第八章、输入输出设备

第八章、输入输出设备

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原著谭志虎主讲 (改编 ) 蒋文斌

计算机组成原理 Slide 2

本章主要内容外围设备概述 I/O 接口输入设备输出设备


外围设备概述

外围设备所处的层次外围设备功能定义外围设备分类

外围设备所处的层次

主机

外围设备

CPU

运算器

控制器

存储器

输入设备

输出设备

系统总线


外围设备功能定义广义 : 凡与计算机相连、受主机控制完成数据处理或控制

操作的装置都可称外围设备。输入输出设备，外存储器，数据通讯设备，终端设备，以及

计算机自动控制、检测系统中的各种采样、检测设备， A ／D 和 D ／ A 转换器，各种与计算机相关的仪表及装置。

狭义 : 仅指输入输出设备和外存储器，它们是只用于输入输出数字信息的、构成计算机系统必不可少的设备。

外围设备又称外部设备，


外围设备特点由信息载体 , 设备和设备控制器组成 ; 工作速度比主机慢很多 ; 不同设备的信息类型和格式不同 ;

以上这些特点给主机与输入输出设备的连接带来复杂性。因此，必须设置一个 1 ／ O 接口来解决信息的缓冲、同步与通讯，格式的转换及电气特性的适配等一系列问题。


外围设备分类输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、手写笔输出设备：显示器，打印机，绘图仪；输入兼输出设备：终端，传真机；外存储器：磁盘，硬盘、磁带、光盘；数据通讯设备： FAX ， MODEM ；过程控制设备： A/D ， D/A ，传感器，仪表。


I/O 接口 I/O 接口定义 I/O 接口功能 I/O 接口组成


输入输出接口接口是指两个不同部件或系统之间的交接部分。它

既可以是两种硬件设备之间的连接电路，也可以是两个软件之间的共同逻辑边界。

I/O 接口是指计算机主机与 I/O 设备之间通过总线进行连接的逻辑部件，接口部件在动态连接的两个部件之间起着转换器的作用，以实现彼此之间的信息交换。


I/O 接口功能选址传送主机命令数据传送和格式转换数据缓冲监控设备状态


接口

数据缓冲寄存器 DBR

主

机

设备选择电路

设备状态寄存器

命令寄存器

数据模式转换电路

控制逻辑电路

数据线数据线

地址线

状态线

命令线状态

命令I/O

设备

I/O 接口组成


I/O 接口分类串行接口并行接口


输入设备输入设备定义及分类键盘鼠标数码相机


输入设备定义及分类输入设备是指向主机输入程序、原始数据和

操作命令等信息的设备。输入设备将各类信号变换成主机能识别的二

进制代码，并负责送到主机。字符数字输入、图形输入、图象输入、声音输入


键盘


键盘 ---字符数字输入设备键盘结构的关键是如何将键盘上的按键动作转换成相应的 ASCll码。由于按键开关本身只能产生一个开关信号，因此，需要有一套编码电路或程序，将某个按键的开关信号转换成相应的 ASCll编码。


键盘组成

按键开关的种类很多，其原理也不尽相同，但是基本上可归为两类：接触式和非接触式键开关


键盘开关接触式键开关借助机械簧片，直接使两个导体接通或断开，从而产生电信号；

机械接触式干簧管式薄膜式键开关非接触式键开关利用电磁场或电压、电流的变化而产生输出信号。

电容式键开关霍尔式键开关


键盘开关矩阵+5V

并行端口

并行端口


键盘分类按键盘编码的功能和实现方法进行分类

全编码键盘非编码键盘


常用扫描方法行反转扫描法行扫描法行列扫描法


道格恩格尔巴特

显示系统 X-Y 位置指示器


鼠标


鼠标分类机械式鼠标光电式鼠标光学式鼠标


鼠标

一种手持式坐标定位部件。1968年，鼠标诞生于美国加州斯坦福大学，设计鼠标的初衷就是为了使计算机的操作更加简便，来代替键盘那繁琐的指令。


机械式鼠标

滚球

垂直轴

水平轴

支撑轮

垂直轮

水平轮

转角计数

转角计数


光电鼠标内部只有两对互相垂直的光电检测器，光敏三极管通过接收发光二极管照射到光电板反射的光进行工作光电板上印有许许多多黑白相间的小格子，光照到黑色的格子上，由于光被黑色吸收，所以光敏三极管接收不到反射光；相反，若照到白色的格子上，光敏三极管可以收到反射光，如此往复，形成脉冲信号。需要注意的是光电鼠标相对于光电板的位置一定要正，稍微有一点偏斜就会造成鼠标器不能正常工作。


光学式鼠标新型的光学式鼠标器不需特殊鼠标垫板，克服了鼠

标垫板易磨损的缺陷采用了新的光学技术—光眼 (Optical Sensor) 光电感应装置每秒发射和接收 1500 次信号，再配合 18MIPS(每秒处理 1800万条指令 ) 的 CPU，实现精准、快速的定位和指令传输


轨迹球

外观上看就像是翻转过来的机械鼠标，用手拨动轨迹球来控制光标的移动。


按照鼠标的接口分类。串口、 PS/2 口、 USB口和wireless。

鼠标接口


一种能够进行拍摄，并通过内部处理把拍摄到的景物转换成以数字格式存放的图像的特殊照相机。

数码相机用快门来激活包含光敏栅格的电荷耦合器件传感器（CCD）。栅格由许多单元（也叫做像素）组成，它们把光信号转换成电信号。

传统基于胶片的相机其分辨率是无穷的，而数码相机的分辨率则是有限的。传统相机的使用成本较高。

数码相机


数码相机组成 CCD A/D 转换器 MPU(微处理器 ) 图像存储器


各种存储器实物图


输出设备输出设备定义打印机显示设备


输出设备输出设备将计算机处理过的二进制代码信

息，转换成人们能识别的形式，如数字、符号、文字、图形、图像或声音等输出，供人们分析和使用。

常用输出设备有打印机及 CRT显示器。


打印设备


打印设备分类（印字原理）击打式利用机械作用使印字机构与色带和纸相撞击而打印字符。

串行、并行点阵针式、字模式

非击打式利用电、磁、光、喷墨等物理、化学方法印刷字符。

喷墨激光热转印


打印设备分类（工作方式）串行打印机 ------ 逐字打印

针式点阵式打印机，喷墨打印机并行打印机 ------ 逐行 /页打印

激光打印机


点阵式打印机


点阵式印字原理点阵式印字是采用打印钢针撞击色带与纸，印出点阵字符。它的印字机构，又称打印头，装有排列整齐的一列或两列打印钢针，每根钢针带有电磁铁，受驱动电流控制。

打印头安装在字车上，字车由驱动机构牵引，可沿水平方向移动。


点阵式串行打印机的组成印字机构（又称打印头）、字车机构、输纸机构、色带系统控制电路字符发生器


激光印字机又称激光印刷机，一种非击打式高速印字机。激光扫描技术和电子照像技术结合的产物

激光扫描系统、电子照像部分、字符发生器控制电路


激光印字机

反射镜激光器

声光偏转调制器

充电器

消电灯清洁锟

硒鼓预热板

转印电极定影辊

输纸

聚焦镜多面转镜

功率放大器

频率合成器

字符发生器接口控制器计算机


激光印字机工作过程充电→曝光→显影→转印→定影→消电→清洁核心部件硒鼓（具有光敏特性的滚筒装置）


激光印字机工作过程充电：硒鼓首先在黑暗中充电，使得硒鼓表面沉积一

层均匀的电荷曝光：根据控制电路输出的字符信息，对激光器进行调制，控制激光的扫描，扫描时激光在硒鼓表面有选择的曝光，曝光部分产生放电现象，未曝光部分仍然保留电荷。形成静电潜像。

显影：静电潜像通过装有碳粉的显影器，碳粉事先充有相同电荷，这样硒鼓上没有电荷的地方就会吸附碳粉，形成影像，达到显影的目的


激光印字机工作过程转印：当打印纸通过硒鼓时，在打印纸的背面加上反向的静电电荷，将硒鼓上的碳粉吸附到纸张上，这就是转印的过程。

定影：带有碳粉的纸张通过加热的定影辊，碳粉融化，永久粘附在纸张上。

消电：消电灯照射硒鼓，消除残余电荷。清洁：清除硒鼓上的残余碳粉。


显示设备显示设备基本概念显示设备分类 CRT显示器基本原理字符显示器图形显示器平板显示器


基本概念图形

早期的图形是指没有亮暗层次变化的线条图。如电路图、机械图、印制板图、建筑图等。它是一种二值化的线条图，要么是一条明亮的线，要么就不显示，看到的只是屏幕底色。目前，图形也可以有颜色、亮暗层次的变化，表现的内容更加丰富。

图像图像是一种具有亮暗层次变化的图。如人物、景物照片

等。经计算机处理与显示的图像称为数字图像。它是将图片上连续的亮暗变化变换成离散的数字量，以点阵的形式显示出来。


像素在图像处理时，将组成图像的各点按几何位置排列成矩阵，矩阵中的每个元素称为像素（或称像元）实际上就是显示屏上不可再小的光点。

分辨率显示器所能表示的像素的个数。它取决于显像管荧光粉的粒度、荧光屏的尺寸、 CRT电子束的聚焦能力以及刷新存储器的存储容量。分辨率一般以显示屏上水平方向像素个数 /垂直方向像素个数来表示。如某显示器的分辨率为 640X480 ，则表示该显示器水平方向有 640 个像素，垂直方向有 480 个像素。


灰度级灰度级是像素点的亮度值，在彩色显示器中表示颜色的差别。灰度级取决于每个像素对应刷新存储器中存储单元的位数和 CRT本身的性能。如位数为 4，则有 16级灰度或颜色。若位数为 8 ，则有 256级灰度或颜色。


微型计算机显示子系统显示控制适配器（显卡）主要功能是控制光栅的产生及主机与显示器之间数据的暂存和传

送等，显卡的性能直接影响到显示的效果。

显示缓冲区（显存）字符发生器显示控制器显示器


显示缓冲区 (VRAM)

存放屏幕上需要显示的字符或者图形的全部信息字符显示模式： VRAM 中存放欲显示字符的两个字节代码一个就是欲显示字符的 ASCII代码本身另外一个是该字符的属性，表示颜色，亮度等图形显示模式 VRAM 中存放每一个像素点的颜色信息


1．MDA单色显示器适配器 MDA 是 1981年由 IBM公司随 IBM PC一起推出，是一种字符

显示卡。它采用 9×14点阵显示一个字符，满屏可显示 80 列× 25 行字符，其分辨率为 720×350 个像素。字符显示的质量较高，但不能兼容图形方式。

2． CGA彩色图形适配器 CGA 兼容图形和字符两种方式。在字符方式下，每个字符采用

8 × 8 点阵显示，显示的质量不如 MDA ，但字符本身及其背景可以选择 16 种颜色。在图形方式下，分辨率为 640×200 ，显示 2 种颜色或 320× 200 ， 4种颜色。


3．MGA单色图形适配器一 MGA 可显示单色图形或字符，分辨率为 720×350 个像素。它用

于那些不需彩色图形的场合，以降低硬件开销。

4． EGA增强型图形适配器 EGA 兼有 MDA 和 CGA 的优点，并增加了一些显示功能。字符方式下，采用 8 ×14点阵显示一个字符，显示质量优于 CGA 。图形方式下，其分辨率为 640×350 ，显示 16 种颜色。经改进后的 EGA ，其分辨率达 640 × 480．或 800 × 600 。


5.VGA视频图形阵列 VGA 是 IBM公司 1987年推出的。它的主要特点是在微型机的基

本显示系统中采用模拟量输入，使显示的颜色更加丰富和逼真。 VGA 在字符方式下以 9 ×I6 点阵显示字符，质量好于 EGA ，图形方式下，其分辨率为 640×480 ，显示 16 种颜色或 320×200 ，256 种颜色。

6． SVGA超级 VGA SVGA改进了 VGA 标准，增强了 VGA 功能。它的分辨率为 800×6

00 、显示 256 种颜色。7. XGA 1024 ×768 SXGA 1280 ×1024 UXGA 1600 ×1200


显示设备分类按器件分

阴极射线管 (CRT) 显示器液晶显示器 (LCD) 等离子体显示器

按显示信息内容分字符（字符为基本单位）图形（像素）

按显示颜色分单色彩色（三枪显管）


光栅扫描成像原理

荧光屏

电子枪

聚焦系统

水平偏转

垂直偏转

显示头


CRT显示器组成及工作原理

计算机

I/O接口刷新存储器 RAM

字符发生器 ROM 键盘写入

视频放大

定时及控制水平垂直偏转

CRT管

视频信号

同步扫描信号


光栅扫描方式

1

2

3

4

5

1'

2'

3'

4'

5'

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1'

2'

3'

4'

5'

6'

7'

8'

9'

10'

(a) 逐行扫描 (b) 隔行扫描


字符显示器以字符为基本单位的显示设备每个字符以点阵的形式显示，与打印机原理类似点阵是m*n个点构成的阵列所有需要显示的字符的点阵都固化在字符发生器显示时根据 ascii码到字符发生器中寻找点阵逐列进行显示

A 编码 N 编码 D 编码

VRAM

A 点阵 B 点阵 C 点阵 D 点阵

N 点阵

ROM 屏幕

移位寄存器

并行串行

AND


图形显示器以像素为基本单位的显示设备每个像素可以有其颜色光栅扫描


VRAM 容量计算字符显示方式与显示字符的行列数有关若显示规格为 25 行×80 列，屏幕上需要显示 =25*80=2000 个字符如每个字符需要 2 个字节表示，则 VRAM需要 4000byte


VRAM 容量计算图形显示方式与显示分辨率相关若显示分辨率为 1024*768 ， 32位真彩，每个像素用 32位表示其颜色，

VRAM 容量为 1024*768*4=3Mbyte 如果 VRAM固定，颜色和分辨率的关系？


平板显示器 CRT显示器采用电子束发射、聚焦、偏转机构等使得

它体积大、功耗高且很重，不便于携带。近年来，随着便携计算机的迅速发展，对薄型、轻量显示器的需求增加，各种平板显示技术相继出现。如

液晶显示器（ LCD）、电致发光显示器（ ELD）等离子显示器（PDP）、电致变色显示器（ ECD）


液晶显示器特点可以用低电压驱动（ 1.5~2V）；功耗极低，仅为 µW级；与大规模集成电路连接性能好，可在 LCD周围生成驱动电路；

可制成薄型平板结构，重量轻；具有防爆性能。

第八章、 输入输出设备

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第八章、输入输出设备