Современный лазерный принтер, копир, многофункциональное устройство имеют, как правило двухуровневую систему управления состоящую из платы форматера и одной или нескольких плат второго уровня. Для проведения ремонтных работ по платам управления принтеров, МФУ, цифровых копировальных аппаратов необходимо знание основ построения этих сложных компонентов в объеме, примерно таком же, как и для ремонта системных плат персональных компьютеров.
Скорость работы лазерного принтера и его производительность во многом зависят от блока обработки изображения (форматера данных), который предназначен для обработки цифрового изображения, принятого в его оперативную память. Обработка принятого из компьютера изображения может быть очень сложной, например, в лазерных принтерах и цифровых копирах часто используются сложные алгоритмы обработки, обеспечивающие повышенное качество печати за счет сглаживания зубчатых и неровных краев при печати шрифтов, слежения за обеспечением высокой четкости печати векторных элементов; выполняется интеллектуальный анализ типа линий, автоматически различаются фотографии, текст и рисунки в пределах одной страницы; в зависимости от характера задания используются разные алгоритмы печати; осуществляется управление размером точки для обеспечения разрешения класса 2400 dpi из реальных 600 dpi путем пошагового (1-16 стадий) горизонтального контроля размера каждой точки и т. д.
Плата форматера по своему составу аналогична системной плате персонального компьютера (но ее стоимость гораздо выше стоимости системной платы, поэтому ее ремонт дает значительную экономию средств). Микросхема используемая на форматере обычно является заказной, в качестве ее ядра используется достаточно мощный процессор (в обычно ней находится достаточно мощный быстродействующий универсальный 32-х или 64-х разрядный микропроцессор), кроме того в микросхеме имеется ряд специализированных портов ввода/вывода.
Этот микропроцессор и элементы, обеспечивающих его работу, являются основой платы форматера. На плате обычно размещаются и микросхемы DRAM, ПЗУ с «прошитой» в ней управляющей программой и программой обработки страниц, принятых из компьютера для печати. В памяти форматера хранятся и различные используемые при печати шрифты, стандартные формы, которые необходимо часто печатать. Как правило, форматере имеется возможность расширять объем памяти и поэтому на плате обычно имеются специальные разъемы, в которые и устанавливаются модули расширенной памяти. Результаты «интеллектуальной обработки» в форматере изображения страницы (точечный растр) должны быть преобразованы в аналоговый вид, пригодный для управления включением луча лазера. Это преобразование выполняет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) блока обработки изображения, который осуществляет управление лазером и преобразует цифровой сигнал изображения в одноканальный аналоговый сигнал управления яркостью свечения лазера на этапе формирования «скрытого изображения».
Современный лазерный принтер, копир, МФУ немыслим без возможности сохранения его настроек, таких как размер бумаги, выбранный шрифт, качество печати и ряда других. Поэтому на плате форматера, как правило, должна быть микросхема энергонезависимой памяти, которая и предназначена для хранения всех этих установок. В современной микроэлектронной технике в качестве энергонезависимой памяти применяются микросхемы электрически-перепрограммируемого ПЗУ, которые получили название флэш-памяти (Flash).
Для работы любой микропроцессорной системы естественно имеется кварцевый синхрогенератор, который формирует тактовые импульсы, в соответствии с которыми осуществляются все циклы работы микропроцессора (в большинстве случаев синхрогенератор является встроенным в корпус микросхемы микропроцессора).
Для связи с компьютером, платами второго уровня управления, дополнительными устройствами (например HDD), плата форматера имеет схемы подключения к одному или нескольким стандартным интерфейсам.
Современные сетевые принтеры - это информационные устройства, которые способны преобразовывать и передавать информацию. Они в состоянии не только распечатать жесткую копию файла, но также принять и разослать ее по множеству адресов. Компьютерный мир меняется быстро, и название «периферия» по отношению к сетевым принтерам представляется уже не совсем точным. В сетевой среде современный принтер является вполне автономным устройством, которое имеет те же компоненты, что и компьютер. В нем устанавливают системные платы со все более быстрым процессором, оперативную память, жесткий диск, сетевую карту, возможно подключение внешнего жесткого диска, есть вход для монитора. Поэтому справедливо эти устройства рассматривают в качестве компьютерных узлов в локальной, или глобальной сети.
Как и персональные компьютеры лазерные принтеры, копиры, МФУ обычно оснащены встроенной системой самодиагностики, определяющей причину отказа. Эта система призвана облегчить работу сервисного инженера по диагностике неисправностей устройства (аналог POST-теста в ПК). После прохождения начального тестирования, из ПЗУ форматера считываются и выполняются команды управляющей программы реализующей обработку и выдачу цифрового изображения, связь с интерфейсом компьютера и микропроцессорами второго уровня управления.
Лазерные принтеры, цифровые копиры, МФУ являются сложными электромеханическими устройствами, они снабжены набором механических и электронных узлов, датчиков, переключателей, сенсоров, соленоидов, которые управляют и обеспечивают контроль процесса работы аппарата, сообщают микроконтроллеру второго уровня о состоянии отдельных его узлов. Управляют всеми процессами в аппарате электронные компоненты, которые располагаются на печатных платах. Основой для построения главных плат управления второго уровня являются специализированные микро-ЭВМ называемые микроконтроллерами. Микроконтроллеры являются основой схем управления многих современных промышленных устройств и приборов.
Самой главной особенностью микроконтроллеров, с точки зрения конструктора-проектировщика, является то, что с их помощью легче и зачастую гораздо дешевле реализовать различные схемы и алгоритмы управления различных устройств и аппаратов, в том числе лазерных принтеров, МФУ и копиров.
Микроконтроллер может управлять различными устройствами, узлами, механизмами и принимать от них данные при минимуме дополнительных узлов, так как большое число периферийных схем уже имеется непосредственно на кристалле микроконтроллера. Это позволяет уменьшить размеры конструкции и снизить потребление энергии от источника питания. Для сравнения: при использовании традиционных микропроцессоров приходится все необходимые схемы сопряжения с другими устройствами реализовывать на дополнительных компонентах, что увеличивает массу, размеры и потребление электроэнергии. Типичные схемы, присутствующие в микроконтроллерах перечислены ниже.
Центральное процессорное устройство (ЦПУ) является основой любого микроконтроллера. Оно принимает из памяти программ коды команд управляющей программы из ПЗУ, декодирует их и выполняет. ЦПУ состоит из регистров, арифметико-логического устройства (АЛУ) и цепей управления.
Принцип программного управления является определяющим в компьютерной технике. Этот принцип определяет способ получения полезного эффекта от компьютеров: человек, используя свой интеллект, один раз «пишет» программу, а затем эту программу можно выполнять на компьютере произвольное число раз, с одной и той же точностью исполнения, как и в первый раз.
В качестве основы для построения электронных схем управления лазерных принтеров и цифровых копировальных аппаратов, МФУ используются микропроцессоры (универсальные или специализированные микропроцессоры). В некоторых случаях используют несколько микропроцессоров. Процессор является единственным активным компонентом, после включения электропитания он самостоятельно начинает выполнять созданную для него программу, которая представляет собой последовательность команд (инструкций) процессору. Программы и данные доступны для процессора только в том случае, если они находятся в оперативной памяти (динамической или ПЗУ).
Любой микропроцессор (МП) предназначен для выполнения набора команд, определенных для него разработчиками данного микропроцессора, и ряда аппаратных функций, обеспечивающих эффективное выполнение этих команд. Командами человек (программист) указывает микропроцессору последовательность действий, реализующих задачу, решаемую на персональном компьютере, принтере, копире. Программа, состоящая из команд процессора, должна находиться в оперативной памяти (динамической или ПЗУ), но так как размер оперативной памяти ограничен, часто основной объем программ и данных в виде файлов хранится во «внешней памяти» т. е. на «жестких» магнитных дисках и других носителях информации. Процессор для выполнения служебных или прикладных программ, находящихся, например, на дисках, осуществляет (с помощью других программ) сначала загрузку этих программ с диска в динамическую память, и только после этого "программы с дисков" становятся доступными для микропроцессора. Все компоненты компьютера объединяются в единую систему с помощью системного интерфейса, который является общей информационной магистралью компьютера по которой происходит обмен информацией между процессором, памятью и периферийными устройствами. Операции обмена на системном интерфейсе, как правило, инициирует микропроцессор (за исключением обмена по прямому доступу в память). После включения электропитания, после завершения системного сброса по сигналу RESET, процессор формирует адрес для выборки начальной команды, и инициирует на системном интерфейсе операцию «Чтение команды». Считывает из памяти (ПЗУ) команду, принимает ее в свой регистр (регистр инструкций), и отрабатывает ее. Затем автоматически формирует адрес для выборки следующей команды программы и т. д.. Процессор формирует адрес следующей выбираемой команды в регистре IP (счетчик команд или указатель команд) путем прибавления длинны команды к адресу предыдущей команды (естественный порядок выборки команд), но в некоторых командах процессора содержится адрес следующей выбираемой команды (группа команд передающих управление), и естественный порядок выборки команд может быть нарушен. Выполняя команды исполняемой программы и аппаратные функции, процессор инициирует на системном интерфейсе операции обмена: «Чтение команды», «Чтение данных из памяти», «Запись данных в память», «Чтение порта», «Запись в порт» и др..
Для эффективного выполнения последовательности команд (программы) аппаратура МП выполняет ряд следующих вспомогательных функций:
- инициирует операции обмена на системном интерфейсе;
- выполняет процедуры прерывания;
- выполняет арбитраж запросов на захват интерфейса;
- реализует выполнение циклов обмена на системном интерфейсе с холостыми тактами ожидания (асинхронный обмен);
- реализует функции энергосбережения;
- автоматически формирует адрес первой выбираемой команды
- автоматически формирует адрес следующей выбираемой команды;
- выполняет автоматическое отключение при повышении температуры выше заданного уровня и др.
Во время выполнения команд или аппаратных функций, в компьютере идет обмен по шине данных системного интерфейса между одним из регистров микропроцессора и другим программно-доступным элементом компьютера, расположенным вне микропроцессора: ячейки в оперативной памяти, регистры в контроллерах внешних устройств (исключение составляет обмен по прямому доступу в память, когда в обмене участвуют ячейки оперативной памяти и регистр данных контроллера соответствующего внешнего устройства).
Программист, создающий программу, может использовать для хранения команд программы и данных ячейки памяти, каждая из которых имеет свой адрес (наименьшая адресуемая ячейка памяти – байт, который состоит из 8-ми двоичных разрядов). Программист может с помощью команд процессору осуществлять запись или чтение из ячеек памяти. Для доступа к регистрам контроллеров устройств у процессора обычно имеются команды «Чтение порта», «Запись в порт».
Программисту с помощью команд доступны:
- регистры микропроцессора;
- ячейки ПЗУ (постоянное запоминающее устройство;
- ячейки ОЗУ (динамическая память: например ячейка памяти с адресом 200h);
- регистры контроллеров и других элементов управления.
Все эти программно-доступные элементы имеют свои индивидуальные адреса, которые программист может указывать в командах процессору.
При выполнении команд или аппаратных функций микропроцессор инициирует операции обмена по шине данных системного интерфейса. Обмен осуществляется между регистром процессора и программно-доступным элементом, находящимся вне процессора (с ячейкой памяти, ячейкой ПЗУ, регистром контроллера системной платы или регистром контроллера внешнего устройства).
Процессоры по своей производительности постоянно значительно опережают оперативную память, выполненную на динамических элементах памяти. Существует достаточно много способов и методов ускорения обмена с оперативной памятью, но самым эффективным считают использование кэш-памяти. В кэш-памяти используют быстродействующую память выполненную на статических элементах памяти (триггерах). В современных компьютерах кэш обычно строится по двухуровневой и трехуровневой схеме. Кэш обычно встроен во все современные процессоры, то есть является внутренним.
Кэш-контроллер должен обеспечивать целостность данных кэш-памяти с данными в основной памяти, при этом, обращение к оперативной памяти может производиться не только процессором, но и другими активными (bus-master, DMA) адаптерами, подключенными к различным шинам. В многопроцессорных вариантах системных плат, у каждого из процессоров свой внутренний кэш. Для обеспечения целостности данных кэш-памяти осуществляются циклы слежения за операциями записи в оперативную память от устройств-инициаторов обмена, так как запись может вестись в область оперативной памяти, копия которой имеется в кэш-памяти. В этом случае, до выполнения операции записи, строки кэш-памяти, копии которых имеются в оперативной памяти, должны быть объявлены недействительными (при кэш-попадании в немодифицированную строку), или строки должны быть выгружены в оперативную память и объявлены недействительными (при кэш-попадании в модифицированную строку).
При обращении к памяти процессор выдает на «шину адреса» системного интерфейса адрес ячейки памяти. Контроллер кэш-памяти, постоянно проверяет имеется ли копия содержимого ячейки памяти, к которой обращается процессор, в быстродействующей кэш-памяти и, если ответ положителен, фиксирует кэш-попадание, и разрешает считывание из кэш-памяти, данные из кэша быстро выдаются на шину данных. Таким образом «медленный» цикл чтения из памяти заменяется быстрым считыванием из кэш-памяти. Если ответ отрицательный, то контроллер кэш-памяти фиксирует кэш-промах и по адресу, выставленному процессором, организует считывание строки из DRAM в кэш, после чего фиксирует кэш-попадание и разрешает считывание из кэш-памяти. В свободные циклы шины контроллер организует опережающую «подкачку» следующих смежных строк из DRAM в кэш-память. Процент кэш-попаданий составляет 90-96%, что обуславливает высокую эффективность использования кэш-памяти.
Процесс выборки и выполнения последовательности команд может быть прерван для выполнения обслуживания одного из событий, возникшего во время выполнения программы. Это связано с выполнением микропроцессором специальной аппаратной функции - прерывания.
Прерывание – это аппаратная функция микропроцессора, позволяющая ему во время выполнения программы, единым образом реагировать на различные внутренние и внешние асинхронные события, которые возникают в процессе работы компьютера. За счет выполнения процедуры прерывания, процессор прерывает выполнение текущей программы и переходит к выполнению другой программы, которая обслужит событие, вызвавшее данное прерывание. Возврат из программы обслуживания осуществляется за счет выполнения в конце этой программы команды процессора «возврат из прерывания». Для обслуживания прерываний обычно выделяется и используется небольшая область оперативной памяти, которую называют стек.
Стек – это область оперативной памяти, предназначенная для хранения данных, имеющих временную ценность, например, сохраняется текущее состояние микропроцессора, необходимое для возврата в прерванную ранее программу. Запись в стек выполняется с авто-уменьшением адресов, а чтение с авто-увеличением адресов (принцип: «первым пришел – последним ушел»). При выполнении записи в стек адрес автоматически уменьшается. При обращении по чтению в стек адрес автоматически увеличивается.
В компьютерных системах используют программно-управляемый ввод/вывод и DMA. Внешние устройства подключаются к системному интерфейсу через специальные устройства - контроллеры (адаптеры). Каждый контроллер имеет в своем составе ряд программно-доступных регистров (как минимум имеет хотя бы регистр данных, регистр состояния и регистр управления).
Каждый контроллер имеет свой набор команд. Получив, через свои регистры, команду от выполняющего программу ввода-вывода процессора, контроллер отрабатывает команду автономно, управляя внешним устройством через "малый" интерфейс между устройством и контроллером. Контроллер, отрабатывая принятую от процессора команду, пересылает во внешнее устройство свои команды, данные, и читает из устройства состояния.
Процессор управляет внешним устройством, выполняя соответствующую программу ввода/вывода, где он с помощью команд IN, OUT (чтение порта, запись в порт) осуществляет доступ к программно-доступным регистрам контроллера. Например, в регистр управления процессор записывает команду, из регистра состояния читает информацию о состоянии устройства и контроллера, в регистр данных записывает выводимые на устройство данные, или читает из регистра данных считываемую с устройства информацию.
Любой контроллер, получив от процессора (по командам OUT), через свои программно-доступные регистры команду, отрабатывает команду автономно, управляя внешним устройством через «малый» интерфейс между устройством и контроллером. Контроллер, отрабатывая принятую от процессора команду, пересылает во внешнее устройство команды, данные, и читает из устройства информацию о его состоянии и данные.
Прямой доступ (DMA - Direct Memory Access - прямой доступ к памяти) – это способ обмена между внешним устройством и динамической памятью, при котором управление операциями обмена по интерфейсу между регистром данных устройства и последовательно расположенными ячейками памяти, осуществляет контроллер прямого доступа к памяти, а микропроцессор в это время находится в отключенном от интерфейса состоянии (но подготавливает и запускает обмен по прямому доступу процессор, выполняя соответствующую программу).
Все существующие способы обмена поддерживаются соответствующими возможностями аппаратуры, интерфейсов и набором команд контроллера, которые использует программа для организации обмена данными с оперативной памятью соответствующим способом.
Версия сайта для слабовидящих