計算機組成原理 課件5 輸入輸出系統(tǒng)

第五章輸入輸出系統(tǒng)除了CPU和存儲器兩大模塊外，計算機硬件系統(tǒng)的第三個關(guān)鍵部分是輸入輸出模塊，又稱輸入輸出系統(tǒng)。隨著計算機系統(tǒng)的不斷發(fā)展，應(yīng)用范圍的不斷擴大，I/O設(shè)備的數(shù)量和種類也越來越多，它們與主機的聯(lián)絡(luò)方式及信息的交換方式也各不相同。5.1.1輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況

輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展大致可分為4各階段：1.早期階段

早期的I/O設(shè)備種類較少,I/O設(shè)備與主存交換信息都必須通過CPU。主存CPUI/O設(shè)備圖5.1I/O設(shè)備通過CPU與主存交換信息這種方式沿用了相當(dāng)長的時間。當(dāng)時的I/O設(shè)備具有以下幾個特點。（1）每個I/O設(shè)備都必須配有一套獨立的邏輯電路與CPU相連，用來實現(xiàn)I/O設(shè)備與主機之間的信息交換，因此線路十分散亂、龐雜。（2）輸入輸出過程是穿插在CPU執(zhí)行程序過程中進行的，當(dāng)I/O設(shè)備與主機交換信息時，CPU不得不停止各種運算，因此，I/O設(shè)備與CPU是按串行方式工作的，極浪費時間。（3）每個I/O設(shè)備的邏輯控制電路與CPU的控制器緊密構(gòu)成一個不可分割的整體，它們彼此依賴，相互牽連，因此，欲增添、刪減或更換I/O設(shè)備是非常困難的。2.接口模塊和DMA階段

這個階段I/O設(shè)備通過接口與主機相連，計算機系統(tǒng)采用了總線結(jié)構(gòu)。I/O設(shè)備1I/O設(shè)備2I/O設(shè)備n主機接口1接口2接口n總線圖5.2I/O設(shè)備通過接口與主機交換信息……3.具有通道結(jié)構(gòu)階段

（1）如果每臺I/O設(shè)備都配置專用的DMA接口，不僅增加了硬件成本，而且為了解決眾多DMA接口同時訪問主存的沖突問題，會使控制變得十分復(fù)雜。（2）CPU需要對眾多的DMA接口進行管理，同樣會占用CPU的工作時間，而且因頻繁進入周期挪用階段，也會直接影響CPU的整體工作效率。主存CPUI/O設(shè)備圖5.3I/O設(shè)備通過通道與主機交換信息

通道4.具有I/O處理機的階段輸入輸出系統(tǒng)發(fā)展到第四階段，出現(xiàn)了I/O處理機。I/O處理機又稱為外圍處理機，它基本獨立于主機工作，既可完成I/O通道要完成的I/O控制，又可完成碼制轉(zhuǎn)換、格式處理、數(shù)據(jù)塊檢錯、糾錯等處理。具有I/O處理機的輸入輸出系統(tǒng)與CPU工作的并行性更高，這說明I/O系統(tǒng)對主機來說具有更大的獨立性。3．聯(lián)絡(luò)方式（1）立即響應(yīng)方式（2）異步工作采用應(yīng)答信號聯(lián)絡(luò)（3）同步工作采用同步時標(biāo)聯(lián)絡(luò)5.1.2I/O設(shè)備與主機的聯(lián)系方式

1.I/O設(shè)備編址方式通常將I/O設(shè)備碼看做地址碼，對I/O地址碼的編址可采用兩種方式：統(tǒng)一編址和獨立編址。2．傳送方式在同一瞬間，n位信息同時從CPU輸出至I/O設(shè)備，或由I/O設(shè)備輸入到CPU，這種傳送方式稱為并行傳送。其特點是傳送速度快，但要求數(shù)據(jù)線多。5.2I/O設(shè)備與主機信息傳送的控制方式

5.2.1程序控制方式1.無條件傳送方式在CPU與這些設(shè)備交換數(shù)據(jù)時，可以認為它們總是處于“就緒”狀態(tài)，隨時可以進行數(shù)據(jù)傳送，這就是無條件傳送，或稱同步傳送。5.2I/O設(shè)備與主機信息傳送的控制方式

5.2.1程序控制方式2.程序查詢方式工作的原理CPU向I/O設(shè)備發(fā)讀命令CPU讀I/O設(shè)備狀態(tài)從I/O接口中讀一個字到CPUCPU向主存寫入一個字準(zhǔn)備就緒？傳輸完成？YNYN現(xiàn)行程序現(xiàn)行程序CPUI/O設(shè)備I/O設(shè)備CPU出錯I/O設(shè)備CPUCPU主存圖5.5程序查詢方式流程2.程序查詢方式的接口

接口可以看做是兩個系統(tǒng)或兩個部件之間的交接部分，它既可以是兩種硬設(shè)備之間的連接電路，也可以是兩個軟件之間的共同邏輯邊界。數(shù)據(jù)緩沖寄存器設(shè)備選擇電路Q&QDB①②③④⑤⑥⑦⑧數(shù)據(jù)線輸入數(shù)據(jù)啟動設(shè)備準(zhǔn)備就緒啟動命令地址線設(shè)備工作結(jié)束圖5.6程序查詢方式輸入接口電路的基本組成SEL1.中斷的基本概念中斷概念的出現(xiàn)，是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個重大變革。在程序中斷方式中，某一外設(shè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，它“主動”向CPU發(fā)出請求中斷的信號，請求CPU暫時中斷目前正在執(zhí)行的程序而進行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)CPU響應(yīng)這個中斷時，便暫停運行主程序，并自動轉(zhuǎn)移到該設(shè)備的中斷服務(wù)程序。當(dāng)中斷服務(wù)程序結(jié)束以后，CPU又回到原來的主程序。這種原理和調(diào)用子程序相仿，不過，這里要求轉(zhuǎn)移到中斷服務(wù)程序的請求是由外部設(shè)備發(fā)出的。中斷方式特別適合于隨機出現(xiàn)的服務(wù)。5.2.2程序中斷方式2.程序中斷方式工作的原理取指令執(zhí)行指令中斷？響應(yīng)中斷關(guān)中斷找到中斷源,保存斷點轉(zhuǎn)移到中斷服務(wù)子程序保存CPU現(xiàn)場設(shè)備服務(wù)恢復(fù)CPU現(xiàn)場開中斷是否中斷周期（硬件）指令周期（硬件）中斷服務(wù)子程（軟件）圖5.8中斷處理過程流程圖3.程序中斷方式的基本接口為處理I/O中斷，在I/O接口電路中必須配置相關(guān)的硬件電路。（1）中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器（2）排隊器（3）中斷向量地址形成4.中斷服務(wù)程序的流程（1）保護現(xiàn)場保護現(xiàn)場有兩個含義，其一是保存程序斷點；其二是保存通用寄存器和狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。（2）中斷服務(wù)（設(shè)備服務(wù)）這是中斷服務(wù)程序的主體部分，對于不同的中斷源，其中斷服務(wù)操作的內(nèi)容是不同的。（3）恢復(fù)現(xiàn)場這是中斷服務(wù)程序的結(jié)尾部分，要求在退出服務(wù)程序前，將原程序中斷時的“現(xiàn)場”恢復(fù)到原來的寄存器中。（4）中斷返回中斷服務(wù)程序的最后一條指令通常是一條中斷返回指令，使其返回到原程序的斷點處，以便繼續(xù)執(zhí)行原程序。5.4DMA方式

5.4.1DMA的基本概念直接內(nèi)存訪問(DMA)，是一種完全由硬件執(zhí)行交換的工作方式。在這種方式中，DMA控制器從CPU完全接管對總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU，而直接在內(nèi)存和I/O設(shè)備之間進行。DMA方式一般用于高速傳送成組數(shù)據(jù)。DMA控制器將向內(nèi)存發(fā)出地址和控制信號，修改地址。對傳送的字的個數(shù)計數(shù)，并且以中斷方式向CPU報告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。DMA的種類很多，但多種DMA至少能執(zhí)行以下一些基本操作：①從外圍設(shè)備發(fā)出DMA請求；②CPU響應(yīng)請求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器從CPU接管總線的控制；③由DMA控制器對內(nèi)存尋址，即決定數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)存單元地址及數(shù)據(jù)傳送個數(shù)的計數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作；④向CPU報告DMA操作的結(jié)束。注意，在DMA方式中，一批數(shù)據(jù)傳送前的準(zhǔn)備工作，以及傳送結(jié)束后的處理工作，均由管理程序承擔(dān)，而DMA控制器僅負責(zé)數(shù)據(jù)傳送的工作。圖5.12DMA傳送數(shù)據(jù)的流程圖圖5.10DMA的基本方法2．DMA傳送方式

DMA技術(shù)的出現(xiàn)，使得外圍設(shè)備可以通過DMA控制器直接訪問內(nèi)存，與此同時，CPU可以繼續(xù)執(zhí)行程序。通常采用以下三種方法：①停止CPU訪內(nèi)；②周期挪用；③DMA與CPU交替訪內(nèi)。

1．停止CPU訪問內(nèi)存當(dāng)外圍設(shè)備要求傳送一批數(shù)據(jù)時，由DMA控制器發(fā)一個停止信號給CPU，要求CPU放棄對地址總線、數(shù)據(jù)總線和有關(guān)控制總線的使用權(quán)。DMA控制器獲得總線控制權(quán)以后，開始進行數(shù)據(jù)傳送。在一批數(shù)據(jù)傳送完畢后，DMA控制器通知CPU可以使用內(nèi)存，并把總線控制權(quán)交還給CPU。圖5.13(a)是這種傳送方式的時間圖.很顯然，在這種DMA傳送過程中，CPU基本處于不工作狀態(tài)或者說保持狀態(tài)。

2．周期挪用在這種DMA傳送方法中，當(dāng)I/O設(shè)備沒有DMA請求時，CPU按程序要求訪問內(nèi)存；一旦I/O設(shè)備有DMA請求，則由I/O設(shè)備挪用一個或幾個內(nèi)存周期。I/O設(shè)備要求DMA傳送時可能遇到兩種情況：一種是此時CPU不需要訪內(nèi)，如CPU正在執(zhí)行乘法指令。由于乘法指令執(zhí)行時間較長，此時I／O訪內(nèi)與CPU訪內(nèi)沒有沖突，即I/O設(shè)備挪用1-2個內(nèi)存周期對CPU執(zhí)行程序沒有任何影響。另一種情況是，I/O設(shè)備要求訪內(nèi)時CPU也要求訪內(nèi)，這就產(chǎn)生了訪內(nèi)沖突，在這種情況下I/O設(shè)備訪內(nèi)優(yōu)先，因為I／O訪內(nèi)有時間要求，前一個I/O數(shù)據(jù)必須在下一個訪內(nèi)請求到來之前存取完畢。3．DMA與CPU交替訪內(nèi)如果CPU的工作周期比內(nèi)存存取周期長很多，此時采用交替訪內(nèi)的方法可以使DMA傳送和CPU同時發(fā)揮最高的效率。這種方式不需要總線使用權(quán)的申請、建立和歸還過程，總線使用權(quán)是通過C和C分的。CPU和DMA控制器各自有自己的訪內(nèi)地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和讀／寫信號等控制寄存器。

這種傳送方式又稱為”透明的DMA”方式，其來由是這種DMA傳送對CPU來說，如同透明的玻璃一般，沒有任何感覺或影響。在透明的DMA方式下工作，CPU既不停止主程序的運行，也不進入等待狀態(tài)，是一種高效率的工作方式。3.基本的DMA控制器

1．DMA控制器的基本組成一個DMA控制器，實際上是采用DMA方式的外圍設(shè)備與系統(tǒng)總線之間的接口電路。這個接口電路是在中斷接口的基礎(chǔ)上再加DMA機構(gòu)組成。圖5.14簡單的DMA控制器組成內(nèi)存地址計數(shù)器：用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)的地址。字計數(shù)器：用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長度（多少字?jǐn)?shù)）。數(shù)據(jù)緩沖寄存器：用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù)（一個字）。DMA請求標(biāo)志：每當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好一個數(shù)據(jù)字后給出一個控制信號，使“DMA請求”標(biāo)志置“1”。

控制／狀態(tài)邏輯：由控制和時序電路以及狀態(tài)標(biāo)志等組成，用于修改內(nèi)存地址計數(shù)器和字計數(shù)器，指定傳送類型（輸入或輸出），并對“DMA請求”信號和CPU響應(yīng)信號進行協(xié)調(diào)和同步。中斷機構(gòu)：當(dāng)字計數(shù)器溢出時（全0），意味著一組數(shù)據(jù)交換完畢，由溢出信號觸發(fā)中斷機構(gòu)，向CPU提出中斷報告。2．DMA數(shù)據(jù)傳送過程

DMA的數(shù)據(jù)塊傳送過程可分為三個階段：傳送前預(yù)處理；正式傳送；傳送后處理。預(yù)處理階段由CPU執(zhí)行幾條輸入輸出指令，測試設(shè)備狀態(tài)，向DMA控制器的設(shè)備地址寄存器中送人設(shè)備號并啟動設(shè)備，向內(nèi)存地址計數(shù)器中送入起始地址，向字計數(shù)器中送入交換的數(shù)據(jù)字個數(shù)。在這些工作完成后，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來的主程序。當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)（輸入）或接受數(shù)據(jù)（輸出）時，它發(fā)出DMA請求，由DMA控制器向CPU發(fā)出總線使用權(quán)的請求(HOLD)。3.DMA小結(jié)與程序中斷方式相比，DMA方式有如下特點。①從數(shù)據(jù)傳送看，程序中斷方式靠程序傳送，DMA方式靠硬件傳送。②從CPU響應(yīng)時間看，程序中斷方式是在一條指令執(zhí)行結(jié)束時響應(yīng)，而DMA方式可在指令周期內(nèi)的任一存取周期結(jié)束時響應(yīng)。③程序中斷方式有處理異常事件的能力，DMA方式?jīng)]有這種能力，主要用于大批數(shù)據(jù)的傳送。④程序中斷方式需要中斷現(xiàn)行程序，故需保護現(xiàn)場；DMA方式不中斷現(xiàn)行程序，無需保護現(xiàn)場。⑤DMA的優(yōu)先級比程序中斷的優(yōu)先級高。第五章（二）計算機外部設(shè)備

5.5外部設(shè)備概述

中央處理器（CPU）和主存儲器（MM）構(gòu)成計算機的主機。除主機以外，那些圍繞著主機設(shè)置的各種硬件裝置稱為外部設(shè)備或外圍設(shè)備。它們主要用來完成數(shù)據(jù)的輸入、輸出、存儲以及對數(shù)據(jù)的加工處理。

5.5.1外部設(shè)備的分類外部設(shè)備的種類很多，從它們的功能及其在計算機系統(tǒng)中的作用來看，可以分為以下5類。

1．輸入輸出設(shè)備從計算機的角度出發(fā)，向計算機輸入信息的外部設(shè)備稱為輸入設(shè)備；接收計算機輸出信息的外部設(shè)備稱為輸出設(shè)備。

2．輔助存儲器輔助存儲器是指主機以外的存儲裝置．又稱為后援存儲器。3．終端設(shè)備終端設(shè)備由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和終端控制器組成，通常通過通信線路與主機相連。4．過程控制設(shè)備當(dāng)計算機進行實時控制時，需要從控制對象取得參數(shù)，而這些原始參數(shù)大多數(shù)是模擬量，需要先用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后再輸入計算機進行處理。5．脫機設(shè)備脫機設(shè)備是指在脫離主計算機的情況下，由設(shè)備本身完成數(shù)據(jù)制備的設(shè)備。5.5.2外部設(shè)備的地位和作用

外部設(shè)備是計算機和外界聯(lián)系的紐帶、接口和界面，如果沒有外部設(shè)備，計算機將無法工作。由此可見，外部設(shè)備在計算機系統(tǒng)中占據(jù)的地位變得越來越重要了。外部設(shè)備在計算機系統(tǒng)中的作用可以分為4個方面：

1．外部設(shè)備是人機對話的通道無論是微型計算機系統(tǒng)，還是小、中、大型計算機系統(tǒng)．要把數(shù)據(jù)、程序送人計算機或要把計算機的計算結(jié)果及各種信息送出來，都要通過外部設(shè)備來實現(xiàn)。因此，外部設(shè)備成為人機對話的通道。2．外部設(shè)備是完成數(shù)據(jù)媒體變換的設(shè)備人們習(xí)慣用字符、漢字、圖形、圖像等來表達信息的含義，而計算機內(nèi)部卻是以電信號表示的二進制代碼。3．外部設(shè)備是計算機系統(tǒng)軟件和信息的駐在地隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫和待處理的信息量越來越大，不可能全部存放在主存中，因此，以磁盤存儲器或光盤存儲器為代表的輔助存儲器已成為系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫及各種信息的駐在地。4．外部設(shè)備是計算機在各領(lǐng)域應(yīng)用的橋梁隨著計算機應(yīng)用范圍的擴大，已從早期的數(shù)值計算擴展到文字、表格、圖形、圖像和語音等非數(shù)值信息的處理。為了適應(yīng)這些處理，各種新型的外部設(shè)備陸續(xù)被制造出來。5.6鍵盤輸入設(shè)備

鍵盤是計算機系統(tǒng)不可缺少的輸入設(shè)備，人們通過鍵盤上的按鍵直接向計算機輸入各種數(shù)據(jù)、命令及指令，從而使計算機完成不同的運算及控制任務(wù)。9.2.1鍵開關(guān)與鍵盤類型鍵盤上的每個按鍵起一個開關(guān)的作用，故又稱為鍵開關(guān)：鍵開關(guān)分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式鍵開關(guān)中有一對觸點，最常見的接觸式鍵開關(guān)是機械式鍵，它是靠按鍵的機械動作來控制開關(guān)開啟的。5.6.2鍵盤掃描在大多數(shù)鍵盤中，鍵開關(guān)被排列成M行×N列的矩陣結(jié)構(gòu)，每個鍵開關(guān)位于行和列的交叉處。非編碼鍵盤常用的鍵盤掃描方法有逐行掃描法和行列掃描法。1．逐行掃描法鍵盤掃描程序處理的步驟如下：①查詢是否有鍵按下。②查詢已按下鍵的位置。③按行號和列號求鍵的位置碼：得到的行號和列號表示按下鍵的位置碼。2．行列掃描法在掃描每一行時，讀列線，若讀得的結(jié)果為全“1”，說明沒有鍵按下，即尚未掃描到閉合鍵；若某一列為低電平，說明有鍵按下，而且行號和列號已經(jīng)確定。然后用同樣的方法，依次向列線掃描輸出，讀行線。如果兩次所得到的行號和列號分別相同，則鍵碼確定無疑，即得到閉合鍵的行列掃描碼。并行端口并行端口+5V+5V+5V……第0行第7行第0列X0X7Y0Y7……X1Y1第7列…圖5.5采用逐行掃描法的8×8鍵盤矩陣5.6.3微型計算機鍵盤從按鍵的數(shù)量上看，微型計算機的鍵盤有83鍵(PC/XT)、84鍵(PC/AT)、101和102鍵（386、486機）、104鍵(Pentium)、105鍵、108鍵、109鍵等多種。鍵盤通常通過設(shè)在主板上的鍵盤接口連到主機上，人們通過鍵盤輸入的數(shù)據(jù)是在主機的BIOS程序的控制下，傳送到主機的CPU中進行處理的。1．鍵盤控制電路PC系列鍵盤一般由鍵盤矩陣和以單片機或?qū)Ｓ每刂破鳛楹诵牡逆I盤控制電路組成，被稱為智能鍵盤。2．鍵盤接口電路鍵盤接口電路一般在微機主板上，通過電纜與鍵盤連接，串行地接收鍵盤送來的掃描碼，或者向鍵盤發(fā)送命令，要求鍵盤完成一定的工作（比如自檢）。其功能主要有：①串行接收鍵盤送來的接通掃描碼和斷開掃描碼，轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)并暫存。②收到一個完整的掃描碼后，立即向主機發(fā)中斷請求。③主機中斷響應(yīng)后讀取掃描碼，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的ASCII碼存入鍵盤緩沖區(qū)。對于控制鍵，設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)。④接收主機發(fā)來的命令，傳送給鍵盤，并等候鍵盤的響應(yīng)，自檢時用以判斷鍵盤的正確性。5.7其他輸入設(shè)備目前，計算機系統(tǒng)常用的輸入設(shè)備除鍵盤外，還有鼠標(biāo)、掃描儀、光筆、數(shù)字化儀等。鍵盤輸入的是字符和數(shù)字信息；鼠標(biāo)主要輸入矢量信息和坐標(biāo)數(shù)據(jù)：而掃描儀主要輸入圖形、圖像信息。5.7.1鼠標(biāo)器

鼠標(biāo)器是控制顯示器光標(biāo)移動的輸入設(shè)備，由于它能在屏幕上實現(xiàn)快速精確的光標(biāo)定位，可用于屏幕編輯、選擇菜單和屏幕作圖。鼠標(biāo)器按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同可分為機械式、光機式和光電式3大類。1．機械式鼠標(biāo)機械鼠標(biāo)的結(jié)構(gòu)最為簡單，由鼠標(biāo)底部的膠質(zhì)小球帶動X方向滾軸和Y方向滾軸，在滾軸的末端有譯碼輪，譯碼輪附有金屬導(dǎo)電片與電刷直接接觸。2．光機式鼠標(biāo)光機鼠標(biāo)顧名思義就是一種光電和機械相結(jié)合的鼠標(biāo)，在機械鼠標(biāo)的基礎(chǔ)上，將磨損最厲害的接觸式電刷和譯碼輪改為非接觸式的LED對射光路元件。3．光電式鼠標(biāo)光電鼠標(biāo)內(nèi)部有一個發(fā)光二極管，通過其發(fā)出的光線，照亮光電鼠標(biāo)底部表面，然后將反射回來的一部分光線，經(jīng)過一組光學(xué)透鏡，傳輸?shù)揭粋€光感應(yīng)器件內(nèi)成像。

5.7.2其他定位設(shè)備

1．軌跡球軌跡球的結(jié)構(gòu)頗像一個倒置的鼠標(biāo)，好像在小圓盤上鑲嵌一顆圓球。軌跡球的功能與鼠標(biāo)相似，朝著指定的方向轉(zhuǎn)動小球，光標(biāo)就在屏幕上朝著相應(yīng)的方向移動。2．跟蹤點跟蹤點是一個壓敏裝置，只有鉛筆上的橡皮大小，所以可嵌在按鍵之間，用手指輕輕推它，光標(biāo)就朝著指點的方向移動。3．觸摸板觸摸板是一種方便的輸入設(shè)備，它的表面對壓力和運動敏感，當(dāng)用手指輕輕在觸摸板滑動時，屏幕上的光標(biāo)就同步運動。5.7.3掃描儀

掃描儀是一種光、機、電一體化的高科技產(chǎn)品．它是將各種形式的圖像信息輸入計算機的重要工具，是繼鍵盤和鼠標(biāo)之后的第三代計算機輸入設(shè)備，也是功能極強的一種輸入設(shè)備。1．掃描儀的組成部分及工作原理自然界每一種物體都會吸收特定的光波，而沒有吸收的光波就會被反射出去。掃描儀就是利用這種特性來完成對稿件的讀取的。掃描儀的光學(xué)讀取裝置相當(dāng)于人的眼球，其重要性不言而喻。目前掃描儀所使用的光學(xué)讀取裝置有兩種：CCD和CIS。

(1)CCD(ChargeCoupledDevice)CCD的中文名稱為電荷耦合裝置，它采用CCD的微型半導(dǎo)體感光芯片作為掃描儀的核心。(2)CIS(ContactImageSensor)CIS的中文名稱為接觸式圖像感應(yīng)裝置．它采用一種觸點式圖像感光元件（光敏傳感器）來進行感光，在掃描平臺下1mm～2mm處，300～600個紅、藍、綠三色LED（發(fā)光二極管）傳感器緊密排列在一起產(chǎn)生白色光源，取代了CCD掃描儀中的CCD陣列、透鏡、熒光管和冷陰極射線管等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，把CCD掃描儀的光、機、電一體變?yōu)镃IS掃描儀的機、電一體。2．掃描儀的主要性能指標(biāo)(1)分辨率分辨率通常是指圖像每英寸中有多少個像素(Pixel)。分辨率對圖像的質(zhì)量有很大的影響，通常分辨率越高，掃描輸入的時間就越長。掃描儀的分辨率又可細分為光學(xué)分辨率和最大分辨率兩種。①光學(xué)分辨率。光學(xué)分辨率是掃描儀最重要的性能指標(biāo)之一，它直接決定了掃描儀掃描圖像的清晰程度。②最大分辨率。最大分辨率又叫做軟件分辨率，通常是指利用軟件插值補點的技術(shù)模擬出來的分辨率。(2)色彩深度值

色彩深度值（或稱為色階，也叫做色彩位數(shù)）指的是掃描儀色彩識別能力的大小。

(3)灰度值

灰度值是指進行灰度掃描時對圖像由純黑到純白整個色彩區(qū)域進行劃分的級數(shù)，又稱為灰度動態(tài)范圍。灰度值越高，掃描儀能夠表現(xiàn)的暗部層次就越細。

5.8打印輸出設(shè)備

打印機是計算機系統(tǒng)的主要輸出設(shè)備之一，打印機的功能是將計算機的處理結(jié)果以字符或圖形的形式印刷到紙上，轉(zhuǎn)換為書面信息，便于人們閱讀和保存。由于打印輸出結(jié)果能永久性保留，故稱為硬拷貝輸出設(shè)備。5.8.1打印機概述

按照打印的工作原理不同，打印機分為擊打式和非擊打式兩大類。擊打式打印機是利用機械作用使印字機構(gòu)與色帶和紙相撞擊而打印字符的，它的工作速度不可能很高，而且不可避免地要產(chǎn)生工作噪聲，但是設(shè)備成本低，針式打印機就是使用最廣泛的擊打式打印機。非擊打式打印機是采用電、磁、光、噴墨等物理或化學(xué)方法印刷出文字和圖形的，由于印字過程沒有擊打動作，因此印字速度快、噪聲低，但一般不能復(fù)制多份，目前主要有噴墨打印機、激光打印機等。

打印機通常有兩種工作模式，即文本模式（字符模式）和圖形模式。1．文本模式在這種方式中，主機向打印機輸出字符代碼（ASCII碼）或漢字代碼（國標(biāo)碼），打印機則依據(jù)代碼從位于打印機上的字符庫或漢字庫中取出點陣數(shù)據(jù)，在紙上“打”出相應(yīng)字符或漢字。2．圖形模式在圖形模式中，主機向打印機直接輸出點陣圖形數(shù)據(jù)，有一個“1”就“打”一個點。在這種模式下，CPU能靈活控制打印機輸出任意圖形，從而可打印出字符、漢字、圖形、圖像等。5.8.2打印機的主要性能指標(biāo)有關(guān)打印機的性能指標(biāo)主要有：分辨率、打印速度、打印幅面、接口方式和緩沖區(qū)的大小等。1．分辨率(DPI)

打印機的打印質(zhì)量是指打印出的字符的清晰度和美觀程度，用打印分辨率表示，單位為每英寸打印多少個點(DPI)。2．打印速度和打印幅面不同類型的打印機具有不同的打印速度，每種類型又有高、中、低速之分。3．接口方式打印機的接口可以是標(biāo)準(zhǔn)配置并行接口，也可以是USB接口。4．緩沖區(qū)最簡單的緩沖區(qū)只能存放一行打印信息，當(dāng)這一行信息打印完后，即清除掉緩沖區(qū)的信息．并告訴主機“緩沖區(qū)空”，主機將再發(fā)送新的信息給打印機，如此反復(fù)直到所有信息打印完畢為止。5.8.3針式打印機工作原理

在9針打印機中，將9根打印針排成縱向一列，每次打印一列，印完一列后打印頭沿水平方向向右移動一步，m步之后，形成一個m×n點陣的字形。在24針打印機中，一般交錯排成兩列，每列12根針，分別稱為奇數(shù)號針和偶數(shù)號針。打印時，打印頭從左到右打印，一列的24個點是分兩次打印出來的。由于點的縱向間距非常小，甚至能相互覆蓋一部分，所形成的圖形輪廓連貫光滑，印字質(zhì)量較9針打印機高。5.8.4噴墨打印機工作原理

噴墨式打印機也屬于點陣式打印的一種，它的印字原理是使墨水在壓力的作用下，從孔徑或狹縫尺寸很小的噴嘴噴出，成為飛行速度很高的墨滴，根據(jù)字符點陣的需要，對墨滴進行控制，使其在記錄紙上形成文字或圖形。1．連續(xù)式噴墨技術(shù)連續(xù)式是指連續(xù)不斷地噴射墨水．首先給墨水加壓，使墨水流通過噴嘴連續(xù)噴射而粒子化。因為墨水帶有正離子，當(dāng)粒子化的墨水穿過高壓電場時，就發(fā)生偏轉(zhuǎn)，故可用高壓電場控制印字。2．隨機式噴墨技術(shù)隨機式噴墨打印機的墨滴只有在需要打印時才從噴嘴中噴出（又稱按需式），因而不需要過濾器和復(fù)雜的墨水循環(huán)系統(tǒng)。由于受射流慣性的影響，墨水的噴射速度低于連續(xù)式。5.8.5激光打印機工作原理

激光打印機是一種光、機、電一體、高度自動化的計算機輸出設(shè)備，其成像原理與靜電復(fù)印機相似，結(jié)構(gòu)比針式打印機和噴墨打印機都復(fù)雜得多。它主要由激光器、激光掃描系統(tǒng)、以碳粉與感光鼓為主的碳粉盒、字形發(fā)生器、電子照相轉(zhuǎn)印機構(gòu)和電路部分組成，如圖7-14所示。

圖7-14激光打印機的組成感光鼓是激光打印機的核心，這是一個用鋁合金制成的圓筒，其表面鍍有一層半導(dǎo)體感光材料，通常是硒，所以又常將它稱為硒鼓。激光打印機的打印過程中的6個步驟：充電、掃描曝光、顯影、轉(zhuǎn)印、定影和清除殘像都是圍繞感光鼓進行的。①充電。對硒鼓進行充電，使其表面均勻地帶上正（負）電荷。②掃描曝光。掃描曝光也可以叫做“書寫”，由控制電路控制激光束對硒鼓表面進行掃描照射，在需印出內(nèi)容的地方關(guān)閉激光束，在不需印出的地方打開激光束。隨著帶正（負）電荷的感光鼓表面的轉(zhuǎn)動，遇有激光源照射時，鼓表面曝光部分變?yōu)榱紝?dǎo)體，產(chǎn)生光電流，使其失去表面電荷。而未曝光的鼓表面仍保留電荷，從而在硒鼓上形成靜電“潛像”。③顯影。帶有“潛像”的硒鼓表面繼續(xù)運動，通過碳粉盒時，帶電荷的部分吸附上碳粉，從而在鼓面上顯影成可見的字符碳粉圖像。④轉(zhuǎn)印。顯影的表面同打印紙接觸時，在外電場的作用下，碳粉被吸附到紙上，完成圖像的轉(zhuǎn)印。⑤定影。分離后的紙經(jīng)定影熱輥，碳粉在高溫和高壓下熔化而永久性地黏附在紙上。實現(xiàn)定影而得到最終的印字輸出結(jié)果。⑥消除殘像。完成轉(zhuǎn)印后，硒鼓表面還留有殘余的電荷和碳粉，先經(jīng)過放電將電荷中和，然后經(jīng)過清掃除去殘留的碳粉。5.9顯示設(shè)備顯示設(shè)備是將電信號轉(zhuǎn)換成視覺信號的一種裝置。在計算機系統(tǒng)中，顯示設(shè)備被用作輸出設(shè)備和人機對話的重要工具。與打印機等硬拷貝輸出設(shè)備不同，顯示器輸出的內(nèi)容不能長期保存，當(dāng)顯示器關(guān)機或顯示別的內(nèi)容時，原有內(nèi)容就消失了，所以顯示設(shè)備屬于軟拷貝輸出設(shè)備。5.9.1顯示器概述

計算機系統(tǒng)中的顯示設(shè)備，若按顯示對象的不同可分為字符顯示器、圖形顯示器和圖像顯示器。字符顯示器是指能顯示有限字符形狀的顯示器。圖形和圖像是既有區(qū)別又有聯(lián)系的兩個概念，圖形是指以幾何線、面、體所構(gòu)成的圖；而圖像是指模擬自然景物的圖，如照片等。5.9.2CRT顯示器CRT顯示器由顯示適配器（顯卡）和顯示器（監(jiān)視器）兩部分組成，顯卡通常插在微機的總線插槽上，也有的微機主板上集成有顯卡電路。顯卡到顯示器通過顯示專用接口連接。1．CRT顯示器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）點距點距（DotPitch）是指屏幕上兩個相鄰的同色熒光點之間的距離。（2）行頻和場頻行頻又稱水平掃描頻率，是電子槍每秒在屏幕上掃描過的水平線條數(shù)，以kHz為單位。（3）視頻帶寬視頻帶寬是表示顯示器顯示能力的一個綜合性指標(biāo)，以MHz為單位。（4）最高分辨率最高分辨率是定義顯示器畫面清晰度的標(biāo)準(zhǔn)，由每幀畫面的像素數(shù)決定，以水平顯示的像素個數(shù)乘以水平掃描線數(shù)表示。（5）刷新率刷新率實際上就等于場頻，刷新率越高，意味著屏幕的閃爍越小，對人眼睛產(chǎn)生的刺激越小。（6）屏幕尺寸指屏幕對角線長度，一般有14、15、17、19、20、21英寸等。2．CRT顯示原理(l)CRT顯示器的掃描方式

CRT顯示器如同電視接收機一樣，普遍采用光柵掃描方式.在光柵掃描方式中，電子束在水平和垂直同步信號的控制下有規(guī)律的掃描整個屏幕=掃描的方法如下：電子束從顯示屏的左上角開始，沿水平方向從左向右掃描．到達屏幕有端后迅速水平回掃到左端下一行位置，又從左到右勻速地掃描。這樣一行一行地掃描．直到屏幕的右下角，然后又垂直回掃，返回屏幕左上角，重復(fù)前面的掃描過程，在水平和垂直回掃時，電子束是“消隱”的，熒光屏上沒有亮光顯示。這樣，在CRT的屏幕上形成了一條條水平掃描線，稱為光柵。一幅光柵通常也叫做一幀．一幀畫面的掃描行數(shù)越多，顯示出來的畫面就越清晰：但要使掃描行數(shù)增多，則須使行掃描頻率增高．當(dāng)要求太高時就難于實現(xiàn)。圖5.9光柵掃描（2）顯示器的顯示模式顯示模式從功能上分為兩大類：字符模式和圖形模式。字符模式也稱字母數(shù)字模式，即A/N模式（AlphaNumberMode）。在這種模式下，顯示緩沖區(qū)中存放著顯示字符的代碼（ASCII碼）和屬性。（3）顯示緩沖區(qū)熒光屏上涂的是中短余輝熒光材料，否則會導(dǎo)致圖像變化時前面圖像的殘影滯留在屏幕上，但如此一來，就要求電子槍不斷的反復(fù)“點亮”、“熄滅”熒光點，即便屏幕上顯示的是靜止圖像，也照常需要不斷地刷新。5.9.3字符顯示器的工作原理

1．字符顯示原理字符顯示器顯示字符的方法也是以點陣為基礎(chǔ)的。通常將顯示屏幕劃分成許多方塊，每個方塊稱一個字符窗口，它包括字符顯示點陣和字符間隔，一般的字符顯示器可顯示80列×25行=2000個字符．字符窗口數(shù)目為80×25．如圖9-6所示：在單色字符顯示方式下，每個字符窗口為9×14點陣。對應(yīng)的分辨率為80列×25行（720×350點陣），其中字符本身點陣為7×9，同一字符行中字符橫向間隔兩個點，不同字符行間的間隔為5個點。2．VRAM的地址組織在字符顯示器中，屏幕上每個字符位置對應(yīng)VRAM中的一個字節(jié)，VRAM中各字節(jié)單元的地址隨著屏幕由左向右，自上而下的顯示順序從低向高安排。也就是說，VRAM的0號單元存放的字符代碼經(jīng)字符發(fā)生器轉(zhuǎn)換為字形點陣后，顯示在屏幕第一行字符左邊第一個位置上；1號單元存放的字符代碼轉(zhuǎn)換后顯示在屏幕第一行左邊的第二個位置上；……VRAM的最后一個單元存放的字符代碼轉(zhuǎn)換后顯示在屏幕最后一行右邊最末一個位置上。VRAM的地址安排與屏幕位置的對應(yīng)關(guān)系如圖9.8所示。圖9.8VRAM的地址與屏幕位置的對應(yīng)關(guān)系3．字符顯示器的控制電路圖9.9是字符顯示器的定時控制電路。它的核心是點計數(shù)器、字計數(shù)器（水平地址計數(shù)器）、行計數(shù)器和排計數(shù)器（垂直地址計數(shù)器），由它們來控制顯示器的逐點、逐字、逐行、逐屏幕的刷新顯示。為了避免掃描行和字符行這兩個概念的混淆，在下例中把掃描行仍稱為行，而把字符行稱為排。圖9.9字符顯示器定時控制電路5.9.4圖形顯示器的工作原理下面以某彩色圖形顯示器為例，介紹圖形顯示的基本原理。設(shè)該彩色圖形顯示器的分辨率為640×480，可同時顯示16種顏色。VRAM中存放著顯示的圖形點陣數(shù)據(jù)，由于計算機只能以二進制方式存放數(shù)據(jù)，每位只有兩種狀態(tài)（“0”或“1”）。對于單色顯示，VRAM中的每一位對應(yīng)畫面上的一個像素點，該位為“1”即表示畫面上的這一點是亮點。而對于彩色顯示（如16種顏色），就需要用VRAM中的4位來定義一種顏色。在彩色圖形顯示器中經(jīng)常采用彩色位平面的存儲結(jié)構(gòu)來表示顏色信息。每個彩色位平面由單一位組成，并表示屏上某個可以顯示的顏色。例如：分辨率為640×480，每個位平面含有640×480位，即有307200位的信息。由于要同時顯示16種不同顏色，它就具有4個彩色位平面，故需要1228800位的VRAM，即153600B。所以VRAM的總?cè)萘?640×480×4b≈150KB。它被分為4個位平面，每個位平面提供彩色代碼中的一位，每個位平面的容量為37.5KB。

從屏幕顯示角度，每一行由4個位面中的80個字節(jié)來表示(640/8=80)。屏幕上的一個彩色像素點，需要用來自4個位平面上每個位平面的相同位置的一個存儲位表示。根據(jù)上述對應(yīng)關(guān)系，可設(shè)計出顯示器控制邏輯中的同步計數(shù)分頻關(guān)系，如圖5.50所示。圖形／圖像以像素為單位，但在VR\VI中字節(jié)為單位按地址存儲，即將一條水平線上自左向右，每8個點的代碼作為一個字節(jié)，存放在一個編址單元中。因此點脈沖經(jīng)點計數(shù)器8分頻之后產(chǎn)生字節(jié)脈沖，每發(fā)一次字節(jié)脈沖就訪問一次VRAM．從4個位平面中各讀出一個字節(jié)（8點），送往移位寄存器，再串行輸出形成亮度信號與紅、綠、藍三色信號，它們的組合決定了16色中的一種。若用于單色顯示器．則將4位代碼轉(zhuǎn)換為16級亮度調(diào)制信號，用于控制像素的灰度。圖5.50彩色CRT茬制邏輯原理5.9.5LCD顯示器

LCD(LiquidCrystalDisplay)就是液晶顯示器，LCD有低眩目的全平面屏幕，需要的功率很低，有源陣列的LCD面板的色彩質(zhì)量實際上超過了大多數(shù)CRT顯示器。1．LCD顯示原理

LCD顯示器提供比同尺寸CRT顯示器更大的可視圖像，有4種基本的LCD選擇：無源陣列單色、無源陣列彩色、有源陣列模擬彩色和最新的有源陣列數(shù)字彩色。無源陣列的單色和彩色顯示屏主要是用作低檔筆記本計算機的顯示器或者工業(yè)用的桌面顯示面板，與有源陣列模塊相比，具有相對較低的價格和較強的耐用性。2．LCD的技術(shù)指標(biāo)由于顯示原理與傳統(tǒng)CRT顯示器的根本不同，因此CRT顯示器的耗電大、體積大、有輻射、有閃爍等弊端在LCD上將不復(fù)存在。LCD的技術(shù)指標(biāo)也有一些變化：(1)像素間距

LCD的像素間距類似于CRT顯示器的點距，但LCD的像素間距對于產(chǎn)品性能的重要性遠沒有CRT的點距那么高：因為LCD的像素數(shù)量是固定的，在尺寸與分辨率都相同的情況下，大多數(shù)LCD的像素間距基本相同．主流的LCD像素間距在0.3mm左右。(2)分辨率由于LCD的像素間距固定，所以分辨率不能任意調(diào)整。LCD只有在最佳分辨率下，才能顯現(xiàn)出最佳影像。目前15英寸LCD的最佳分辨率為1024×768，17～19英寸的最佳分辨率為1280×1024，更大尺寸擁有更大的最佳分辨率。在呈現(xiàn)其他的分辨率顯示模式時只能以擴展或壓縮的方式將畫面顯示出來。如LCD在呈現(xiàn)分辨率較低的顯示模式時，應(yīng)采用居中顯示或擴展顯示的方法。(3)可視角度可視角度是指人們清晰觀察顯示屏幕的范圍，這是LCD的一個重要的指標(biāo)，因為LCD從側(cè)面觀看時，亮度、對比度都會有明顯的下降?？梢暯嵌葏?shù)可用水平（左右）、垂直（上下）來衡量，也可以用左／右、上／下分別來衡量。

(4)亮度由于LCD是被動式發(fā)光，因此在亮度、對比度方面的指標(biāo)可能不如主動發(fā)光的CRT顯示器。LCD的亮度取決于LCD的結(jié)構(gòu)和背景照明的類型。亮度的測量單位通常為坎德拉每平方米(cd/m2)，LCD的亮度普遍在200cd/m2～500cd/m2之間。

(5)對比度對比度實際上就是亮度的比值，即白色畫面（最亮?xí)r）下的亮度除以黑色畫面（最暗時）下的亮度。在合理的亮度值下，對比度越高，其所能顯示的色彩層次越豐富。目前主流LCD的對比度大多集中在400：1至600：1的水平上。

(6)響應(yīng)時間響應(yīng)時間反映了液晶顯示器各像素點對輸入信號反應(yīng)的速度，即每個像素由暗轉(zhuǎn)亮或由亮轉(zhuǎn)暗所需要的時間。響應(yīng)時間一般被分為上升時間和下降時間，而表示時應(yīng)以兩者之和為準(zhǔn)。

(7)色彩數(shù)