組成原理電子教案（第8章2）

1、本章學(xué)習(xí)導(dǎo)讀:（1）輸入/輸出設(shè)備的分類與特點。（2）典型輸入/輸出設(shè)備（鍵盤、打印機、顯示器）的基本工作原理。第8章 輸入輸出設(shè)備 輸入輸出設(shè)備（又稱外圍設(shè)備）是計算機系統(tǒng)與人或其它機器之間進行信息交換的裝置。 輸入設(shè)備的功能是把數(shù)據(jù)、命令、字符、圖形、圖象、聲音或電流、電壓等信息，變成計算機可以接收和識別的二進制數(shù)字代碼，供計算機進行運算處理。 輸出設(shè)備的功能是把計算機處理的結(jié)果，變成人最終可以識別的數(shù)字、文字、圖形、圖像或聲音等信息，打印或顯示出來，以供人們分析與使用。 計算機技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用的不斷擴大，輸入輸出設(shè)備種類日益增多，所處理的信息類型也不斷增加。輸入輸出設(shè)備智能化程度越來

2、越高，使得輸入輸出的速度、精度、質(zhì)量、可靠性以及應(yīng)用的靈活性，方便性不斷提高。81 輸入輸出設(shè)備的分類與特點 8.1.1 分類 按信息的傳輸方向來分可以分成輸入、輸出與輸入/輸出三類設(shè)備。 1輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、光筆、觸屏、跟綜球、控制桿、數(shù)字化儀、掃描儀、語言輸入、手寫漢字識別、以及紙帶輸入機、卡片輸入機、光學(xué)字符閱讀機（OCK）等。 采用媒體輸入設(shè)備如紙帶輸入機、卡片輸入機、光學(xué)字符閱讀機等，這些設(shè)備把記錄在各種媒體上的信息送入計算機。一般成批輸入，輸入過程中使用者不作干預(yù)。 交互式設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、觸屏、光屏、跟蹤對球等。這些設(shè)備由使用者通過操作直接輸入信息，不借助于記錄信息的媒體。輸

3、入信息可立即顯示在屏幕上，操作員可以即時進行刪除、修改、移動等等操作。 2輸出設(shè)備： 顯示器、打印機、繪圖儀、語音輸出設(shè)備，以及卡片穿孔機、紙帶穿孔機等。 將計算機輸出的數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成模擬信息，送往自動控制系統(tǒng)進行過程控制，這種數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備也視為一類輸出設(shè)備。 3輸入輸出設(shè)備：磁盤機、磁帶、可讀/寫光盤、CRT終端、通信設(shè)備等。這類設(shè)備既可以輸入信息，又可以輸出信息。 按功能分，輸入輸出設(shè)備也可以分成以下三類： 1用于人機接口： 如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機等。這類設(shè)備用于人機交互信息，且操作員往往可以直接加以控制； 這類設(shè)備又可以稱為字符型設(shè)備，即輸入輸出設(shè)備與主機交換信息以字符為單位，這時

4、主機對外設(shè)的控制方法往往不同于其它類型設(shè)備。 2用于存儲信息： 為磁盤、光盤、磁帶機等；這類設(shè)備用于存儲大容量數(shù)據(jù)，作為計算機的外存儲器使用； 這類設(shè)備又可以稱為面向信息塊的設(shè)備，即主機與外設(shè)交換信息時不以字符為單位，而以由幾十或幾百個字節(jié)組成的信息塊為單位，這時主機對外設(shè)的控制也不同于字符型設(shè)備。 3機機聯(lián)系： 為通信設(shè)備（包括調(diào)制解調(diào)器）、數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，主要用于機機通信。 輸入輸出設(shè)備如果按所處理信息的形態(tài)來分，又可以分成處理數(shù)字和文字的設(shè)備、處理圖形與圖像的設(shè)備、以及處理聲音與視頻的設(shè)備等。8.1.2 特點1異步性： 輸入輸出設(shè)備相對于CPU來說是異步工作的，兩者之間（CPU與

5、外設(shè)）無統(tǒng)一的時鐘； 保證在連續(xù)兩次CPU和輸入輸出設(shè)備交往的時刻之間，CPU仍能高速地運行它自己的程序或者外設(shè)管理程序，以達到CPU與外設(shè)之間，以及外設(shè)與外設(shè)之間能并行工作。2實時性： 計算機系統(tǒng)中，可能聯(lián)接各種各樣類型的很多外設(shè)，且這些外設(shè)中有慢速設(shè)備，也有快速設(shè)備； CPU必須及時按傳輸速率和傳輸方式接收來自多個外設(shè)的信息或向外設(shè)發(fā)送信息，否則高速設(shè)備可能有丟失信息的危險。82 輸入設(shè)備 8.2.1 鍵盤 3多樣性： 外設(shè)的物理特性差異很大，信息類型與結(jié)構(gòu)格式多種多樣，這就造成了主機與外設(shè)之間連接的復(fù)雜性； 為簡化控制，計算機系統(tǒng)中往往提供一些標(biāo)準(zhǔn)接口，以便各類外設(shè)通過自己的設(shè)備控制器與

6、標(biāo)準(zhǔn)接口相連，主機無需了解各特定外設(shè)的具體要求，可以通過統(tǒng)一的命令控制程序來實現(xiàn)對外設(shè)的控制。 鍵盤是由一組按鍵和相應(yīng)的鍵盤控制器組成的輸入設(shè)備，其功能是使用者可通過擊鍵向計算機輸入數(shù)據(jù)、程序和命令等，是計算機不可缺少的最常用輸入設(shè)備。 按鍵開關(guān)可歸納成觸點式按鍵開關(guān)和非觸點按鍵式開關(guān)，計算機中基本上使用非觸點按鍵式開關(guān)（利用電壓、電流或電磁場的變化產(chǎn)生輸出信號）。 鍵盤所采用的字符以及它們在鍵盤上的位置均有國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，如ISO2530和GB2787。 鍵盤可以分成三個區(qū)： 計算機鍵盤的鍵數(shù)，少的有83個，多的可達105個。 中央為打字鍵區(qū)，包括字母、數(shù)字、符號及一些如回車、換檔等特殊

7、的功能鍵。 右側(cè)為數(shù)字鍵區(qū)或光標(biāo)移動鍵，由Num lock功能鍵控制。 左側(cè)或最上方是10-12個特殊功能鍵，其功能由使用者定義。 鍵盤控制器由一些邏輯電路或單片機組成，其功能是進行掃描，判斷按鍵的位置，然后將鍵盤上的位置碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的ASC碼，送入計算機。 鍵盤可分成編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩類。 編碼鍵盤： 按鍵排列成一個mn的二維陣列，每個按鍵對應(yīng)該陣列中的一個相關(guān)位置； 按下該鍵，由單片機或一些開關(guān)電路組成的編碼器將該位置進行譯碼，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的ASC碼送入主機； 由于編碼器由硬件構(gòu)成，所以鍵盤響應(yīng)速度快，當(dāng)然硬件結(jié)構(gòu)也要復(fù)雜一些。 非編碼鍵盤： 按下某鍵，該鍵在mn陣列中的位置碼轉(zhuǎn)換成

8、ASC碼的過程由軟件來完成（主機執(zhí)行鍵盤驅(qū)動程序，進行查表）； 這種鍵盤控制器構(gòu)成簡單；當(dāng)然其速度會慢一些；由于主機速度遠比人按鍵速度快，且這種鍵盤上某些鍵的功能可以通過軟件來重定義，使用靈活。 鍵盤上也可以輸入如漢字等非西文字符，這由各種漢字輸入法自行定義。 鍵盤位置碼送入計算機，經(jīng)過漢字輸入軟件的處理，轉(zhuǎn)換成該漢字所對應(yīng)的內(nèi)碼，再進行顯示、存儲等其它操作。8.2.2 鼠標(biāo)器 鼠標(biāo)器（mouse）是一種相對定位設(shè)備。它不像鍵盤那樣能進行字符或數(shù)字的輸入，主要是在屏幕上定位或畫圖用。 鼠標(biāo)器在計算機上的應(yīng)用要比鍵盤晚，隨著計算機圖形學(xué)與圖像處理技術(shù)的發(fā)展，鼠標(biāo)得以廣泛應(yīng)用。 鼠標(biāo)器是由于其外形

9、如老鼠而得名，通過電纜與主機相連。 鼠標(biāo)器在桌上移動，其底部的傳感器檢測出運動方向和相對距離，送入計算機，控制屏上鼠標(biāo)光標(biāo)作相應(yīng)移動，對準(zhǔn)屏幕上的圖標(biāo)或命令，按下鼠標(biāo)上相應(yīng)按紐，完成指定的操作。 根據(jù)鼠標(biāo)器所采用傳感器技術(shù)的不同，鼠標(biāo)器可以分成兩類：機械式與光電式。 機械式鼠標(biāo)器： 其底部有一個圓球，鼠標(biāo)移動時，圓球滾動帶動與球相連的圓盤。圓盤上編碼器把運動方向與距離送給主機，經(jīng)軟件處理，控制光標(biāo)作相應(yīng)移動。 該類鼠標(biāo)器簡單，使用方便，但也容易磨損，且精度差。 光電式鼠標(biāo)器： 其底部無圓球，而是由光敏元件和光源組成。使用時，必須在網(wǎng)格板上移動，光源發(fā)射光線在網(wǎng)格上反射后為光敏器件所接收，測出移

10、動方向和距離，送入計算機，控制光標(biāo)的移動。 這類鼠標(biāo)器精度高，可靠性好，但要專門的網(wǎng)格板。 機械光電式鼠標(biāo)器 底部雖有圓球，但其帶動的是光學(xué)編碼盤，避免了機械磨損，也不需專用網(wǎng)格板。 鼠標(biāo)器與主機的連接： 通過總線接口或通信接口連接?？偩€接口需要鼠標(biāo)接口板，通信接口則是把鼠標(biāo)器接在通信口上；目前大部分個人計算機把鼠標(biāo)器接在串行通信口COM1或COM2上。83 打印機 8.3.1 打印機的種類 以其印字原理來分可以分成擊打式打印機和非擊打式打印機兩類，以其輸出方式又可分為串行打印機和并行打印機兩種。 1擊打式打印機： 以機械力量擊打字錘從而使字模隔著色帶在紙上打印出字來的設(shè)備，是最早研制成功的計

11、算機打印設(shè)備。 按字錘或字模的構(gòu)成方式來分，又可以分成整字形擊打印設(shè)備和點陣打印設(shè)備兩類。 整字形擊打印設(shè)備，印字美觀自然，可同時復(fù)印數(shù)份；缺點是噪音大，印字速率低，字符種類少，無法打印漢字或圖形，且易磨損。 點陣打印設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，印字速度快，噪聲比整字形擊打印設(shè)備小，成本低，且可以打印漢字或圖形、圖像，是目前仍在廣泛使用的一類打印設(shè)備。2非擊打式印字機： 利用物理的（光、電、熱、磁）或化學(xué)的方法實現(xiàn)印刷輸出的設(shè)備。 這類設(shè)備的印字頭不與紙或其它媒體接觸，或雖接觸但無擊打動作。 這類設(shè)備打印無噪聲，印字速度快，可以打印漢字、圖形與圖像等，不少設(shè)備還可以實現(xiàn)彩色打印。 非擊打式印字機還可以分成

12、多種類型： 激光印字機：是利用激光來打印出精美文字和圖片的一種輸出設(shè)備。印刷速度快，印字質(zhì)量好，噪音低，分辨率高，印刷輸出成本低，是目前應(yīng)用最廣泛的一種非擊打式印字機。 噴墨打印機：是利用噴墨頭噴射出可控的墨滴從而在打印紙上形成文字或圖片的一種設(shè)備。也是目前應(yīng)用較多一種打印輸出設(shè)備。 熱敏打印機：有熱印紙式和熱轉(zhuǎn)印式兩種。 利用印字頭上多個電熱元件在特殊的熱敏紙上瞬時加熱形成字符的設(shè)備叫熱敏紙打印機； 利用轉(zhuǎn)印色帶將字符轉(zhuǎn)印到紙上的設(shè)備叫熱轉(zhuǎn)印打印機，熱敏打印機可以印刷出色彩精美逼真的圖像； 還有電灼式印字機、靜電印字機、離子沉積印字機和電子照相印刷機等。8.3.2 點陣打印機 驅(qū)動印針的電磁

13、鐵受字符點陣內(nèi)容的控制，有點的地方即打印，無點的地方不打印。每完成一列打印，印字頭右移一個點距。如此一列一列地打印，直到一行打印結(jié)束，打印機走紙一行距，印字頭再返回起始位置重新開始打印。 1. 輸出數(shù)據(jù)與打印針的對應(yīng)關(guān)系(圖8.1) 讀出內(nèi)存中的輸出點陣數(shù)據(jù)，經(jīng)過變換后送到打印緩沖。每讀出3個字節(jié)，對應(yīng)24針一列打印數(shù)據(jù)，一列一列地讀輸出數(shù)據(jù)送打印緩沖，直到一行讀出完畢，主機發(fā)回車或換行命令，打印機才真正把打印緩沖中的一行數(shù)據(jù)在紙上打印出來。 必須注意的是輸出字符點陣或圖形點陣與打印針之間的對應(yīng)關(guān)系，包括高/低字節(jié)的按排，不同類型的打印機，其排列是有差別的。2打印機與打印控制器之間的連接 打印

14、控制器由以下基本部件組成： 數(shù)據(jù)鎖存器：暫存CPU送來的打印數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可以送打印機緩沖器準(zhǔn)備打印，也可以回送CPU以便進行檢測用； 命令譯碼：對CPU送來的命令進行譯碼，產(chǎn)生打印控制器內(nèi)部使用的幾個命令，如數(shù)據(jù)傳輸方向、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、讀控制、寫控制和讀狀態(tài)等； 控制鎖存器：鎖存CPU送來的控制命令，如初始化、選通、自動輸紙等。這些命令也可以回送CPU以便檢測用； 總線緩沖：保存打印機送來的五個狀態(tài)信息：打印機忙、缺紙、聯(lián)機、認可和出錯等，以供CPU隨時檢測用。 打印控制器與CPU的連接有數(shù)據(jù)線、地址線（寄存器的地址）和中斷信息INT。3工作流程 以微機程序查問方式為例，輸出一個字符（和一行

15、字符）的流程(圖8.3)。4打印機命令序列8.3.3 激光印字機 激光印字機具有高速性（20-80ppm）、高質(zhì)量（分辨率可達300-600dpi，甚至更高）、低噪聲（小于55dB）、多種印字模式（配有PCL語言或PostScript語言），價格日益降低。 1激光印字機的組成與工作原理 激光印字機由打印機控制器和打印裝置兩部分組成。 打印裝置是一組電子與機械相結(jié)合的系統(tǒng)，負責(zé)把打印機控制器生成的點陣數(shù)據(jù)打印出來；由光學(xué)掃描裝置、感光鼓、硒鼓、顯象裝置、輸紙機構(gòu)和粘合裝置等組成； 打印機控制器由功能較強的處理器、緩沖存儲器以及相應(yīng)的輔助電路構(gòu)成，負責(zé)與主機的通信，解釋主機送來的打印命令，格式化打

16、印內(nèi)容，光柵化處理，送打印裝置進行輸出； 整個印字過程可以分成下面幾步來完成：感光體充電 生成潛像 顯像 轉(zhuǎn)印 固定 感光體清除。2打印機語言 打印機語言是一組控制打印機工作的命令，打印機按照這些命令來處理主機送來的打印數(shù)據(jù)，打印出復(fù)雜的文字與圖像。 打印機語言可分成兩類：一類是頁面描述語言（PDL），其中以Adobe公司的PostScript語言最有名；另一類是Escape碼語言，其中以HP公司的PCL語言最有名。 PostScript語言：誕生于80年代中期，目前已有PostScript1、2、3三種版本；有很強的圖形、圖像、文字和彩色處理功能，目前廣泛應(yīng)用于高檔彩色激光印字機。 PCL語

17、言：目前已有PCL3、4、5、6多種版本，它是一種Escape碼語言，點陣打印機中的Ese命令序列實際上是一種低版本的PCL語言。 PCL語言版本的不斷升級，其處理圖形、圖像、文字與彩色的功能日趨增強，它比PostScript語言簡單一些，解釋速度快，所以目前廣泛安裝在激光印字機、噴墨打印機等設(shè)備中。84 顯示器 顯示器是用來顯示數(shù)字、字符、圖形和圖像的設(shè)備，它由監(jiān)視器和顯示控制器組成。8.4.1 監(jiān)視器1監(jiān)視器工作原理 監(jiān)視器由陰極射線管（CRT）、亮度控制電路（控制柵）、以及掃描偏轉(zhuǎn)電路（水平/垂直掃描偏轉(zhuǎn)線圈）等部件構(gòu)成（圖8.6）。 CRT控制器（CRTC）接口有兩種方式： 將CRT的

18、水平/垂直同步信號（HSYNC/VSYNC）以及亮度控制信號（R、G、B）分別接監(jiān)接器的相應(yīng)輸入端，這種控制方式圖像好，分辨率高； 水平/垂直同步信號和亮度控制信號全部復(fù)合在一起，送監(jiān)視器，這種控制方式成本低，但質(zhì)量差些。1. CRT時序控制 幀頻、行頻以及分辨率的關(guān)系 圖像必須以50幀/秒以上的速度進行刷新； 當(dāng)分辨率為640480時，且假定水平回掃期和垂直回掃期各占水平掃描周期和垂直掃描周期的20%； 行頻為 480線80/10050幀/秒=30KHZ； 水平掃描周期 HC=1/30KHZ=33S。 每一象素讀出時間為 33S80%640=4050nS 若分辨率提高到1024768，幀頻為

19、60幀/秒，則行頻提高為57.6KHZ，水平掃描周期HC=17.4S，每象素讀出時間減少到13.6S。 可以清楚看到，分辨率越高，為保證圖像不閃爍，則時間要求越高（每一象素讀出、顯示時間越短），成本也隨之迅速上升。 光柵掃描顯示器的掃描方式還可以分成逐行掃描與隔行掃描方式兩種。8.4.2 光柵掃描顯示器工作原理1字符顯示工作原理 顯示器顯示字符時有兩種模式。 一種是字符模式，顯示存儲器中存放的是字符的編碼(ASC碼或漢字代碼)及其屬性（如加亮、閃爍等），其字形信息存放在字符發(fā)生器中。 另一種是圖形模式，此時每一字符的點陣信息直接存儲在顯示存儲器中，字符在屏幕上的顯示位置可以定位到任意點。 字符

20、模式 (1) 組成：由顯示控制器CRTC、顯示存儲器和字符發(fā)生器組成。 CRTC形成行、列地址信號以選擇字符存貯器對應(yīng)的ASC碼值，在光柵計數(shù)信號控制下，讀出點陣信息； CRTC產(chǎn)生HSYNC、VSYNC同步信號。顯示存儲器由字符存儲器(存儲字符的ASC 碼值)和屬性存儲器(存儲字符的亮度、顏色等屬性)構(gòu)成。(2) 顯示字符的過程：（圖8.8） CRTC給出了字符存貯器的地址去選擇光標(biāo)對應(yīng)位置的字符代碼，讀出代碼值送字符發(fā)生器； 在光柵計數(shù)信號的控制下，讀出相應(yīng)字符的點陣信息，送移位電路進行并/串變換，再結(jié)合屬性控制，送視頻控制電路； 監(jiān)視器在HSYNC和VSYNC的控制下，在屏幕相應(yīng)的行、列位置顯示出對應(yīng)的字符； 字符存貯器和屬性存儲器的內(nèi)容一般是在CRTC的回掃期由CPU寫入。2彩色或多級灰度圖象的顯示原理 彩色或單色多級灰度圖象顯示，每一個象素需要使用多個二進位來表示，圖形存儲器有兩種組織方式：多個位平面方式和組合型象素格式。 (1) 多個位平面方式（planes_pixel format） 顯示存儲器由多個位平面（如R、G、B、I）組成(圖8.9)。CRTC除了完成以前介紹的二個基本功能外，還能實現(xiàn)畫圖功能；CRTC目前在微機系統(tǒng)中又稱為圖形卡。 (2) 組合型象素格式（packed_pixel format）（圖8.10） 用顯存中一個字的若干位(稱為象素