湘潭大学第10章输入输出(IO)设备

1、第10章输入输出设备10.1 外部设备概述l主机以外的大部分硬设备都称为外部设备或外围设备，简称外设。l输入输出设备l外存储器l脱机输入输出设备l等l外部设备在计算机系统中所占的比重越来越大。外部设备呈现多样化、智能化、功能复合化、高可靠性特点。以键盘输入和显示器输出相结合的终端设备。光栅扫描的CRT/液晶显示器得到普遍应用，成为计算机系统中最基本的I/O设备。各种方便实用的文字处理设备，精密灵巧的绘图仪、打印机，在办公室自动化等系统中起了重要作用。人类将最终通过“能听会说”，“能读会写”的外部设备，使智能计算机成为现实。l外设品种增加，功能完善，结构复杂，制造成本昂贵。一台外设要有精密的机械

2、、电子、光学装置相配合，仅仅是外设的控制逻辑也比较复杂。l下表列出当前常用的一些I/O设备。表 常用的一些I/O设备输入设备：键盘图形输入设备(鼠标器、图形板、跟踪球、操纵杆、光笔)图象输入设备(数码摄象机、数码照相机、扫描仪、传真机)条形码光学字符识别语言与文字输入输出设备：显示器(字符、图形、图象、汉字)打印设备(点阵式打印机、激光打印机、喷墨打印机)绘图机(平板式、滚筒式)语音输出其它：终端设备(键盘显示器)汉字处理设备数模、模数转换多媒体脱机输入输出设备(软磁盘数据站)10.2 输入设备 一、键盘概述 二、键盘工作原理 三、PC系列机键盘接口 四、键盘中断与键盘I/O 五、鼠标接口一、

3、键盘概述 主 键 区 功 能 键 区光标/数字复合键区光标控制键区(二)、键盘的分类1按键的形式分类最常用的是机械式和电容式键盘，其按键结构原理如下图。2按插口方式分类 按照键盘插口方式，键盘可分为AT键盘(大口)、PS/2键盘(小口)、USB接口三类。AT和PS/2接口引脚及功能说明如下图。AT和PS/2键盘插座示意图及各引脚功能3、按编码分类 分为编码键盘和非编码键盘。 (1)编码键盘编码键盘带有必要的硬件电路，能自动提供按键的ASCII编码，并能将数据保持到新按键按下为止。需要去抖动和防止多键、串键等保护装置。特点：编码键盘软件短，但硬件电路复杂，价格较贵。 (2)非编码键盘它是按行、列

4、排列起来的矩阵开关，其它的工作如识别键、提供代码、去抖动等均由软件来解决。为了降低成本，简化硬件电路，大多采用非编码键盘。 下面仅介绍非编码键盘的接口电路。二、键盘的工作原理特点：简单，当键盘多时，引线多 独立连接的键盘如下图。 当按键数较多时，采用矩阵结构的键盘。16个按键的键盘如下图。 以上图的4*4=16个键的键盘为例，说明：矩阵结构的非编码键盘如何识别被按下的键。如何产生相应的键值。如何消除键抖动。 识别被按下按键的方法有：行扫描法、线路反转法和行列扫描法。 (1)行扫描法工作原理：第1步判断是否有键按下，即先进行全扫描，将所有行线置成0电平，然后读入全部列值，如果读入的列值全是1，则

5、说明没有键 按下；如果读入的列值不全是1，则说明有键按下。第2步确定哪一个键按下：一旦发现有健按下，转入逐行扫描的办法来确定是哪一个键按下。先扫描第一行，即该行上加0电平，然后读入列值。哪一列出现0值，则说明与那一列跨接的键被按下了。如果读入的列值全是1，说明该行没有键按下，接扫描第二行。以此类推，逐行扫描，直至发现非全1的列值，就能找出被按下的键。 举例说明。(2)行列扫描法 行列扫描法的基本原理如下图。8*8键开关阵列3-8译码器多路选择器六位计数器时钟中断请求停止+5V2、PC系列键盘工作原理 采用16行*8列的2维矩阵行列结构。 采用行列扫描法识别按下的按键。 键盘扫描控制电路如下图。

6、8048和键盘接口的连接图和键盘接口的连接图3、键盘接口电路 系统板上的键盘接口电路如下图。AT键盘控制电路键盘控制电路“h”键的键码23的串行数据图键盘信号的传递转换示意图10.3 显示设备l以可见光的形式传递和处理信息的设备叫显示设备。l所有的计算机系统都离不开它。10.3.1 显示设备分类v按显示设备所用的显示器件分类v阴极射线管CRT(Cathode Ray Tube)显示器、v液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)v等离子显示器等。v液晶和等离子显示器是平板式显示器，它们的特点是体积小、功耗少。v按所显示的信息分类v字符显示器v图形显示器v图象显示器v按显示

7、设备的功能分类v普通显示器(监视器)。显示器的功能简单，它只能用于接收视频信号，显示器的控制逻辑和存储逻辑都在主机接口板上。v显示终端。终端是由显示器和键盘组成的一套独立完整的输入/输出设备，它可以通过标准通信接口接到远离主机的地方使用。v终端的结构比显示器的结构复杂得多，它能够完成显示控制与存储，键盘管理以及通信控制等功能，还可以完成简单的编辑操作。v在使用CRT的显示设备中，以扫描方式分v光栅扫描v随机扫描v以分辩率不同分成v高分辩率显示器v低分辩率显示器阴极射线管显示器 成像原理通过电子束撞击荧光板上的荧光粉，发光产生亮点 基本组成电子枪、显示屏和偏转控制装置（见下页图） 相关术语分辨率

8、 沿水平和垂直两个方向把屏幕分成许多小的区域，一个小的区域对应一个发光点（称为象素），一个屏幕上所提供的全部象素的数目被称为分辨率 扫描 电子束在显示屏上按某种轨迹运动被称为扫描，控制电子束扫描轨迹的电路被称为扫描控制逻辑部件。 光栅扫描：电子束从左到右，从上到下扫描整个屏幕（隔行扫描和逐行扫描）。 随机扫描：电子束只扫描需要显示的点，而不是整个屏幕。刷新 余辉时间：电子束打在荧光粉上发出的光的所持续时间。 为了得到稳定的图象，需要重复扫描整个屏幕（每秒50场）。 帧存储器：为了重复扫描，需要存储屏幕字符或者图象信息。灯丝灯丝阴极阴极聚焦极聚焦极石墨层石墨层荧光屏荧光屏显示屏显示屏阳极帽阳极帽

9、偏转线圈偏转线圈栅极栅极阳极阳极电子枪电子枪电子束电子束阴极射线管的构成和工作原理字符显示的一般原理 为有效地提供屏幕上要显示的内容，字符显示器内有一个显示存储器VRAM，用于保存将显示在整个屏幕的全部字符。 显示存储器中保存的是这些字符的ASCII码和显示属性，每个字符都配有一个属性字节，用来描述字符的显示属性，即字符的颜色、亮度、是否显示等等。 显示存储器是一个可读写的存储器，被显示的字符将由计算机主机以两个字节（ASCII码和显示属性）的方式提供并写进该存储器中，由显示器的控制逻辑按需要从中读出准备显示的一个字符的ASCII码的字节值和显示属性的字节值。 字符发生器，就是用于保存每个可显

10、示字符字形的点阵数据的逻辑部件，通常是一个只读存储器（ROM），如果每个字符的字形用7（横向）9（纵向）的点阵表示，则每个字符字形的点阵数据要占用9个存储器字节（横向的7个点的布局用一个字节表示）。 字形的产生过程0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 00 1 0 00 1 0 10 1 1 01 1 1 10 1 1 10 0 1 110H28H44H82H82HFEH82H82H00H字符字符发生器发生器( R O M )ASCIIASCII字符代码字符代码84RA3 - RA0(a)(a) “ “ A A ”的点阵表示的点阵表示(b)(b)字符发生器的结构字符发生器的结构( (来自

11、来自VRAM)VRAM)( (来自光栅地址来自光栅地址计数器输出计数器输出) )RA3 -RA0D7D0D7D0ASCIIASCII代码代码(41(41H H) )指向这个字形指向这个字形移位移位寄存器寄存器S L字符字符发生器发生器( ROM)加载控制加载控制水平消隐水平消隐行间消隐行间消隐垂直消隐垂直消隐水平同步电路水平同步电路垂直同步电路垂直同步电路点振荡器点振荡器点计数器点计数器水平地址计数器水平地址计数器光栅地址计数器光栅地址计数器垂直地址计数器垂直地址计数器定时控制定时控制电路电路垂直同步信号垂直同步信号水平同步信号水平同步信号字符时钟字符时钟代码代码控制控制OSCVRAM1918

12、0+1819+5125+1视频视频信号信号RA3 - RA0字符显示的一般原理CRT图形显示器 大的VRAM存储点阵属性分辨率：1024*768，真彩色，1024*768*3Byte=2.3MB 高速总线50场/秒，带宽为2.3*50MB/s=115MB/s需要连接PCI总线 专用接口分辨率更高的图形设备将采用专用接口液晶显示器 显示原理利用液晶的光学特性平板后面设置光源通过液晶改变透射光的偏振性（从水平到垂直）电场控制 特点平板显示，不需要高压电，移动方便无辐射价格较高光线扭转的光线液晶分子电极(b) 不透光状态(a) 透光状态(偏震光被扭转 90 度)偏光镜横向排列垂直排列纵向排列偏光镜电

13、极玻璃面板玻璃液晶显示器等离子显示器 成像原理利用惰性气体在一定电压作用下产生气体放电的特性产生紫外线，紫外线激发荧光粉发光在玻璃板之间隔开成象素，每个象素点内有惰性气体和三色荧光粉，用电极控制 特点易于实现大画面显示全色显示，色纯度与CRT相当视角达160度寿命长功耗大、成本高、对比度差。2、分辩率和灰度级 分辩率指的是显示设备所能表示的象素个数。象素越密，分辩率越高，图象越清晰。显示器的分辩率取决于显象管荧光粉的粒度、荧光屏的尺寸和CRT电子束的聚焦能力。同时刷新存储器要有与显示象素数相对应的存储空间，用以存储每个象素的信息。 一般显示器的长宽比为4:3，否则看起来就会失真变形。知道了间距

14、和分辩率，就知道了显示长度和高度。 灰度级指的是所显示象素点的亮暗差别，在彩色显示器中表现为颜色的不同。灰度级越多，图象层次越清楚逼真。灰度级取决于每个象素对应刷新存储器单元的位数和CRT本身的性能。如果用4位表示一个象素，则只有16级灰度级或颜色，如果用8位表示一个象素，则有256级灰度级或颜色。 分辩率和灰度级是显示器的两个重要技术指标。3、刷新和刷新存储器 CRT器件的发光是由电子束打在荧光粉上引起的。电子束扫过之后，其发光亮度只能维持短暂一瞬间便消失。为了使人眼能看到稳定的图象，就必须在图象消失之前使电子束不断地重复扫描整个屏幕。这个过程叫做刷新。每秒刷新的次数称为刷新频率。一般刷新频

15、率应大于30次/秒，人眼才不会感到闪烁。显示设备中通常选用电视中的标准，每秒刷新50帧(FRAME)图象。 为了不断提供刷新图象的信号，必须把图象存储起来，存储图象的存储器叫刷新存储器，也叫“帧存储器”或“视频存储器”VRAM。 刷新存储器的容量由图象分辩率和灰度级决定。分辩率越高。灰度级越多，刷新存储器的容量越大。如分辩率为512*512，256级灰度的图象，存储容量为512*512*8=256KB。刷新存储器的存取周期必须满足刷新频率的要求。容量和存取周期是刷新存储器的两个重要技术指标。4、随机扫描和光栅扫描 电子束在荧光屏上按某种轨迹运动称为扫描。控制电子束扫描轨迹的电路叫扫描偏转电路。

16、扫描方式有两种：随机扫描和光栅扫描。 随机扫描是控制电子束在CRT屏幕上随机地运动，从而产生图形和字符。电子束只在需要作图的地方扫描，而不必扫描整个屏幕，所以这种扫描方式画图速度快，图象清晰。高质量的图形显示器(如4096*4096)使用随机扫描方式。但由于这种扫描方式的偏转系统与电视标准不一致，驱动系统复杂，价格较贵。 光栅扫描是电视中采用的扫描方式，要求电子束扫过整个屏幕。光栅扫描是从上至下顺序扫描，采用逐行扫描和隔行扫描两种方式。逐行扫描就是从屏幕顶部开始一行接一行地扫描，一直到屏幕底，反复进行。电视系统采用隔行扫描，它把一帧图象分为奇数场和偶数场，奇数行构成奇数场，偶数行构成偶数场。我

17、国电视标准是625行，奇数场和偶数场各312.5行。扫描顺序是先偶数场，再奇数场，交替传送，每秒显示50场。10.3.3 字符显示器及举例 对不同的计算机系统，字符显示器的组成有所不同。在中大型的计算机系统中，为了不影响主机的数据处理能力，显示器作为终端设备独立存在，并通过标准的串行接口与主机连接。在微型机系统中，显示输出和键盘输入分别接入系统(两个独立的设备)，显示系统由插在主机中的显示控制板和显示器两部分组成。本节以IBM PC机单色字符显示系统为例，说明字符显示器的工作原理。1、字符显示原理 光栅扫描显示器显示字符的方法是以点阵为基础的。这种方法将字符分解成m列*n行个点组成阵列，将点阵

18、存入由ROM构成的字符发生器中，在CRT进行光栅扫描的过程中，从字符发生器中依次读出点阵，按照点阵的0和1控制扫描电子束的开关，就可以在屏幕上组成字符。 点阵的多少取决于显示字符的质量和字符块的大小。字符块(字符窗口)指的是每个字符在屏幕上所占的点数，它包括字符显示点阵和字符间隔。在IBM PC系统中，屏幕上共显示80列*25行=2000个字符，字符窗口数目为80*25。在单色字符方式，每个字符窗口为9*14点阵，字符为7*9点阵。如下图。图10.2 字形的产生 对应于每个字符窗口，所需显示字符的ASCII码被存放在视频存储器VRAM中，因此应有2000个单元存放字符信息。字符发生器ROM的高

19、位地址来自VRAM的ASCII码，低位地址来自称为光栅地址计数器的输出RA3RA0，它具体指向这个字形点阵中的某个字节。在显示过程中，按照VRAM中的ASCII码和光栅地址计数器访问ROM，依次取出字形点阵，就可以完成一行字符的输出。 下图是字符显示器的原理框图。其中虚框中为定时控制电路。在IBM PC机中，定时控制电路已由专用的CRT控制芯片MC6845实现。图10.6 字符显示的一般原理图 定时控制电路的核心是点计数器、水平地址(字)计数器、光栅地址(行)计数器和垂直地址(排)计数器四个计数器，由它们来控制显示器的逐点、逐字、逐行、逐屏幕的刷新显示。 点振荡器输出16.257MHz的点时钟

20、，用来控制字符发生器中每行9个点依次移位输出。点计数器对点时钟9分频，输出的字符时钟是显示控制器的定时信号，同时它也控制移位寄存器的加载(移位寄存器S端为移位控制端，L为并行输入加载控制端)。当一个字符的9个点输出结束以后，输出下一个字符中同一行的9个点。水平地址计数器对一行的显示进行控制，送出当前要显示的这一行字符的VRAM地址。每行有效显示80个字符。 当光栅从一行的结束回到另一行开始时，在屏幕上不应该显示，这一段称为水平回扫消隐期，在水平消隐期间产生水平同步信号，输出到显示器，水平消隐信号同时控制移位寄存器不要加载。水平消隐期共占用18个字符时钟的时间。 光栅地址计数器对字符窗口的高度进

21、行控制。因为字符窗口的高度为14，但字符点阵高度为9，行间隔为5个点阵，它控制一行字符的9行点阵逐行输出，并在最后5行进行行间消隐。垂直地址计数器控制一屏幕25行字符的显示，与水平回扫类似，当光栅到达屏幕底部时，需要回到屏幕顶部，这一过程称为垂直回扫，垂直回扫需要一行的时间，并向显示器输出垂直同步信号。回扫期间同样需要消隐，垂直消隐命令控制移位寄存器不要加载。 视频存储器VRAM的地址由水平地址计数器(列地址)和垂直地址计数器(行地址)决定，VRAM输出的ASCII码作为字符发生器ROM的高位地址，ROM的低位地址来自光栅地址计数器。ROM的输出在L信号的控制下并行加载到移位寄存器，然后在点时

22、钟控制下移位输出形成视频信号，输出到显示器。显示器在水平同步、垂直同步和视频信号的控制下，连续不断地进行屏幕刷新，就能保证稳定而不消失的字符图象。10.3.4 图形与图象显示、图形显示设备 图形显示器最初是为显示线条图形而设计的。计算机产生图形的方法有两种，一种称为矢量法(画线法)。任何形状的一条曲线或直线都可以由许多根首尾相接的短矢量进行逼近。只要线段(短矢量)足够短，看起来就是很平滑的曲线。这种方法使用的扫描方式是随机扫描，所用的显示器件为刷新式显象管(即需要刷新的普通CRT)或存储管(不需要刷新的特殊显示器件)。据此，有随机扫描刷新型和随机扫描存储型两种图形显示器。 另一种称为光栅扫描图

23、形显示器，是当今应用最多的显示器。 光栅扫描显示器的特点是对应于屏幕上每个像素的信息都用存储器存起来，然后按地址顺序逐个地刷新显示在屏幕上。其硬件结构如下图。图 光栅扫描图形显示器的硬件结构 这里有两个存储器，一个称作程序段缓冲存储器，另一个是刷新存储器。程序段缓存中存储由计算机送来的显示文件和交互式图形操作命令，如局部放大、平移、旋转、比例变换等。这些操作在显示器的控制部件中完成比在主机中用软件实现效率要高得多。 刷新存储器中存放了一帧图形的形状信息，和屏幕上的象素一一对应，如屏幕的分辩率为1024*1024个象素，刷新存储器就要有1024*1024个单元；屏幕上象素的灰度级为256级，刷存

24、中每个单元的字长是8位。因此刷存的容量直接取决于显示器的分辩率和灰度级。 光栅扫描显示器的最大优点是通用性强，灰度层次多，色调丰富，显示复杂图形时无闪烁现象；所产生的图形可以有隐藏面消隐、阴影效应和涂色等功能。光栅扫描图形显示器的出现使得图形学的研究领域从简单的线条图扩展到绚丽多彩、形象逼真的各种立体及平面图形，从而扩大了计算机图形学的应用领域。打印机 计算机最基本的输出形式之一，可将打印在纸上的信息长期保存。打印设备按印字方式分类：击打式：通过印字的机械装置撞击色带以便把字形染印在纸上，速度慢，噪声大，打印质量一般。 点阵针式、字模式非击打式：通过静电、喷墨等非机械撞击方式完成在纸上着色，打

25、印速度快，噪声低，印字质量高 喷墨、激光、热转印 打印设备与计算机主机的连接方式串行接口、并行接口、USB接口 3种常用的点阵式打印机的组成机构和他们的打印过程。针式打印机 打印原理用钢针或钨铼合金针撞击色带，将色带的颜色印到打印纸上，完成一个点的输出，完成全部点阵后输出完毕。 基本组成打印头、输纸机构、色带机构及打印控制器打印控制器包括字符缓冲存储器、字型发生器、时序控制电路和接口电路四部分。 输出过程字车将打印头横向移动到打印起始位置。取出输出对象点阵的第一列，驱动打印针撞击色带。字车移动一小格，输出下一列，直到本行输出完毕。回车。输纸机构进纸。输出下一行。针式打印机构造打印纸打印纸导轨导

26、轨打印针打印针永磁铁永磁铁 铁芯铁芯衔铁衔铁 线圈线圈色带色带色带保护片色带保护片滚筒滚筒螺管式电磁铁打印针打印针电磁铁线圈电磁铁线圈衔铁衔铁壳帽壳帽外壳外壳导轨导轨弹簧弹簧针式打印机打印字符“E”的过程针式打印机和CRT字符显示器工作原理比较 CRT字符显示器使用电子束撞击荧光粉产生发光点，针式打印机是用打印针撞击色带产生印染点； CRT字符显示器以整屏信息为单位连续扫描以维持稳定的显示画面，故它需要有显示存储器VRAM，而针式打印机接收到要打印的一纵列点阵信息并完成打印之后，这些点阵信息就不再有用了。 光栅扫描的CRT字符显示器，电子束在整个屏幕上按逐个横行的扫描方式重复，扫描完多个横行才完整显示出一行字符，针式打印机则是按逐列打印方式依此打印出字符的点阵列，几次后打印出一个完整的字符。 激光打印机 打印原理激光技术和电子照相技术相结合，它由走纸机构、激光扫描系统、电子照相部分和打印机控制器等几部分组成。 激光扫描系统的功能，是控制激光束能扫描到光导鼓柱面的任何位置，它由激光器，偏转调制器，扫描器和光路系统组成。 电子照相部分的核