устройства), а также средства ручного ввода информации: алфавитно-цифровую клавиатуру, различные планшеты и манипуляторы (электронная «мышь», управляющие ручки— джойстики, управляющий шар — трекболл и др.).
Наиболее распространенным электронным средством отображения информации является дисплей. Большинство современных дисплеев PC и ПК строятся на основе платы графического адаптера (графического процессора) и монитора.
Требования к качеству графического изображения в задачах САПР весьма велики.
Существует несколько видов изображений в пакетах САПР:
- высококачественные черно-белые двухмерные изображения (чертежи, эскизы и т.д.);
- цветные или полутоновые двухмерные изображения (топология БИС, печатных плат и т.д.);
- каркасные трехмерные проекции конструкторских чертежей, эскизов и т.д. с удалением и без удаления невидимых линий;
- проекции трехмерных изображений с закрашиванием поверхностей;
- проекции реалистичных трехмерных изображений с учетом отражательных характеристик поверхностей объектов и формированием светотеней.
Наиболее простые черно-белые изображения и каркасные трехмерные изображения могут строиться векторными методами. Остальные виды изображении требуют растровой цветной (полутоновой) графики с высоким разрешением и богатой цветовой палитрой.
Для изображений среднего качества могут быть использованы графические адаптеры мощных ПК типа SVGA с разрешением не менее 1024x768 точек, 256.
Для визуализации реалистичных трехмерных изображений, I конструкций сложных объектов и многослойных топологий БИС требуются более высокие быстродействие и разрешение графических адаптеров. Такие графические адаптеры называют графическими процессорами, a PC с графическим процессором и цветным монитором повышенного разрешения и I размера по диагонали (19 дюймов и выше) — графической рабочей станцией. Так, в графической PC фирмы IBM PS-73C используется плата графического процессора, обеспечивающая разрешение 1280x1024 точки с более чем 4 млрд. оттенками цветов. Быстродействие такой графической станции при визуализации изображений — 990 тыс. трехмерных графических преобразований в секунду, что эквивалентно воспроизведению 120 тыс. трехмерных треугольников с закрашиванием в секунду.
В связи с высокими требованиями к качеству изображения в области САПР доминируют цветные и полутоновые мониторы на электронно-лучевых трубках с повышенными разрешением и строчной и кадровой развертками, хотя ведутся интенсивные разработки и высококачественных мониторов на жидких кристаллах. Следует отметить быстрое развитие лазерных проекционных систем визуализации изображений на больших плоских экранах с повышенным разрешением до 1024x1024 точек. В этом случае развертка луча лазера ведется зеркальными механическими отклоняющими системами либо электронными системами на базе акустооптических дефлекторов.
Устройства графического вывода (печатающие устройства — принтеры, графопостроители и т.д.) занимают ведущее место среди номенклатуры периферийных устройств на рынке технических средств САПР (более 2/з от всей оконечной аппаратуры. Сложилось разделение устройств вывода на печатающие устройства и графопостроители, однако границы их использования для вывода текста и графики в последнее время все более размываются.
Струйные печатающие устройства относятся к посимвольным матричным устройствам. Существует два типа таких печатей - с непрерывной капельной струей и импульсные. В первых заряженные капельки красителя летят мимо отклоняющей системы и формируют символы (графику) на бумаге. В ждущих принтерах капли вылетают лишь когда необходимо сформировать символ. В них используется многосопловые (до 9...12 сопел и более) струйные головки. Возбуждение капсул-иньекторов осуществляется пьезоэлементом или нагревом микрорезистора.
Наибольшую популярность в настоящее время имеет лазерная печать, обеспечивающая очень высокую скорость печати (до 10 страниц в минуту) при высокой четкости — до 32...40 точек на 1 мм. В таких устройствах изображение регистрируется электрографическим способом. Лазер создает скрытое изображение на барабане, а его визуализация осуществляется специальным порошком—тонером с тепловым закреплением на бумаге. При этом луч лазера по одной координате разворачивается механически с помощью зеркальной многогранной призмы, а по другой координате — электронным способом с помощью акустооптического дефлектора. Управляет работой лазерной печати мощная микроЭВМ, формируя страницы вывода, получаемые от PC или ПК. К недостаткам лазерной печати следует отнести ее относительно высокую стоимость и сложность формирования цветных изображений. Лазерные принтеры обычно используются коллективно несколькими пользователями через ЛВС. Лидером в производстве лазерных печатей является фирма Hewlett-Packard.
Графопостроители подразделяются на два основных типа; растровые и векторные (координатные).
Растровые устройства по своей конструкции близки к принтерам безударного действия и используют электрохимический, электротермический и другие принципы работы. Пишущий узел в них представляет гребенку электродов, образующую растр во всю ширину бумаги.
Векторные графопостроители относятся к электромеханическим устройствам и выполняются в двух видах: планшетном и рулонном. В планшетном графопостроителе бумага фиксируется, а пишущий узел закреплен на каретке, установленной на движущейся планке. Пишущий узел может перемещаться в любую точку планшета. Используется векторный способ управления графопостроителем путем подачи сигналов, пропорциональных изменениям координат при перемещении пишущего узла.
В рулонном графопостроителе планка неподвижна, а барабан перемещает бумагу. Рулонный графопостроитель более автоматизирован в работе, чем планшетный, однако нельзя использовать произвольные листы, бланки и т.п.
Основное назначение устройств ввода графической информации заключается в преобразовании аналоговых объектов изображения в дискретную форму представления в ЭВМ. Устройства ввода включают в себя как средства ввода информации с документов, так и органы ручного ввода при непосредственном взаимодействии с ЭВМ.
При вводе осуществляются поиск, считывание изображении и кодирование информации. Широко применяются полуавтоматические сканеры, в которых элемент считывания изображения перемещается рукой человека. Автоматические устройства выполняют считывание изображений без участия человека. Существует два типа автоматических устройств ввода - следящие — аналог векторных устройств вывода и сканирующие (растровые).
Следящие устройства ввода выполняют слежение за линией и устанавливаются либо на графопостроитель, либо на специальную координатную систему. Возможности следящей системы ограничены сложностью рисунка, числом пересечений, типом линий и т.д.
В сканирующих устройствах (сканерах) осуществляется растровое представление вводимого документа, выполняется распознавание образов, символов, знаков; далее изображение может быть графически отредактировано на дисплее и выведено на растровое устройство вывода. В автоматических и полуавтоматических сканерах в качестве чувствительного элемента используется однокоординатная линейка фотоприемников или линейка приемников на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). По другой координате перемещение линейки осуществляется вручную или автоматически с помощью шагового двигателя. Поверхность считываемого изображения освещается светодиодами, что улучшает равномерность засветки и качество считываемого изображения. Для быстрого ввода в ЭВМ изображений, сравнимых по четкости с телевизионным, используются автоматические сканеры на основе телевизионных камер с приемной ПЗС-матрицей и высококачественной широкоугольной оптикой.
Периферийное оборудование подразделяется на две группы: локальное, устанавливаемое рядом и подключаемое непосредственно к ЭВМ, и удаленное (терминальное). По выполняемым функциям и локальное, и терминальное оборудование включает в себя средства хранения, обработки и ввода-вывода информации. Средства взаимного общения с пользователем должны осуществлять представление и ввод информации в основном в графической форме.
В настоящее время существуют различные методы ввода и регистрации графической информации: высвечивание точек и линий на экране монитора, нанесение точек, вычерчивание линий и символов изображения на бумаге (в том числе специальной), изменение цвета бумаги путем химической (термической) реакции, электризация поверхности фотополупроводника, проецирование изображения с помощью луча лазера и др.
Каждый метод и устройства, реализующие его, имеют свои достоинства и недостатки. Основными критериями для их сравнения являются:
- качество изображения;
- скорость формирования изображения;
- стоимость оборудования и его эксплуатации;
- особенности программного обеспечения.
По программному обслуживанию периферийные устройства САПР делятся на два класса: растровые и координатные (векторные).
В растровых устройствах выводится мозаичный рисунок из отдельных точек — пикселов, по типу телевизионной развертки. При этом осуществляется последовательный перебор элементов мозаики и выделение пикселов, составляющих изображение. Время вывода изображения постоянно, не зависит от сложности рисунка и определяется только числом элементов мозаики (пикселов) и скоростью их перебора.
При векторном способе осуществляется последовательное вычерчивание линий, составляющих изображение. Время ввода-вывода изображения пропорционально суммарной длине линий. Для сложных изображений время вывода может быть достаточно велико.
В современных САПР широкое применение находят оба типа устройств. Все периферийные устройства делятся на три основные группы:
_ средства ввода-вывода с машинных носителей;
_ средства ввода-вывода с документов;
_ средства непосредственного взаимодействия с ЭВМ.
Первая группа средств включает в себя накопители на магнитных дисках или накопители на магнитных лентах (стримеры).
Средства ввода-вывода с документов имеют свою специфику для ввода-вывода текста и графической информации. К ним относятся различные печатающие устройства (принтеры), графопостроители, планшеты, сканеры и др.
Средства непосредственного взаимодействия с ЭВМ включают в себя устройства отображения алфавитно-цифровой и графической информации (дисплеи, проекционные системы и др.), акустические устройства ввода-вывода информации, устройства связи с реальными объектами (датчики, исполнительные устройства), а также средства ручного ввода информации: алфавитно-цифровую клавиатуру, различные планшеты и манипуляторы (электронная «мышь», управляющие ручки— джойстики, управляющий шар — трекболл и др.).
Наиболее распространенным электронным средством отображения информации является дисплей. Большинство современных дисплеев PC и ПК строятся на основе платы графического адаптера (графического процессора) и монитора.
Требования к качеству графического изображения в задачах САПР весьма велики.
Существует несколько видов изображений в пакетах САПР:
- высококачественные черно-белые двухмерные изображения (чертежи, эскизы и т.д.);
- цветные или полутоновые двухмерные изображения (топология БИС, печатных плат и т.д.);
- каркасные трехмерные проекции конструкторских чертежей, эскизов и т.д. с удалением и без удаления невидимых линий;
- проекции трехмерных изображений с закрашиванием поверхностей;
- проекции реалистичных трехмерных изображений с учетом отражательных характеристик поверхностей объектов и формированием светотеней.
Наиболее простые черно-белые изображения и каркасные трехмерные изображения могут строиться векторными методами. Остальные виды изображении требуют растровой цветной (полутоновой) графики с высоким разрешением и богатой цветовой палитрой.
Для изображений среднего качества могут быть использованы графические адаптеры мощных ПК типа SVGA с разрешением не менее 1024x768 точек, 256.
Для визуализации реалистичных трехмерных изображений, I конструкций сложных объектов и многослойных топологий БИС требуются более высокие быстродействие и разрешение графических адаптеров. Такие графические адаптеры называют графическими процессорами, a PC с графическим процессором и цветным монитором повышенного разрешения и I размера по диагонали (19 дюймов и выше) — графической рабочей станцией. Так, в графической PC фирмы IBM PS-73C используется плата графического процессора, обеспечивающая разрешение 1280x1024 точки с более чем 4 млрд. оттенками цветов. Быстродействие такой графической станции при визуализации изображений — 990 тыс. трехмерных графических преобразований в секунду, что эквивалентно воспроизведению 120 тыс. трехмерных треугольников с закрашиванием в секунду.
В связи с высокими требованиями к качеству изображения в области САПР доминируют цветные и полутоновые мониторы на электронно-лучевых трубках с повышенными разрешением и строчной и кадровой развертками, хотя ведутся интенсивные разработки и высококачественных мониторов на жидких кристаллах. Следует отметить быстрое развитие лазерных проекционных систем визуализации изображений на больших плоских экранах с повышенным разрешением до 1024x1024 точек. В этом случае развертка луча лазера ведется зеркальными механическими отклоняющими системами либо электронными системами на базе акустооптических дефлекторов.
Устройства графического вывода (печатающие устройства — принтеры, графопостроители и т.д.) занимают ведущее место среди номенклатуры периферийных устройств на рынке технических средств САПР (более 2/з от всей оконечной аппаратуры. Сложилось разделение устройств вывода на печатающие устройства и графопостроители, однако границы их использования для вывода текста и графики в последнее время все более размываются.
Струйные печатающие устройства относятся к посимвольным матричным устройствам. Существует два типа таких печатей - с непрерывной капельной струей и импульсные. В первых заряженные капельки красителя летят мимо отклоняющей системы и формируют символы (графику) на бумаге. В ждущих принтерах капли вылетают лишь когда необходимо сформировать символ. В них используется многосопловые (до 9...12 сопел и более) струйные головки. Возбуждение капсул-иньекторов осуществляется пьезоэлементом или нагревом микрорезистора.
Наибольшую популярность в настоящее время имеет лазерная печать, обеспечивающая очень высокую скорость печати (до 10 страниц в минуту) при высокой четкости — до 32...40 точек на 1 мм. В таких устройствах изображение регистрируется электрографическим способом. Лазер создает скрытое изображение на барабане, а его визуализация осуществляется специальным порошком—тонером с тепловым закреплением на бумаге. При этом луч лазера по одной координате разворачивается механически с помощью зеркальной многогранной призмы, а по другой координате — электронным способом с помощью акустооптического дефлектора. Управляет работой лазерной печати мощная микроЭВМ, формируя страницы вывода, получаемые от PC или ПК. К недостаткам лазерной печати следует отнести ее относительно высокую стоимость и сложность формирования цветных изображений. Лазерные принтеры обычно используются коллективно несколькими пользователями через ЛВС. Лидером в производстве лазерных печатей является фирма Hewlett-Packard.
Графопостроители подразделяются на два основных типа; растровые и векторные (координатные).
Растровые устройства по своей конструкции близки к принтерам безударного действия и используют электрохимический, электротермический и другие принципы работы. Пишущий узел в них представляет гребенку электродов, образующую растр во всю ширину бумаги.
Векторные графопостроители относятся к электромеханическим устройствам и выполняются в двух видах: планшетном и рулонном. В планшетном графопостроителе бумага фиксируется, а пишущий узел закреплен на каретке, установленной на движущейся планке. Пишущий узел может перемещаться в любую точку планшета. Используется векторный способ управления графопостроителем путем подачи сигналов, пропорциональных изменениям координат при перемещении пишущего узла.
В рулонном графопостроителе планка неподвижна, а барабан перемещает бумагу. Рулонный графопостроитель более автоматизирован в работе, чем планшетный, однако нельзя использовать произвольные листы, бланки и т.п.
Основное назначение устройств ввода графической информации заключается в преобразовании аналоговых объектов изображения в дискретную форму представления в ЭВМ. Устройства ввода включают в себя как средства ввода информации с документов, так и органы ручного ввода при непосредственном взаимодействии с ЭВМ.
При вводе осуществляются поиск, считывание изображении и кодирование информации. Широко применяются полуавтоматические сканеры, в которых элемент считывания изображения перемещается рукой человека. Автоматические устройства выполняют считывание изображений без участия человека. Существует два типа автоматических устройств ввода - следящие — аналог векторных устройств вывода и сканирующие (растровые).
Следящие устройства ввода выполняют слежение за линией и устанавливаются либо на графопостроитель, либо на специальную координатную систему. Возможности следящей системы ограничены сложностью рисунка, числом пересечений, типом линий и т.д.
В сканирующих устройствах (сканерах) осуществляется растровое представление вводимого документа, выполняется распознавание образов, символов, знаков; далее изображение может быть графически отредактировано на дисплее и выведено на растровое устройство вывода. В автоматических и полуавтоматических сканерах в качестве чувствительного элемента используется однокоординатная линейка фотоприемников или линейка приемников на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). По другой координате перемещение линейки осуществляется вручную или автоматически с помощью шагового двигателя. Поверхность считываемого изображения освещается светодиодами, что улучшает равномерность засветки и качество считываемого изображения. Для быстрого ввода в ЭВМ изображений, сравнимых по четкости с телевизионным, используются автоматические сканеры на основе телевизионных камер с приемной ПЗС-матрицей и высококачественной широкоугольной оптикой.