组成原理电子教案（第8章2）

1、本章学习导读:（1）输入/输出设备的分类与特点。（2）典型输入/输出设备（键盘、打印机、显示器）的基本工作原理。第8章 输入输出设备 输入输出设备（又称外围设备）是计算机系统与人或其它机器之间进行信息交换的装置。 输入设备的功能是把数据、命令、字符、图形、图象、声音或电流、电压等信息，变成计算机可以接收和识别的二进制数字代码，供计算机进行运算处理。 输出设备的功能是把计算机处理的结果，变成人最终可以识别的数字、文字、图形、图像或声音等信息，打印或显示出来，以供人们分析与使用。 计算机技术的迅速发展与应用的不断扩大，输入输出设备种类日益增多，所处理的信息类型也不断增加。输入输出设备智能化程度越来

2、越高，使得输入输出的速度、精度、质量、可靠性以及应用的灵活性，方便性不断提高。81 输入输出设备的分类与特点 8.1.1 分类 按信息的传输方向来分可以分成输入、输出与输入/输出三类设备。 1输入设备：键盘、鼠标、光笔、触屏、跟综球、控制杆、数字化仪、扫描仪、语言输入、手写汉字识别、以及纸带输入机、卡片输入机、光学字符阅读机（OCK）等。 采用媒体输入设备如纸带输入机、卡片输入机、光学字符阅读机等，这些设备把记录在各种媒体上的信息送入计算机。一般成批输入，输入过程中使用者不作干预。 交互式设备有键盘、鼠标、触屏、光屏、跟踪对球等。这些设备由使用者通过操作直接输入信息，不借助于记录信息的媒体。输

3、入信息可立即显示在屏幕上，操作员可以即时进行删除、修改、移动等等操作。 2输出设备： 显示器、打印机、绘图仪、语音输出设备，以及卡片穿孔机、纸带穿孔机等。 将计算机输出的数字信息转换成模拟信息，送往自动控制系统进行过程控制，这种数模转换设备也视为一类输出设备。 3输入输出设备：磁盘机、磁带、可读/写光盘、CRT终端、通信设备等。这类设备既可以输入信息，又可以输出信息。 按功能分，输入输出设备也可以分成以下三类： 1用于人机接口： 如键盘、鼠标、显示器、打印机等。这类设备用于人机交互信息，且操作员往往可以直接加以控制； 这类设备又可以称为字符型设备，即输入输出设备与主机交换信息以字符为单位，这时

4、主机对外设的控制方法往往不同于其它类型设备。 2用于存储信息： 为磁盘、光盘、磁带机等；这类设备用于存储大容量数据，作为计算机的外存储器使用； 这类设备又可以称为面向信息块的设备，即主机与外设交换信息时不以字符为单位，而以由几十或几百个字节组成的信息块为单位，这时主机对外设的控制也不同于字符型设备。 3机机联系： 为通信设备（包括调制解调器）、数/模、模/数转换设备，主要用于机机通信。 输入输出设备如果按所处理信息的形态来分，又可以分成处理数字和文字的设备、处理图形与图像的设备、以及处理声音与视频的设备等。8.1.2 特点1异步性： 输入输出设备相对于CPU来说是异步工作的，两者之间（CPU与

5、外设）无统一的时钟； 保证在连续两次CPU和输入输出设备交往的时刻之间，CPU仍能高速地运行它自己的程序或者外设管理程序，以达到CPU与外设之间，以及外设与外设之间能并行工作。2实时性： 计算机系统中，可能联接各种各样类型的很多外设，且这些外设中有慢速设备，也有快速设备； CPU必须及时按传输速率和传输方式接收来自多个外设的信息或向外设发送信息，否则高速设备可能有丢失信息的危险。82 输入设备 8.2.1 键盘 3多样性： 外设的物理特性差异很大，信息类型与结构格式多种多样，这就造成了主机与外设之间连接的复杂性； 为简化控制，计算机系统中往往提供一些标准接口，以便各类外设通过自己的设备控制器与

6、标准接口相连，主机无需了解各特定外设的具体要求，可以通过统一的命令控制程序来实现对外设的控制。 键盘是由一组按键和相应的键盘控制器组成的输入设备，其功能是使用者可通过击键向计算机输入数据、程序和命令等，是计算机不可缺少的最常用输入设备。 按键开关可归纳成触点式按键开关和非触点按键式开关，计算机中基本上使用非触点按键式开关（利用电压、电流或电磁场的变化产生输出信号）。 键盘所采用的字符以及它们在键盘上的位置均有国际标准和国家标准，如ISO2530和GB2787。 键盘可以分成三个区： 计算机键盘的键数，少的有83个，多的可达105个。 中央为打字键区，包括字母、数字、符号及一些如回车、换档等特殊

7、的功能键。 右侧为数字键区或光标移动键，由Num lock功能键控制。 左侧或最上方是10-12个特殊功能键，其功能由使用者定义。 键盘控制器由一些逻辑电路或单片机组成，其功能是进行扫描，判断按键的位置，然后将键盘上的位置码转换成相应的ASC码，送入计算机。 键盘可分成编码键盘和非编码键盘两类。 编码键盘： 按键排列成一个mn的二维阵列，每个按键对应该阵列中的一个相关位置； 按下该键，由单片机或一些开关电路组成的编码器将该位置进行译码，然后转换成相应的ASC码送入主机； 由于编码器由硬件构成，所以键盘响应速度快，当然硬件结构也要复杂一些。 非编码键盘： 按下某键，该键在mn阵列中的位置码转换成

8、ASC码的过程由软件来完成（主机执行键盘驱动程序，进行查表）； 这种键盘控制器构成简单；当然其速度会慢一些；由于主机速度远比人按键速度快，且这种键盘上某些键的功能可以通过软件来重定义，使用灵活。 键盘上也可以输入如汉字等非西文字符，这由各种汉字输入法自行定义。 键盘位置码送入计算机，经过汉字输入软件的处理，转换成该汉字所对应的内码，再进行显示、存储等其它操作。8.2.2 鼠标器 鼠标器（mouse）是一种相对定位设备。它不像键盘那样能进行字符或数字的输入，主要是在屏幕上定位或画图用。 鼠标器在计算机上的应用要比键盘晚，随着计算机图形学与图像处理技术的发展，鼠标得以广泛应用。 鼠标器是由于其外形

9、如老鼠而得名，通过电缆与主机相连。 鼠标器在桌上移动，其底部的传感器检测出运动方向和相对距离，送入计算机，控制屏上鼠标光标作相应移动，对准屏幕上的图标或命令，按下鼠标上相应按纽，完成指定的操作。 根据鼠标器所采用传感器技术的不同，鼠标器可以分成两类：机械式与光电式。 机械式鼠标器： 其底部有一个圆球，鼠标移动时，圆球滚动带动与球相连的圆盘。圆盘上编码器把运动方向与距离送给主机，经软件处理，控制光标作相应移动。 该类鼠标器简单，使用方便，但也容易磨损，且精度差。 光电式鼠标器： 其底部无圆球，而是由光敏元件和光源组成。使用时，必须在网格板上移动，光源发射光线在网格上反射后为光敏器件所接收，测出移

10、动方向和距离，送入计算机，控制光标的移动。 这类鼠标器精度高，可靠性好，但要专门的网格板。 机械光电式鼠标器 底部虽有圆球，但其带动的是光学编码盘，避免了机械磨损，也不需专用网格板。 鼠标器与主机的连接： 通过总线接口或通信接口连接。总线接口需要鼠标接口板，通信接口则是把鼠标器接在通信口上；目前大部分个人计算机把鼠标器接在串行通信口COM1或COM2上。83 打印机 8.3.1 打印机的种类 以其印字原理来分可以分成击打式打印机和非击打式打印机两类，以其输出方式又可分为串行打印机和并行打印机两种。 1击打式打印机： 以机械力量击打字锤从而使字模隔着色带在纸上打印出字来的设备，是最早研制成功的计

11、算机打印设备。 按字锤或字模的构成方式来分，又可以分成整字形击打印设备和点阵打印设备两类。 整字形击打印设备，印字美观自然，可同时复印数份；缺点是噪音大，印字速率低，字符种类少，无法打印汉字或图形，且易磨损。 点阵打印设备，结构简单，印字速度快，噪声比整字形击打印设备小，成本低，且可以打印汉字或图形、图像，是目前仍在广泛使用的一类打印设备。2非击打式印字机： 利用物理的（光、电、热、磁）或化学的方法实现印刷输出的设备。 这类设备的印字头不与纸或其它媒体接触，或虽接触但无击打动作。 这类设备打印无噪声，印字速度快，可以打印汉字、图形与图像等，不少设备还可以实现彩色打印。 非击打式印字机还可以分成

12、多种类型： 激光印字机：是利用激光来打印出精美文字和图片的一种输出设备。印刷速度快，印字质量好，噪音低，分辨率高，印刷输出成本低，是目前应用最广泛的一种非击打式印字机。 喷墨打印机：是利用喷墨头喷射出可控的墨滴从而在打印纸上形成文字或图片的一种设备。也是目前应用较多一种打印输出设备。 热敏打印机：有热印纸式和热转印式两种。 利用印字头上多个电热元件在特殊的热敏纸上瞬时加热形成字符的设备叫热敏纸打印机； 利用转印色带将字符转印到纸上的设备叫热转印打印机，热敏打印机可以印刷出色彩精美逼真的图像； 还有电灼式印字机、静电印字机、离子沉积印字机和电子照相印刷机等。8.3.2 点阵打印机 驱动印针的电磁

13、铁受字符点阵内容的控制，有点的地方即打印，无点的地方不打印。每完成一列打印，印字头右移一个点距。如此一列一列地打印，直到一行打印结束，打印机走纸一行距，印字头再返回起始位置重新开始打印。 1. 输出数据与打印针的对应关系(图8.1) 读出内存中的输出点阵数据，经过变换后送到打印缓冲。每读出3个字节，对应24针一列打印数据，一列一列地读输出数据送打印缓冲，直到一行读出完毕，主机发回车或换行命令，打印机才真正把打印缓冲中的一行数据在纸上打印出来。 必须注意的是输出字符点阵或图形点阵与打印针之间的对应关系，包括高/低字节的按排，不同类型的打印机，其排列是有差别的。2打印机与打印控制器之间的连接 打印

14、控制器由以下基本部件组成： 数据锁存器：暂存CPU送来的打印数据。该数据可以送打印机缓冲器准备打印，也可以回送CPU以便进行检测用； 命令译码：对CPU送来的命令进行译码，产生打印控制器内部使用的几个命令，如数据传输方向、读数据、写数据、读控制、写控制和读状态等； 控制锁存器：锁存CPU送来的控制命令，如初始化、选通、自动输纸等。这些命令也可以回送CPU以便检测用； 总线缓冲：保存打印机送来的五个状态信息：打印机忙、缺纸、联机、认可和出错等，以供CPU随时检测用。 打印控制器与CPU的连接有数据线、地址线（寄存器的地址）和中断信息INT。3工作流程 以微机程序查问方式为例，输出一个字符（和一行

15、字符）的流程(图8.3)。4打印机命令序列8.3.3 激光印字机 激光印字机具有高速性（20-80ppm）、高质量（分辨率可达300-600dpi，甚至更高）、低噪声（小于55dB）、多种印字模式（配有PCL语言或PostScript语言），价格日益降低。 1激光印字机的组成与工作原理 激光印字机由打印机控制器和打印装置两部分组成。 打印装置是一组电子与机械相结合的系统，负责把打印机控制器生成的点阵数据打印出来；由光学扫描装置、感光鼓、硒鼓、显象装置、输纸机构和粘合装置等组成； 打印机控制器由功能较强的处理器、缓冲存储器以及相应的辅助电路构成，负责与主机的通信，解释主机送来的打印命令，格式化打

16、印内容，光栅化处理，送打印装置进行输出； 整个印字过程可以分成下面几步来完成：感光体充电 生成潜像 显像 转印 固定 感光体清除。2打印机语言 打印机语言是一组控制打印机工作的命令，打印机按照这些命令来处理主机送来的打印数据，打印出复杂的文字与图像。 打印机语言可分成两类：一类是页面描述语言（PDL），其中以Adobe公司的PostScript语言最有名；另一类是Escape码语言，其中以HP公司的PCL语言最有名。 PostScript语言：诞生于80年代中期，目前已有PostScript1、2、3三种版本；有很强的图形、图像、文字和彩色处理功能，目前广泛应用于高档彩色激光印字机。 PCL语

17、言：目前已有PCL3、4、5、6多种版本，它是一种Escape码语言，点阵打印机中的Ese命令序列实际上是一种低版本的PCL语言。 PCL语言版本的不断升级，其处理图形、图像、文字与彩色的功能日趋增强，它比PostScript语言简单一些，解释速度快，所以目前广泛安装在激光印字机、喷墨打印机等设备中。84 显示器 显示器是用来显示数字、字符、图形和图像的设备，它由监视器和显示控制器组成。8.4.1 监视器1监视器工作原理 监视器由阴极射线管（CRT）、亮度控制电路（控制栅）、以及扫描偏转电路（水平/垂直扫描偏转线圈）等部件构成（图8.6）。 CRT控制器（CRTC）接口有两种方式： 将CRT的

18、水平/垂直同步信号（HSYNC/VSYNC）以及亮度控制信号（R、G、B）分别接监接器的相应输入端，这种控制方式图像好，分辨率高； 水平/垂直同步信号和亮度控制信号全部复合在一起，送监视器，这种控制方式成本低，但质量差些。1. CRT时序控制 帧频、行频以及分辨率的关系 图像必须以50帧/秒以上的速度进行刷新； 当分辨率为640480时，且假定水平回扫期和垂直回扫期各占水平扫描周期和垂直扫描周期的20%； 行频为 480线80/10050帧/秒=30KHZ； 水平扫描周期 HC=1/30KHZ=33S。 每一象素读出时间为 33S80%640=4050nS 若分辨率提高到1024768，帧频为

19、60帧/秒，则行频提高为57.6KHZ，水平扫描周期HC=17.4S，每象素读出时间减少到13.6S。 可以清楚看到，分辨率越高，为保证图像不闪烁，则时间要求越高（每一象素读出、显示时间越短），成本也随之迅速上升。 光栅扫描显示器的扫描方式还可以分成逐行扫描与隔行扫描方式两种。8.4.2 光栅扫描显示器工作原理1字符显示工作原理 显示器显示字符时有两种模式。 一种是字符模式，显示存储器中存放的是字符的编码(ASC码或汉字代码)及其属性（如加亮、闪烁等），其字形信息存放在字符发生器中。 另一种是图形模式，此时每一字符的点阵信息直接存储在显示存储器中，字符在屏幕上的显示位置可以定位到任意点。 字符

20、模式 (1) 组成：由显示控制器CRTC、显示存储器和字符发生器组成。 CRTC形成行、列地址信号以选择字符存贮器对应的ASC码值，在光栅计数信号控制下，读出点阵信息； CRTC产生HSYNC、VSYNC同步信号。显示存储器由字符存储器(存储字符的ASC 码值)和属性存储器(存储字符的亮度、颜色等属性)构成。(2) 显示字符的过程：（图8.8） CRTC给出了字符存贮器的地址去选择光标对应位置的字符代码，读出代码值送字符发生器； 在光栅计数信号的控制下，读出相应字符的点阵信息，送移位电路进行并/串变换，再结合属性控制，送视频控制电路； 监视器在HSYNC和VSYNC的控制下，在屏幕相应的行、列位置显示出对应的字符； 字符存贮器和属性存储器的内容一般是在CRTC的回扫期由CPU写入。2彩色或多级灰度图象的显示原理 彩色或单色多级灰度图象显示，每一个象素需要使用多个二进位来表示，图形存储器有两种组织方式：多个位平面方式和组合型象素格式。 (1) 多个位平面方式（planes_pixel format） 显示存储器由多个位平面（如R、G、B、I）组成(图8.9)。CRTC除了完成以前介绍的二个基本功能外，还能实现画图功能；CRTC目前在微机系统中又称为图形卡。 (2) 组合型象素格式（packed_pixel format）（图8.10） 用显存中一个字的若干位(称为象素