-計算機組成原理

計算機組成與結構（第8章）第8章輸入/輸出系統(tǒng)8.1輸入/輸出系統(tǒng)概述8.2輸入設備8.3顯示設備和打印設備8.4程序中斷輸入輸出方式8.5DMA輸入輸出方式8.6通道控制方式和外圍處理機方式8.7總線結構8.8外設接口8.1輸入/輸出系統(tǒng)概述?輸入輸出系統(tǒng)概念中央處理器(CPU)和主存儲器(MM)構成計算機的主體,稱為主機。主機以外的大部分硬設備都稱為外部設備或外圍設備,簡稱外設。它包括常用的輸入輸出設備,外存儲器,脫機輸入輸出設備等。輸入輸出系統(tǒng)包括外部設備(輸入輸出設備和輔助存儲器)及其與主機(CPU和存儲器)之間的控制部件。后者稱之為設備控制器,諸如磁盤控制器、打印機控制器等,有時也稱為設備適配器或接口,其作用是控制并實現(xiàn)主機與外部設備之間的數(shù)據(jù)傳送。2.外部設備概述(P294)3.輸入輸出設備的編址及設備控制器的基本功能為了CPU便于對I／O設備進行尋址和選擇,必須給眾多的I／O設備進行編址,也就是給每一臺設備規(guī)定一些地址碼,稱為設備號或設備代碼。隨著CPU對I／O設備下達命令方式的不同而有以下兩種尋址方法:(1)專設I／O指令，例如，指令IN完成輸入，指令OUT完成輸出操作。指令的地址碼字段指出輸入輸出設備的設備代碼。(2)利用訪存(取數(shù)／存數(shù))指令完成I／O功能，使用這種方法時，從主存的地址空間中分出一部分地址碼作為I／O的設備代碼，當訪問到這些地址時，表示被訪的不是主存儲器，而是I／O設備寄存器(例如，設備數(shù)據(jù)緩沖寄存器或設備狀態(tài)寄存器等)。IBMPC等系列機設置有專門的I／O指令,設備的編址可達512個,部分設備的地址碼如表10.1所示。從表中可見,每一臺設備占用了若干個地址碼,分別表示相應的設備控制器中的寄存器地址。設備控制器(I／O接口)的基本功能是:(1)實現(xiàn)主機和外圍設備之間的數(shù)據(jù)傳送控制。其中包括同步控制、設備選擇和中斷控制等。DMA設備還應具有直接訪問存儲器功能，并給出存儲器地址。CPU發(fā)I／O數(shù)據(jù)傳送命令時，必須指明設備地址碼，經各設備接口譯碼后，讓選中設備參加數(shù)據(jù)傳送。(2)實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖，以達到主機同外圍設備之間的速度匹配。在接口電路中，一般設置一個或幾個數(shù)據(jù)緩沖寄存器。在傳送過程中，先將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖寄存器，然后再送到目的設備(輸出)或主機(輸入)。(3)接受主機的命令，提供設備接口的狀態(tài)，并按照主機的命令控制設備。命令寄存器和狀態(tài)寄存器.輸入輸出接口類型有:(1)按照數(shù)據(jù)傳送的寬度可分為并行接口和串行接口。在并行接口中，設備和接口是將一個字節(jié)(或字)的所有位同時傳送。在串行接口中，設備和接口間的數(shù)據(jù)是一位一位串行傳送的，而接口和主機之間是按字節(jié)或字并行傳送。接口要完成數(shù)據(jù)格式的串一并變換。(2)按照數(shù)據(jù)傳送的控制方式可分成程序控制輸入輸出接口，程序中斷輸入輸出接口和直接存儲器存取(DMA)接口等。4.I／O設備數(shù)據(jù)傳送控制方式1.直接程序傳送方式用I/O指令編程實現(xiàn)信息傳送。（1）外設狀態(tài)在接口中設置狀態(tài)字表示這些狀態(tài)。空閑:調用前，備不工作；結束:調用后，備完成工作。啟動

01工作再請求設

調用完設完成一次工作00空閑結束10硬件開銷?。粚崟r處理能力差,并行程度低。（4）應用場合對CPU效率要求不高的場合,或診斷、調試過程。啟動外設外設工作完成？N Y輸入/出操作（2）

查詢流程（3）

優(yōu)缺點中斷:程序程序程序→并行操作←（2）中斷定義啟動

-

請求主機

中斷程序

外設

空閑

1工作

交換數(shù)據(jù)2.中斷方式（1）中斷的引入程序啟動

空閑

查詢:主機外設程序交換數(shù)據(jù)等待工作CPU暫時中止現(xiàn)行程序的執(zhí)行,轉去執(zhí)行為某個隨機事態(tài)服務的中斷處理程序。處理完畢后自動恢復原程序的執(zhí)行。一條指令結束Y時有中斷請求？響應返回執(zhí)行中斷N—→服務程序繼續(xù)原程序=0不允許響應中斷

（關中斷）啟動外設繼續(xù)原程序（3）中斷流程CPU內設置允許中斷標志=

1允許響應中斷（開中斷）開中斷CLI；關中斷,初始化啟動；啟動設備STI；開中斷響應請求（4）

程序安排

NIOS

例1.DJS-

100系列機

允許中斷觸發(fā)器

NIOSINT=

請求

斷斷斷斷中中中中開開關關1100CPU

；開中斷設備碼；啟動設備

響應返回例2.PC系列機允許中斷位

返回關中斷開中斷IF=01（5）

硬件設置判別設備優(yōu)先級

設備提出請求(動態(tài)改變設備優(yōu)先級)CPU禁止/允許設備請求注意區(qū)分CPU對請求的屏蔽和對請求的響應。用于中

、低速I/O操作或處理復雜隨機事態(tài)。CPU響應請求,并轉相應服務程序入口響應邏輯判優(yōu)邏輯請求邏輯屏蔽邏輯（4）

應用場合設備工作完成CPU送屏蔽字開/關中斷送屏蔽字非屏蔽接口CPU3.直接存儲器存取(DMA)方式（1）定義直接依靠硬件實現(xiàn)主存與I/O間的數(shù)據(jù)傳送,傳送期間不需CPU程序干預。1)I/O與主存,而不是I/O與CPU或I/O與主機管總線權,傳送完畢再交還總線權。3)傳送期間只要CPU不訪存,可并行操作。4)傳送前和傳送后需要程序干預。2)早期由CPU控制傳送；現(xiàn)在由DMA控制器控制傳送,DMA控制器接（2）

硬件設置控制傳送方向←操作類型

提供主存地址化信息→地址計數(shù)控制傳送次數(shù)傳遞請求→請求

→

暫存交換數(shù)據(jù)斷斷AA中中DDMMDMA控制器（3）

DMA流程外設尋址數(shù)據(jù)緩沖交換量計數(shù)

提供外設地址接口一個總線周期結束時有DMA請求？一條指令結束時有中斷請求？傳送操作類型

、主存首址、交換量

、外設尋址信息地址+1交換量-

1繼續(xù)程序一次DMA傳送中斷處理NNY申請中斷交換量=0？啟動外設成組方式單字方式響應YbbaaaccNNY（4）應用場合用于高速、簡單、批量數(shù)據(jù)傳送。DMA與中斷的相同點:能響應隨機請求；可并行操作。DMA與中斷的不同點:中斷:用程序實現(xiàn)中、低速I/O傳送；能處理復雜事態(tài)；一條指令結束時響應請求。DMA:用硬件實現(xiàn)高速、簡單I/O傳送；一個總線周期結束時響應請求。主程序實現(xiàn)初始化。硬件實現(xiàn)M→

I/O。中斷處理程序判斷傳送的正誤。三個階段:程序準備:DMA傳送:善后處理:4.I／O通道控制(I／Ochannelcontrol)方式通道能獨立地執(zhí)行用通道命令編寫的輸入輸出控制程序，產生相應的控制信號送給由它管轄的設備控制器，繼而完成復雜的輸入輸出過程。通道是一種通用性和綜合性都較強的輸入輸出方式，它代表了現(xiàn)代計算機組織向功能分布方向發(fā)展的初始發(fā)展階段，形成了如圖10.1的結構。5.外圍處理機方式輸入輸出處理機通常稱作外圍處理機(peripheralprocessorunit，簡稱PPU)。這種外圍處理機的結構更接近一般處理機，甚至就是一般小型通用計算機或微機。它可完成I／O通道所要完成的I／O控制，還可完成碼制變換、格式處理、數(shù)據(jù)塊的檢錯、糾錯等操作。它可具有相應的運算處理部件、緩沖部件,還可形成I／O程序所必需的程序轉移手段。有了外圍處理機，不但可簡化設備控制器，而且可用它作為維護、診斷、通信控制、系統(tǒng)工作情況顯示和人機聯(lián)系的工具。外圍處理機基本上獨立于主機工作。在某些大型計算機系統(tǒng)中，設置多臺外圍處理機，分別承擔I/O控制、通信、維護、診斷等任務。有了外圍處理機后，使計算機系統(tǒng)結構有了質的飛躍，由功能集中式發(fā)展為功能分散的分布式系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結構與圖10.1所示類似，但要將圖中的CH改為I／O處理機。8.2輸入設備在計算機中,輸入設備主要完成輸入程序、數(shù)據(jù)和操作命令等功能,也是進行人機對話的主要部件。當實現(xiàn)人工輸入時,往往與顯示器(輸出設備)聯(lián)用,以便及時檢驗并修正輸入時的錯誤。也可利用軟盤、磁帶等可脫機錄入的介質進行輸入。1.鍵盤鍵盤是目前應用最普遍的一種輸入設備,與CRT顯示器組成終端設備。鍵盤是由一組排列成陣列形式的按鍵開關組成的,每按下一個鍵,產生一個相應的字符代碼(每個按鍵的位置碼),然后將它轉換成ASCII碼或其他碼,送主機。目前常用的標準鍵盤有101個鍵。IBMPC機的鍵盤內裝有Intel8048單片機來執(zhí)行鍵盤掃描功能(確定按鍵的位置碼)、鍵盤檢測、消去重鍵、自動重發(fā)、掃描碼的緩沖以及與主機間的通信等。?鍵:有兩個觸點，按鍵時閉合，抬鍵后分離?鍵盤上各鍵的安裝位置可根據(jù)操作需要而定；在電氣連接上排成n*m的矩陣，每個鍵連接于某個行和列之間。通過硬件掃描或軟件掃描，識別所按下的鍵的行列位置?(2)重定義鍵的編碼及功能:更改ROM中的內容。?(3)消除抖動:用去抖電路延時數(shù)十毫秒之后才識別讀取鍵碼。?(4)防止重鍵:通過鎖定信號防止兩鍵重疊;存儲多個鍵碼?(5)產生鍵碼后向主機發(fā)出中斷請求，CPU以響應中斷請求的方式接受隨機按鍵產生的鍵碼硬件掃描的原理?(1)先掃描行,從鍵盤產生列輸出,與列譯碼產生的列信息在符合比較器中進行比較,相符產生符合鎖定信號。用于信息交換的美國標準代碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange,簡稱ASCll)。另有一種字符編碼,是主要用在IBM計算機中的擴充的二—十進制信息碼(ExtendedBinaryCodedDecimalInterchangeCode,簡稱EBCDIC)。它采用8位碼,有256個編碼狀態(tài),但只選用其中一部分。0~9十個數(shù)字符的高4位編碼為1111,低4位仍為0000~1001。大、小寫英文字母的編碼均同樣滿足正常的排序要求,而且有簡單的對應關系,即同一個字母其大小寫的編碼值僅最高的第二位值不同,易于變換與識別。2.光筆、圖形板和畫筆(或游動標)輸入光筆(1ightpen)的外形與鋼筆相似,頭部裝有一個透鏡系統(tǒng),能把進入的光會聚為一個光點。在光筆頭部附有開關,當按下開關時,進行光的檢測,光筆就可拾取顯示器屏幕上的坐標。光筆與屏幕上的光標配合,可使光標跟蹤光筆移動,在屏幕上畫出圖形或修改圖形,這個過程與人用鋼筆畫圖的過程類似。經操作員確認后,即可存入計算機。畫筆(stylus)為筆狀,但不是光筆。它不是用于顯示器屏幕,而是用于圖形板(tablet)。當畫筆接觸到圖形板上的某一位置時,畫筆在圖形板上的位置坐標就會自動傳送到計算機中去,隨著筆在板上的運動可以畫出圖形。圖形板和畫筆結合構成二維坐標的輸入系統(tǒng),主要用于輸入工程圖等。圖形板是一種二維的A／D變換器,因此圖形板也稱作數(shù)字化板。坐標量測的方法有電阻式、電容式、電磁感應式和超聲波式幾種。以電磁式為例,圖形板是一塊電磁感應板,手持的游動標中有一個感應線圈,當線圈的中心(十字標的中心)置于板上某點時,便在該點產生感應電壓,得到坐標值。3.鼠標器、跟蹤球和操作桿輸入光筆和圖形板兩種輸入方式都可以輸入絕對坐標。還有一類坐標輸入設備,只能用來輸入相對坐標。鼠標器、跟蹤球和操作桿就屬于這一種。它們必須和顯示器的光標配合。鼠標器、跟蹤球和操作桿操作容易,制作簡單而且造價低,但定位精度都比較差。鼠標器(mouse)是一種手持式的坐標定位部件。跟蹤球(trackboll)是用手指或掌心推動的金屬球體,操作桿(joystick也叫游戲棒)是能用于前后左右移動的金屬桿。4.觸摸屏觸摸屏系統(tǒng)一般包括兩部分:觸摸屏控制器(卡)和觸摸檢測裝置。觸摸屏控制卡上有微處理器和固化的監(jiān)控程序，其主要作用是將觸摸檢測裝置送來的觸摸信息轉換成觸點坐標，再送給計算機；同時它能接收計算機送來的命令，并予以執(zhí)行。觸摸屏的控制卡及其電源可以安裝在顯示器內，稱為內置式；也可放在顯示器外面，稱為外掛式。觸摸屏根據(jù)其所采用的技術可分成5類:電阻式、電容式、紅外線式、表面聲波技術和底坐式矢量壓力測力技術。6.圖像輸入設備(攝像機和數(shù)字照相機)?攝像機攝像機攝取的景物,經數(shù)字化后變成數(shù)字圖像存入磁盤或磁帶,如果被攝對象在微觀世界,可以將攝像機裝在顯微鏡上,組成顯微圖像輸入系統(tǒng)。當圖像已經記錄到某種介質上時,要用讀出裝置讀出圖像。如記錄在錄像帶上的圖像要用錄像機讀出,再將視頻信號經圖像板量化輸入計算機。如果想把紙上的圖像輸入計算機,一種方法是用攝像機對著紙上的圖像攝像輸入。另一種方法是利用裝有CCD(電荷耦合器件)的圖文掃描儀(scanner)或圖文傳真機。?數(shù)字照相機近年來推出的數(shù)字照相機在色彩質量和圖像清晰度等方面不斷改進,但還不能與基于膠片的相機所能提供的最佳清晰度和色彩相媲美。數(shù)字照相機內置有1M～幾M字節(jié)存儲器,并帶用LCD預映屏幕。在拍照時觀察屏幕可將最佳快照錄入相機的存儲器中,并即時刪除不理想的照片。其最大的特點是可以聯(lián)機。因此人們可以在瞬間獲取圖像,也可在照片拍攝后把其載到因特網上。6.條形碼及其技術條形碼又叫條碼。條碼的定義是:由一組寬度和反射率不同的平行相鄰的“條”和“空”，按照預先規(guī)定的編碼規(guī)則組合起來，用以表示一組數(shù)據(jù)的符號。這組數(shù)據(jù)可以是數(shù)字、字母或某些符號。圖9．2(a)為條碼符號基本術語示意圖。7.光學字符識別(OCR)技術和語音文字輸入系統(tǒng)?光學字符識別技術OCR系統(tǒng)是多項技術結合的產物,識別技術是其核心內容,還包括圖形文本的掃描輸入,光電信號變換,電信號的數(shù)字化處理,版面分析與理解,字的切分處理以及輸入信息載體(頁)的自動傳送技術等。?語音與文字輸入系統(tǒng)目前計算機輸入字符與數(shù)據(jù),主要用鍵盤敲入,人們正在研究如何讓機器聽懂話、識別字。為了達此目的,一系列相應學科正在形成與發(fā)展,其中包括模式識別、人工智能、信號處理和圖像處理,并在此基礎上產生了語音識別、文字識別、自然語言理解與機器視覺等學科。?語言識別語言信息處理技術,包括自動語言識別、語言合成、語言理解、自動電話查詢和翻譯等,是當今世界上研究的一個重要方面。語言識別系統(tǒng),有孤立單詞識別系統(tǒng)和連續(xù)語言識別系統(tǒng)兩種。在語言理解系統(tǒng)中要求適應自然語言,自然語言的語法不很規(guī)范,并帶有習慣性的無意義的發(fā)音。語言識別系統(tǒng)根據(jù)使用范圍的不同又可分成供特定人使用的和供任意人使用的兩種。8.3顯示設備和打印設備8.3.1輸出設備——顯示器（一）顯示設備種類按顯示設備所用的顯示器件分類,有陰極射線管(cathoderaytube,簡稱CRT)顯示器,液晶顯示器(1iquidcrystaldisplay,簡稱LCD),等離子顯示器等。CRT就是大家所熟悉的電視機顯像管,有黑白和彩色兩種。目前的臺式計算機大部分使用CRT作為顯示器件。液晶和等離子顯示器是平板式顯示器件,它們的特點是體積小、功耗少,是很有發(fā)展前途的新型器件。按所顯示的信息內容分類,有字符顯示器、圖形顯示器和圖像顯示器三大類。按顯示設備的功能分類,有普通顯示器和顯示終端兩大類。顯示器的功能簡單,它只能用于接收視頻信號,顯示器的控制邏輯和存儲邏輯都在主機接口板中,這種顯示器也稱作監(jiān)視器(monitor)。終端是由顯示器和鍵盤組成的一套獨立完整的輸入／輸出設備,它可以通過標準通信接口接到遠離主機的地方使用。終端能夠完成顯示控制與存儲,鍵盤管理以及通信控制等功能,還可以完成簡單的編輯操作。?陰極射線管(CRT)CRT是由電子槍、偏轉裝置和熒光屏構成。我們以單色CRT(即黑白顯像管)為例說明CRT的工作原理。電子槍是陰極射線管的主要組成部分，包括燈絲、陰極、柵極、加速陽極和聚焦極。燈絲:加熱；陰級:釋放電于；柵級:控制電子撞向顯示屏的數(shù)量，即打向顯示屏的電子束的強弱；陽級:對電子束的加速；聚焦級:對電子束進行聚焦，保證較高的顯示清晰度。在CRT玻璃屏的內壁涂有熒光粉，它將電子束的動能轉換成光能，從而顯示出光點。熒光粉的材料是多種金屬的化合物。不同的材料維持亮度的時間不同，稱作余輝時間。另外，要求熒光粉的顆粒精細，以便保證圖像像素清晰?，F(xiàn)代彩色CRT的像素間距為0.31mm，高質量彩色CRT的像素間距是0.28mm。彩色CRT三個電子槍，分別對應紅、綠、藍三基色的信號強弱。在熒光屏內壁涂有彩色熒光粉,按三基色迭加原理形成彩色圖像。?平板顯示器平板顯示器(FPD)一般是指顯示器的深度小于顯示屏幕對角線1／4長度的顯示器件,有液晶顯示(LCD)、等離子體顯示(PDP)、場發(fā)射顯示(FED)、電致發(fā)光顯示(ELD)等。其中LCD本身不發(fā)光,靠調制外光源實現(xiàn)顯示,其余各類顯示均自身發(fā)光。平板顯示器有不少優(yōu)點,但目前價格尚待進一步下降。(1)液晶顯示(LCD)液晶是液態(tài)晶體的簡稱，它是一種有機化合物,在一定范圍內，既具有液體的流動性，又具有分子排列有序的晶體特性，液晶分子是棒狀結構。具有明顯的光學各向異性，它本身不發(fā)光，但能夠調制外照光實現(xiàn)信息顯示，因此使用時需要背光源。液晶顯示具有低工作電壓、微功耗、體輕薄、適于LSI驅動，易于實現(xiàn)大畫面顯示，顯示色彩優(yōu)良等特點。目前廣泛應用的是薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)。CD的應用領域:①便攜式電子產品②監(jiān)視器③消費類電子產品(2)彩色等離子體顯示(plasmadisplaypanel,簡稱PDP)等離子體顯示是利用惰性氣體在一定電壓作用下產生氣體放電現(xiàn)象而實現(xiàn)的一種發(fā)光型平板顯示技術。彩色PDP技術與熒光燈顯示原理相同,利用氣體放電產生紫外線,紫外線激發(fā)光致熒光粉,熒光粉發(fā)射可見光,使用三基色熒光粉實現(xiàn)紅、綠、藍三色,并使每基色單元實現(xiàn)256級灰度,再進行混色達到彩色顯示的目的。其結構好比把數(shù)十萬至數(shù)百萬個氣體微型熒光燈(即放電單元)按一定排列方式設置在兩塊平板玻璃之間,其基本結構與LCD等平板顯示類似。制作時,在兩塊玻璃之間,通過許多障壁把放電空間分隔成若干放電單元。每個顯示單元都設有一組電極,并按一定排列形式在各單元內壁上分別涂有紅、綠、藍熒光粉。由外部電路按一定方式對所有放電單元進行控制,并完成三基色的空間混色,即可實現(xiàn)彩色顯示。（二）顯示技術中的有關術語1.圖形和圖像圖形(graphics)最初是指沒有亮暗層次變化的線條圖,如建筑、機械所用的工程設計圖、電路圖等。圖像(image)最初就是指具有亮暗層次的圖,如自然景物、新聞照片等。經計算機處理后顯示的圖像稱作數(shù)字圖像,就是將圖片上連續(xù)的亮暗變化變換為離散的數(shù)字量,并以點陣列的形式顯示輸出?，F(xiàn)在的圖形也可以有顏色、深淺層次的變化。但是,圖形學和數(shù)字圖像處理是兩個不同的學科。圖像主要用攝像機輸入,經數(shù)字化以后逐點存儲,因此圖像需要占用非常龐大的主存儲空間。在計算機中表示圖形,則只需存儲繪圖命令和坐標點,沒有必要存儲每個像素點。2.分辨率和灰度級分辨率:為實現(xiàn)顯示，沿水平和垂直兩個方向把屏幕分成許多小的區(qū)域，一個小的區(qū)域對應一個發(fā)光點（稱為像素），一個屏幕上所提供的全部像素的數(shù)目被稱為分辨率.像素越密，分辨率越高，圖像越清晰。分辨率取決于熒光粉的粒度，屏的尺寸和電子束的聚焦能力?；叶燃?graylevel)指的是所顯示像素點的亮暗差別,在彩色顯示器中則表現(xiàn)為顏色的不同。如果用4位表示一個像素，則只有16級灰度或顏色。3.刷新和幀存儲器CRT器件的發(fā)光是由電子束射在熒光粉上引起的。電子束掃過之后，其發(fā)光亮度只能維持短暫一瞬(大約幾十毫秒)便消失。為了使人眼能看到穩(wěn)定的圖像，就必須在圖像消失之前使電子束不斷地重復掃描整個屏幕。這個過程叫做刷新(refresh)。每秒刷新的次數(shù)稱刷新頻率或掃描頻率。結合人的視覺生理，刷新頻率應大于30次／秒,人眼才不會感到閃爍。顯示設備中通常選用電視中的標準，每秒刷新50幀(frame)圖像。為了不斷提供刷新圖像的信號,必須把圖像存儲起來,存儲圖像的存儲器叫“幀存儲器”或“視頻存儲器"(VRAM)。幀存儲器的容量由圖像分辨率和灰度級決定。分辨率越高,灰度級越多,幀存儲器的容量越大。如分辨率為1024X1024,256級灰度的圖像,存儲容量為1024X1024X8bit=1MB。幀存儲器的存取周期必須滿足刷新頻率的要求。容量和存取周期是幀存儲器的兩個重要技術指標。4.隨機掃描和光柵掃描電子束在熒光屏上按某種軌跡運動稱為掃描(scan),控制電子束掃描軌跡的電路叫掃描偏轉電路。掃描方式有兩種,隨機掃描和光柵掃描。隨機掃描是控制電子束在CRT屏幕上隨機地運動,從而產生圖形和字符。電子束只在需要作圖的地方掃描,而不必掃描全屏幕,所以這種掃描方式畫圖速度快,圖象清晰。光柵掃描是電視中采用的掃描方法。在電視中,要求圖像充滿整個畫面,因此要求電子束掃過整個屏幕。光柵掃描是從上至下順序掃描,采用逐行掃描和隔行掃描兩種方式。逐行掃描就是從屏幕頂部開始一行接一行地掃描,一直到底,反復進行。（三）字符顯示器字符顯示設備是計算機系統(tǒng)中最基本的外部設備。以IBM／PC機單色字符顯示系統(tǒng)為例,說明字符顯示器的工作原理。組成:掃描控制邏輯、顯示存儲器和字符發(fā)生器（1）掃描控制邏輯部件:控制電子束掃描軌跡的電路，常用的掃描方式有光柵掃描和隨機掃描兩種。在光柵掃描方式下，電子束要從左到右、從上到下掃描整個屏幕，掃描控制本身不必區(qū)分什么位置上有點要顯示，什么位置上的點不顯示，它只是控制電子束在整個屏幕上重復移動，顯示的具體內容則通過另外的邏輯線路提供。（2）字符發(fā)生器，就是用于保存每個可顯示字符字形的點陣數(shù)據(jù)的邏輯部件，通常是一個只讀存儲器（ROM）。內容:能顯示字符的點陣信息容量:顯示字符個數(shù)*每個字符點陣所占字節(jié)數(shù)例如:如果每個字符的字形用7（橫向）*9（縱向）的點陣表示．則每個字符字形的點陣數(shù)據(jù)要占用9個存儲器字節(jié)（橫向的7個點的布局用一個字節(jié)表示）。那么，為能顯示ASCll碼的95個（含空格字符）可顯示字符，該字符發(fā)生器（ROM）應由9*95個字節(jié)組成。地址組織:字符發(fā)生器的地址由兩部分組成，即該字符的ASCII碼作為高地址，掃描線序號（0—8）作為低地址。注意:在屏幕上，每個字符行一般要顯示多個字符，而電子束在進行全屏幕掃描時，是采用對一排的所有字符的點陣進行逐行依次掃描。圖9.5(a)是字符‘A’用點陣(7X9)表示的例子以及它位于字符窗口中的情況，圖9.5(b)為字符發(fā)生器的邏輯結構。（3）顯示存儲器VRAM，用于保存將顯示在整個屏幕的全部字符。地位:軟件:向VRAM中寫顯示信息硬件:將VRAM中內容送屏幕內容及容量:內容:要顯示字符的ASCII碼容量:顯示規(guī)格*每個字符占的字節(jié)數(shù)(字節(jié))例如:顯示規(guī)格:25行*80列屬性信息與屬性緩存:每個字符都配有一個屬性字節(jié)，用來描述字符的顯示屬性，即字符的顏色、亮度、是否閃爍等等。這樣，需要一存儲器來存放字符的屬性信息，即屬性緩存。地址組織:顯示緩存中不論存放的是字符的代碼信息還是圖形的象點信息，每個數(shù)據(jù)在VRAM中的位置都應該與在屏幕上的顯示位置一一對應。若已知字符編碼在VRAM中的地址，求該字符在屏幕上的位置:行號=VRAM地址/每行字符數(shù)列號=VRAM地址%每行字符數(shù)若已知字符在屏幕上的位置，求該字符在VRAM中的位置:VRAM中地址=行號*每行字符數(shù)+列號圖中注釋:①垂直地址計數(shù)器決定電子束掃描字符的行號，水平地址計數(shù)器決定它的列號②由“VRAM中地址=行號*每行字符數(shù)+列號”確定掃描字符編碼在VRAM中地址,讀VRAM的要顯示字符編碼③由字符編碼作為高地址,此時光柵地址計數(shù)器的值作為低地址,讀字符發(fā)生器ROM,得此字符在此掃描行上的一行點陣④顯示字符在此掃描行上的一行點陣,在點計數(shù)器的作用下,由并行轉換為串行數(shù)據(jù),作為視頻信號傳向CRT運行原理:為了當電子束掃描到某字符或某象點位置時，相應的視頻信號必須同時輸出，為此，在CRT顯示器中設置了幾個計數(shù)器，對顯示器的主頻進行分頻，產生各種時序信號來控制對VRAM的訪問、對CRT的水平掃描和垂直掃描，以及視頻信號的產生等。點計數(shù)器（7+2）:1提供控制一個字符區(qū)間內的橫向間隔消隱，對水平計數(shù)器計數(shù)。決定一個字符一行點陣的第幾個點。（2）水平計數(shù)器（80+L）:1提供VRAM低位地址信息，控制一條水平掃描內的顯示與消隱，向顯示頭提供水平同步信號，對光柵計數(shù)器計數(shù)等控制信號。決定一行中的第幾個字符（列號）顯示。（3）光柵計數(shù)器（9+5）:1提供訪問字符發(fā)生器ROM的低位地址，控制一行字符中哪些線顯示，哪些線消隱，控制光標顯示，對垂直計數(shù)器計數(shù)等控制信號，決定一行字符中第幾行點陣線顯示。（4）垂直計數(shù)器（25+M）:1提供VRAM高位地址信息，向顯示頭提供垂直同步信號，控制一場顯示過程中的顯示段與消隱段，決定第幾行字符（行號）顯示。（四）圖形和圖像顯示光柵掃描圖形顯示器，是當今應用最多的顯示器，光柵掃描顯示器的特點是把對應于屏幕上每個像素的信息都用存儲器存起來，然后按地址順序逐個地刷新顯示在屏幕上。其硬件結構如圖9.7所示。這里有兩個存儲器,一個稱作程序段緩沖存儲器,另一個是幀存儲器。程序段緩存中存儲由計算機送來的顯示文件和交互式圖形圖像操作命令,如圖形的局部放大、平移、旋轉、比例變換、圖形的檢索以及圖像處理等,這些操作在顯示處理器中完成,比在主機中用軟件實現(xiàn)效率要高得多。在微機系統(tǒng)中,主機和CRT設備之間的電路都放在顯示適配器的接口中。早期的VGA顯示圖形適配器只起到CPU與顯示器之間的接口作用；如今還起到處理圖形／圖像數(shù)據(jù),加速顯示等作用。其核心部分是專門為之設計的圖形／圖像加速芯片,這是一個固化了一定數(shù)量常用基本圖形程序模塊和三維圖形/圖像處理部件的芯片。三維處理大體上可分為“幾何變換”和“色彩渲染”兩種處理,這兩種處理如果都由CPU來聲成,則CPU的負擔過重,而且大量位圖數(shù)據(jù)的傳輸量很大,對傳輸率要求太高；如果都由適配器來完成,則要采用三維圖形芯片和大容量顯存來完成色彩渲染處理,但顯存成本較高。要降低適配器成本,需要減少卡上顯存容量,而將結構數(shù)據(jù)存儲在主存儲器中。原有的總線難以勝任圖形數(shù)據(jù)傳送,Intel公司提出了新型視頻標準AGP,并推出了三維圖形／圖像加速芯片。附和AGP標準的適配器也隨之出現(xiàn)在市場上。在微機中是否具有AGP接口卡,對圖形/圖像的處理效果影響很大。8.3.2輸出設備——打印機打印輸出是計算機系統(tǒng)最基本的輸出形式,可將打印在紙上的信息長期保存。人們將一切可以產生永久性記錄的設備統(tǒng)稱為硬拷貝設備,如打印機、繪圖機、靜電印刷機以及早期使用的紙帶穿孔機、卡片穿孔機等都是硬拷貝設備。計算機的打印設備種類繁多,性能各異,結構上的差別也很大。按印字原理分類,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與色帶和紙相撞擊而打印字符,目前使用的是點陣針式打印機。非擊打式是采用電、磁、光、噴墨等物理、化學方法印刷字符。如激光印字機、靜電印字機、噴墨印字機等。擊打式設備成本低,缺點是噪音大,速度慢。非擊打式設備速度快,噪音低,印字質量比擊打式好,但價格較貴。按工作方式劃分,可分為串行打印機和行式打印機兩種。所謂串行打印機,是逐字打印的。行式打印機的速度比串行打印機快,它一次就可以輸出一行。另外,按打印紙的寬度不同,可分為寬行打印機和窄行打印機；還有能輸出圖的圖形／圖像打印機,具有彩色效果的彩色打印機等等。（一）點陣針式打印機點陣針式打印機的特點是結構簡單、體積小、重量輕、價格低,字符種類不受限制,較易實現(xiàn)漢字打印,還可以打印圖形和圖像。針式打印機的印字方法是由打印針印出的n(橫)Xm(縱)個點陣組成字符圖形。顯然,點越多,印字質量越高,西文字符的點陣通常有5X7,7X7,7X9等幾種,若要打印漢字,至少要加密到16X16點陣或24X24點陣。值得注意的是，字符由nXm個點陣組成，并不意味著打印頭就裝有nXm根打印針。為減少打印頭制造的難度，串行點陣打印機的打印頭中一般只裝有一列m根打印針，每根針可以單獨驅動，印完一列后打印頭沿水平方向移動一步微小距離，n步以后，形成一個nXm點陣，照此逐個字符打印。針式打印機有單向打印和雙向打印兩種。針式打印機由打印頭與字車、輸紙機構、色帶機構及控制器四部分組成。圖9.8為針式印字機構原理圖。打印控制器與顯示控制器類似,主要包括字符緩沖存儲器、字符發(fā)生器、時序控制電路和接口電路四部分。主機將要打印的字符通過接口電路送到緩沖存儲器,在打印時序邏輯控制下,從緩存中順序取出字符代碼,對字符代碼進行譯碼,得到字符發(fā)生器ROM的地址,逐列取出字符點驅動打印頭,形成字符點陣。輸紙機構由步進電機驅動,每打印完一行字符,要按給定的要求走紙。色帶的作用是供給色源,如同復寫紙的作用一樣。打印過程中,色帶必須不斷移動,以改變其受擊打的位置。針式打印機中使用的多為環(huán)形色帶,它裝在一個塑料的帶盒內,色帶可以隨打印頭的動作自動循環(huán)。針式打印機打印時,驅動的僅僅是質量很小的打印針,慣性小,速度快。選字操作是全電子線路控制,所以選字時間很短。串行針式打印機的打印速度為每秒100個字符左右。彩色針式打印機的工作原理與單色的基本相同,僅是使用的色帶和色帶機構不同,色帶為四色帶,在一條色帶上平行地分為黑、藍、紅和黃4種顏色,打印時,色帶機構既要帶動色帶做單向循環(huán)移動,又要帶動色帶盒做上下位移,變換打印頭所接觸的色帶部位,從而打印出不同顏色。雖然色帶上只有4種顏色,但可打印兩次,從而可獲得7種顏色(黑、藍、紅、黃、紫、橙、綠)。（二）激光打印機1.激光打印機內部結構激光打印機的內部結構如圖9.9所示。其主要部件如墨粉、感光鼓(硒鼓)、顯影軋輥、顯影磁鐵、初級電暈放電極、清掃器等，都裝置在墨盒內。其中感光鼓一般是用鋁合金制成的一個圓筒，鼓面上涂敷一層感光材料(如硒—碲—砷合金)。激光發(fā)生器是激光打印機的光源，具有很好的單色性和方向性，可以聚焦成極細的光束。激光束通過掃描反射鏡反射到感光鼓上。打印的圖像形成于墨盒中央的感光鼓上,墨粉由顯影軋輥傳送到鼓上,再傳送到打印紙上,最后墨粉由定影軋輥熔融到打印紙上。打印紙從圖的右邊進入,從左邊輸出。感光鼓的直徑較小,要打印一頁紙,感光鼓必須轉動好幾圈。2.印字原理激光印字過程可分成六個步驟，以下參照圖9.10所示的印字過程示意圖進行介紹。(1)帶電(2)曝光(3)顯影(顯像)(4)轉印(5)定影(固定)(6)清除殘像（1）準備階段（充電）:通過電暈放電裝置對光導鼓表面均勻的充上一層正電荷。光導材料的內層感應出負電荷的電子。（2）照相階段（暴光）:當充有電荷的鼓面轉到激光束照射處時，便進行暴光。由于激光束已按字符點陣信息調制，使鼓面上不顯示字符的部分被光照射，而顯示字符的部分不被照射。（3）顯影階段:當載有靜電潛象的感光鼓面轉到顯影處時，磁刷中帶相反電荷的墨粉便按鼓面上靜電分布情況，被吸附在鼓面帶有電荷的部位，從而在鼓面顯影成可見的字符墨粉圖象。（4）轉印階段:墨粉圖象隨鼓面轉到轉印處，在紙的背面用轉印電暈放電，使紙面帶上與墨粉極性相反的靜電荷，于是墨粉便靠靜電吸引而粘附到紙上，完成圖象的轉印。（5）分離階段:在轉印過程中，靜電引力使紙緊貼鼓面。當感光鼓轉到分離電暈處時，用電暈不斷地向紙施加正、負電荷，消除紙與鼓面因正、負電荷所產生的相互吸引力，使紙離開鼓面。（6）定影階段:將分離后的紙送定影熱輥。墨粉中含有樹脂，紙接觸到熱輥時樹脂被加熱而熔化，使墨粉緊貼在紙上，同時使熱輥擠壓紙面。這樣，經過熱壓處理，圖象便牢牢地定影在紙上。（7）消電、清潔階段:完成轉印后，感光鼓表面還留有殘余的電荷和墨粉。當鼓面轉到消電電暈處時，利用電暈向鼓面施放相反極性的電荷，使鼓面殘留的電荷被中和掉。感光鼓再轉到清掃刷處，刷去鼓面的殘余墨粉。這樣，感光鼓便恢復原來的狀態(tài)，可開始新的一次打印過程。3．激光掃描系統(tǒng)半導體激光器產生一束激光，經過一組聚焦鏡和透鏡聚焦后，照在旋轉著的多面反光鏡上，使激光掃過感光鼓的表面。這套光學系統(tǒng)有運動部分,精度要求也很高，所以比較復雜。激光掃描系統(tǒng)使激光束由鼓面的左邊緣向右邊緣移動(即掃完一行)，當光束掃過鼓面時，半導體激光器中激光管不斷地開通或關斷:光束掃到要打印點的地方時，激光管開通；光束掃到非打印點的地方時(即空白處)，激光管關斷。激光束掃完一行后，感光鼓旋轉一個步距，同時，激光束又回到鼓面的左邊緣，開始新的一行掃描，使鼓面開始接受新的一行載有信息的激光束。4.激光打印機性能激光打印機輸出速度快，印字質量高，而且可以使用普通紙張。普通激光印字機的印字分辨率都能達到300DPI(每英寸300個點)或400DPI，甚至600DPI。激光打印機是非擊打式硬拷貝輸出設備，是逐頁輸出的,常用的輸出幅面為A4或A3。因此也將這一類設備稱為“頁式輸出設備”，而普通擊打式打印機是逐字或逐行輸出。頁式輸出設備的輸出速度用每分鐘輸出的頁數(shù)(pagesperminute，簡稱PPM)來表示。高速激光打印機的速度在100PPM以上，中速為30～60PPM。低速激光打印機的速度為10～20PPM，甚至10PPM以下。打印設備與計算機之間的接口比較簡單。分為串行接口和并行接口兩種。串行接口采用標準的RS—232接口，每次輸出一位數(shù)據(jù)。并行接口每次輸出一個字節(jié)數(shù)據(jù)。（三）噴墨打印機原理:噴墨印字機，是通過把很小的墨水滴噴射到打印紙上形成打印點來完成打印輸出功能的。噴墨打印機的噴墨技術有連續(xù)式和隨機式兩種，目前市場上流行的各種型號打印機，大多采用隨機式噴墨技術。而早年的噴墨打印機以及當前輸出的大幅面打印機采用連續(xù)式噴墨技術。1．連續(xù)式噴墨打印機工作原理圖9．11示出一種電荷控制式打印機的印刷原理和字符形成過程。主要由噴頭、充電電極、偏轉電極、墨水供應及過濾回收系統(tǒng)和相應控制電路組成。其工作原理如下:噴墨頭后部的壓電陶瓷受振蕩電脈沖激勵產生電致伸縮，使墨水斷裂形成墨滴而噴射出來，只要電脈沖存在，墨滴就能連續(xù)噴射出來。墨滴是不帶電的，在其前面設置充電電極，施加靜電場給墨滴充電，所充電荷的多少，由字符發(fā)生器控制，根據(jù)所印字符各點位置的不同而充以不同的電荷，充電電極所加電壓越高，充電電荷越多，墨滴經偏轉電極后偏移的距離也越大，最后墨滴落在印字紙上。圖9．10上只有一對偏轉電極，因此墨滴只能在垂直方向偏移。若垂直線段上某處不需噴點，則相應墨滴不充電，在偏轉電場中不發(fā)生偏轉而射入回收器中，橫向偏轉則靠噴頭相對于記錄紙作橫向移動實現(xiàn)。圖9.10(b)為墨滴落在紙上的順序(H字符)，字符由7X5點陣組成。有的噴墨打印機采用兩對互相垂直的偏轉板，對墨滴的印字位置進行二維控制。上面介紹的打印機只有一個噴頭，因此速度較慢。（1）在打印過程中,墨水滴是由噴墨頭連續(xù)提供出來的。墨水在墨水泵的高壓作用下進人噴墨頭,可以通過噴嘴提供出一束極細的高速射流,在噴墨頭后部有壓電陶瓷,它會在高頻震蕩器的作用下產生伸縮,從而可以使這束高速射流斷裂成均勻的墨水滴射流。（2）噴墨頭噴射出來的墨水滴進人充電電極區(qū),通過在充電電極板上施加的靜電場使墨水清充電；要不要充電,充上多少電荷,由充電電極上所加電壓決定,充電電極上所加電壓又受字符發(fā)生器的控制。（3）充電電極之后是偏轉電極板,其上接有恒定的高壓,用于控制充上一定電荷量的墨水滴在垂直方向上的偏轉距離,即墨水滴噴射到打印紙在垂直方向上的位置。水平方向的位置控制是通過移動噴墨頭完成的。墨水滴在垂直方向上的偏轉距離,取決于墨水滴的充電量,充電量越多,偏轉的距離就越大,不充電則不偏轉,不偏轉的墨水滴被回收槽擋住,不會射到打印紙上。充電電極直接在字符發(fā)生器的控制下,依據(jù)要打印的點在縱向點陣中的位置,或該位置上沒有打印點,確定向充電電極提供多高的電壓或0電壓,以決定為墨水滴的充電量,從而控制該墨水滴射向打印紙上確定的位置。（4）墨水循環(huán)流動系統(tǒng)由墨水泵、墨水容器、墨水過濾器、墨水回收器和管道等組成。其中的墨水泵，多級的粗、細過濾器，噴射嘴的正常工作是很重要的。優(yōu)點:打印速度較快，打印質量較高，噪音很低，價格不高等優(yōu)點而得到廣泛應用，在支持彩色打印的設備中占有重要地位。2.隨機式噴墨打印機工作原理這種系統(tǒng)供給的墨滴只在需要印字時才噴出，因此不需要墨水循環(huán)系統(tǒng)，省去了墨水泵和收集槽等。與連續(xù)式相比，噴墨機構簡單、價廉，可靠性高。為提高印字速度，這種印字頭采用單列、雙列或多列小孔，一次掃描噴墨即可打印出所需的字符或圖像。產生墨滴的機構，可采用不同的技術，流行的有壓電式和熱電式。(1)壓電式噴墨技術有壓電管型、壓電隔膜型和壓電薄片型等多種。其機械結構雖不同，但有共同的特點，即加高電壓脈沖于墨水壓電換能器上，使墨水受力，生成墨滴并噴出，完成印字過程。噴出的墨滴是不連續(xù)的，墨滴的發(fā)生頻率最大可超過10KHz。圖9.12(a)和(b)分別為壓電管型噴墨機構和噴嘴結構示意圖，今以它為例來說明噴墨技術的工作原理。這種噴墨機構由印字頭組件、印字頭車架和墨水盒等組成。在印字頭組件中，可容納幾個到幾十個噴嘴。其單個噴嘴的結構如圖9.12(b)所示，由壓電管、墨水管道和噴嘴組成。(2)熱電式噴墨技術熱電式，也稱氣泡式，其換能元件為加熱器件，可采用電阻。圖9.13說明氣泡式墨滴的生成過程。3.噴墨打印機的消耗晶及輔助裝置噴墨打印機所選用的墨水