湘潭大学第章输入输出IO设备

第10章输入输出设备10.1外部设备概述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。输入输出设备外存储器脱机输入输出设备等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。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、电子、光学装置相配合，仅仅是外设的控制逻辑也比较复杂。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、键盘概述(一)、键盘的布局(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、按按编编码码分分类类分为为编编码码键键盘盘和和非非编编码码键键盘盘。。(1)编码码键键盘盘编码码键键盘盘带带有有必必要要的的硬硬件件电电路路，，能能自自动动提提供供按按键键的的ASCII编码码，，并并能能将将数数据据保保持持到到新新按按键键按按下下为为止止。。需要要去去抖抖动动和和防防止止多多键键、、串串键键等等保保护护装装置置。。特点点：：编编码码键键盘盘软软件件短短，，但但硬硬件件电电路路复复杂杂，，价价格格较较贵贵。。(2)非编编码码键键盘盘它是是按按行行、、列列排排列列起起来来的的矩矩阵阵开开关关，，其其它它的的工工作作如如识识别别键键、、提提供供代代码码、、去去抖抖动动等等均均由由软软件件来来解解决决。。为了了降降低低成成本本，，简简化化硬硬件件电电路路，，大大多多采采用用非非编编码码键键盘盘。。下面仅介介绍非编编码键盘盘的接口口电路。。二、键盘盘的工作作原理特点：简简单，当当键盘多多时，引引线多独立连接接的键盘盘如下图图。当按键数数较多时时，采用用矩阵结结构的键键盘。16个按键的的键盘如如下图。。以上图的的4*4=16个键的键键盘为例例，说明明：矩阵结构构的非编编码键盘盘如何识识别被按按下的键键。如何产生生相应的的键值。。如何消除除键抖动动。识别被按按下按键键的方法法有：行行扫描法法、线路路反转法法和行列列扫描法法。(1)行扫描法法工作原理理：第1步判断是是否有键键按下，，即先进进行全扫扫描，将将所有行行线置成成0电平，然然后读入入全部列列值，如如果读入入的列值值全是1，则说明明没有键键按下下；如果果读入的的列值不不全是1，则说明明有键按按下。第2步确定哪哪一个键键按下：：一旦发发现有健健按下，，转入逐逐行扫描描的办法法来确定定是哪一一个键按按下。先先扫描第第一行，，即该行行上加0电平，然然后读入入列值。。哪一列列出现0值，则说说明与那那一列跨跨接的键键被按下下了。如如果读入入的列值值全是1，说明该该行没有有键按下下，接扫扫描第二二行。以以此类推推，逐行行扫描，，直至发发现非全全1的列值，，就能找找出被按按下的键键。举例说明明。(2)行列扫描描法行列扫描描法的基基本原理理如下图图。8*8键开关阵阵列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系列键盘盘工作原原理采用16行*8列的2维矩阵行行列结构构。采用行列列扫描法法识别按按下的按按键。键盘扫描描控制电电路如下下图。8048和键盘接接口的连连接图3、键盘接接口电路路系统板上上的键盘盘接口电电路如下下图。AT键盘控制制电路“h”键的键码码23的串行数数据图键盘盘信号的的传递转转换示意意图10.3显示设备备以可见光光的形式式传递和和处理信信息的设设备叫显显示设备备。所有的计计算机系系统都离离不开它它。10.3.1显示设备备分类按显示设设备所用用的显示示器件分分类阴极射线线管CRT(CathodeRayTube)显示器、、液晶显示示器LCD(LiquidCrystalDisplay)等离子显显示器等等。液晶和等等离子显显示器是是平板式式显示器器，它们们的特点点是体积积小、功功耗少。。按所显示示的信息息分类字符显示示器图形显示示器图象显示示器按显示设设备的功功能分类类普通显示示器(监视器)。显示器器的功能能简单，，它只能能用于接接收视频频信号，，显示器器的控制制逻辑和和存储逻逻辑都在在主机接接口板上上。显示终端端。终端端是由显显示器和和键盘组组成的一一套独立立完整的的输入/输出设备备，它可可以通过过标准通通信接口口接到远远离主机机的地方方使用。。终端的结结构比显显示器的的结构复复杂得多多，它能能够完成成显示控控制与存存储，键键盘管理理以及通通信控制制等功能能，还可可以完成成简单的的编辑操操作。在使用CRT的显示设设备中，，以扫描描方式分分光栅扫描描随机扫描描以分辩率率不同分分成高分辩率率显示器器低分辩率率显示器器阴极射线线管显示示器成像原理理通过电子子束撞击击荧光板板上的荧荧光粉，，发光产产生亮点点基本组成成电子枪、、显示屏屏和偏转转控制装装置（见见下页图图）相关术语语分辨率沿水平和和垂直两两个方向向把屏幕幕分成许许多小的的区域，，一个小小的区域域对应一一个发光光点（称称为象素素），一一个屏幕幕上所提提供的全全部象素素的数目目被称为为分辨率率扫描电子束在在显示屏屏上按某某种轨迹迹运动被被称为扫扫描，控控制电子子束扫描描轨迹的的电路被被称为扫扫描控制制逻辑部部件。光栅扫描描：电子子束从左左到右，，从上到到下扫描描整个屏屏幕（隔行扫描描和逐行扫描描）。随机扫扫描：：电子子束只只扫描描需要要显示示的点点，而而不是是整个个屏幕幕。刷新余辉时时间：：电子子束打打在荧荧光粉粉上发发出的的光的的所持持续时时间。。为了得得到稳稳定的的图象象，需需要重重复扫扫描整整个屏屏幕（（每秒秒50场）。。帧存储储器：：为了了重复复扫描描，需需要存存储屏屏幕字字符或或者图图象信信息。。灯丝阴极聚焦极极石墨层层荧光屏屏显示屏屏阳极帽帽偏转线线圈栅极阳极电子枪枪电子束束阴极射射线管管的构构成和和工作作原理理字符显显示的的一般般原理理为有效效地提提供屏屏幕上上要显显示的的内容容，字字符显显示器器内有有一个个显示示存储储器VRAM，用于于保存存将显显示在在整个个屏幕幕的全全部字字符。。显示存存储器器中保保存的的是这这些字字符的的ASCII码和显显示属属性，，每个个字符符都配配有一一个属属性字字节，，用来来描述述字符符的显显示属属性，，即字字符的的颜色色、亮亮度、、是否否显示示等等等。显示存存储器器是一一个可可读写写的存存储器器，被被显示示的字字符将将由计计算机机主机机以两两个字字节（（ASCII码和显显示属属性））的方方式提提供并并写进进该存存储器器中，，由显显示器器的控控制逻逻辑按按需要要从中中读出出准备备显示示的一一个字字符的的ASCII码的字字节值值和显显示属属性的的字节节值。。字符发发生器器，就就是用用于保保存每每个可可显示示字符符字形形的点点阵数数据的的逻辑辑部件件，通通常是是一个个只读读存储储器（（ROM），如如果每每个字字符的的字形形用7（横向向）×9（纵向向）的的点阵阵表示示，则则每个个字符符字形形的点点阵数数据要要占用用9个存储储器字字节（（横向向的7个点的的布局局用一一个字字节表表示））。字形的的产生生过程程00000001001001000101011011110111001110H28H44H82H82HFEH82H82H00H字符发生器器(ROM)ASCII字符代代码84RA3-RA0(a)“A”的点阵阵表示示(b)字符发发生器器的结结构(来自VRAM)(来自光光栅地地址计数器器输出出)RA3-RA0D7D0D7D0ASCII代码(41H)指向这这个字字形移位寄存器器SL字符发生器器(ROM)加载控控制水平消消隐行间消消隐垂直消消隐水平同同步电电路垂直同同步电电路点振荡荡器点计数数器水平地地址计计数器器光栅地地址计计数器器垂直地地址计计数器器定时控控制电电路垂直同同步信信号水平同同步信信号字符时时钟ＡＳＣＣＩＩＩ代码ＣＰＵＵ控制制OSCVRAM19180+1819+5125+1视频信号RA3-RA0字符显显示的的一般般原理理CRT图形显显示器器大的VRAM存储点点阵属属性分辨率率：1024*768，真彩彩色，，1024*768*3Byte=2.3MB高速总总线50场/秒，带带宽为为2.3*50MB/s=115MB/s需要连连接PCI总线专用接接口分辨率更高高的图形设设备将采用用专用接口口液晶显示器器显示原理利用液晶的的光学特性性平板后面设设置光源通过液晶改改变透射光光的偏振性性（从水平平到垂直））电场控制特点平板显示，，不需要高高压电，移移动方便无辐射价格较高液晶显示器器等离子显示示器成像原理利用惰性气气体在一定定电压作用用下产生气气体放电的的特性产生紫外线线，紫外线线激发荧光光粉发光在玻璃板之之间隔开成成象素，每每个象素点点内有惰性性气体和三三色荧光粉粉，用电极极控制特点易于实现大大画面显示示全色显示，，色纯度与与CRT相当视角达160度寿命长功耗大、成成本高、对对比度差。。2、分辩率和和灰度级分辩率指的的是显示设设备所能表表示的象素素个数。象象素越密，，分辩率越越高，图象象越清晰。。显示器的的分辩率取取决于显象象管荧光粉粉的粒度、、荧光屏的的尺寸和CRT电子束的聚聚焦能力。。同时刷新新存储器要要有与显示示象素数相相对应的存存储空间，，用以存储储每个象素素的信息。。一般显示器器的长宽比比为4:3，否则看起起来就会失失真变形。。知道了间间距和分辩辩率，就知知道了显示示长度和高高度。灰度级指的的是所显示示象素点的的亮暗差别别，在彩色色显示器中中表现为颜颜色的不同同。灰度级级越多，图图象层次越越清楚逼真真。灰度级级取决于每每个象素对对应刷新存存储器单元元的位数和和CRT本身的性能能。如果用用4位表示一个个象素，则则只有16级灰度级或或颜色，如如果用8位表示一个个象素，则则有256级灰度级或或颜色。分辩率和灰灰度级是显显示器的两两个重要技技术指标。。3、刷新和刷刷新存储器器CRT器件的发光光是由电子子束打在荧荧光粉上引引起的。电电子束扫过过之后，其其发光亮度度只能维持持短暂一瞬瞬间便消失失。为了使使人眼能看看到稳定的的图象，就就必须在图图象消失之之前使电子子束不断地地重复扫描描整个屏幕幕。这个过过程叫做刷刷新。每秒秒刷新的次次数称为刷刷新频率。。一般刷新新频率应大大于30次/秒，人眼才才不会感到到闪烁。显显示设备中中通常选用用电视中的的标准，每每秒刷新50帧(FRAME)图象象。。为了了不不断断提提供供刷刷新新图图象象的的信信号号，，必必须须把把图图象象存存储储起起来来，，存存储储图图象象的的存存储储器器叫叫刷刷新新存存储储器器，，也也叫叫““帧帧存存储储器器””或或““视视频频存存储储器器””VRAM。刷新新存存储储器器的的容容量量由由图图象象分分辩辩率率和和灰灰度度级级决决定定。。分分辩辩率率越越高高。。灰灰度度级级越越多多，，刷刷新新存存储储器器的的容容量量越越大大。。如如分分辩辩率率为为512*512，256级灰灰度度的的图图象象，，存存储储容容量量为为512*512*8=256KB。刷刷新新存存储储器器的的存存取取周周期期必必须须满满足足刷刷新新频频率率的的要要求求。。容容量量和和存存取取周周期期是是刷刷新新存存储储器器的的两两个个重重要要技技术术指指标标。。4、随随机机扫扫描描和和光光栅栅扫扫描描电子子束束在在荧荧光光屏屏上上按按某某种种轨轨迹迹运运动动称称为为扫扫描描。。控控制制电电子子束束扫扫描描轨轨迹迹的的电电路路叫叫扫扫描描偏偏转转电电路路。。扫扫描描方方式式有有两两种种：：随随机机扫扫描描和和光光栅栅扫扫描描。。随机机扫扫描描是是控控制制电电子子束束在在CRT屏幕幕上上随随机机地地运运动动，，从从而而产产生生图图形形和和字字符符。。电电子子束束只只在在需需要要作作图图的的地地方方扫扫描描，，而而不不必必扫扫描描整整个个屏屏幕幕，，所所以以这这种种扫扫描描方方式式画画图图速速度度快快，，图图象象清清晰晰。。高高质质量量的的图图形形显显示示器器(如4096*4096)使用用随随机机扫扫描描方方式式。。但但由由于于这这种种扫扫描描方方式式的的偏偏转转系系统统与与电电视视标标准准不不一一致致，，驱驱动动系系统统复复杂杂，，价价格格较较贵贵。。光栅栅扫扫描描是是电电视视中中采采用用的的扫扫描描方方式式，，要要求求电电子子束束扫扫过过整整个个屏屏幕幕。。光光栅栅扫扫描描是是从从上上至至下下顺顺序序扫扫描描，，采采用用逐逐行行扫扫描描和和隔隔行行扫扫描描两两种种方方式式。。逐逐行行扫扫描描就就是是从从屏屏幕幕顶顶部部开开始始一一行行接接一一行行地地扫扫描描，，一一直直到到屏屏幕幕底底，，反反复复进进行行。。电电视视系系统统采采用用隔隔行行扫扫描描，，它它把把一一帧帧图图象象分分为为奇奇数数场场和和偶偶数数场场，，奇奇数数行行构构成成奇奇数数场场，，偶偶数数行行构构成成偶偶数数场场。。我我国国电电视视标标准准是是625行，奇奇数场场和偶偶数场场各312.5行。扫扫描顺顺序是是先偶偶数场场，再再奇数数场，，交替替传送送，每每秒显显示50场。10.3.3字符显显示器器及举举例对不同同的计计算机机系统统，字字符显显示器器的组组成有有所不不同。。在中中大型型的计计算机机系统统中，，为了了不影影响主主机的的数据据处理理能力力，显显示器器作为为终端端设备备独立立存在在，并并通过过标准准的串串行接接口与与主机机连接接。在在微型型机系系统中中，显显示输输出和和键盘盘输入入分别别接入入系统统(两个独独立的的设备备)，显示示系统统由插插在主主机中中的显显示控控制板板和显显示器器两部部分组组成。。本节节以IBMPC机单色色字符符显示示系统统为例例，说说明字字符显显示器器的工工作原原理。。1、字符符显示示原理理光栅扫扫描显显示器器显示示字符符的方方法是是以点点阵为为基础础的。。这种种方法法将字字符分分解成成m列*n行个点点组成成阵列列，将将点阵阵存入入由ROM构成的的字符符发生生器中中，在在CRT进行光光栅扫扫描的的过程程中，，从字字符发发生器器中依依次读读出点点阵，，按照照点阵阵的0和1控制扫扫描电电子束束的开开关，，就可可以在在屏幕幕上组组成字字符。。点阵的的多少少取决决于显显示字字符的的质量量和字字符块块的大大小。。字符符块(字符窗窗口)指的是是每个个字符符在屏屏幕上上所占占的点点数，，它包包括字字符显显示点点阵和和字符符间隔隔。在在IBMPC系统中中，屏屏幕上上共显显示80列*25行=2000个字符符，字字符窗窗口数数目为为80*25。在单单色字字符方方式，，每个个字符符窗口口为9*14点阵，，字符符为7*9点阵。。如下下图。。图10.2字形的的产生生对应于于每个个字符符窗口口，所所需显显示字字符的的ASCII码被存存放在在视频频存储储器VRAM中，因因此应应有2000个单元元存放放字符符信息息。字字符发发生器器ROM的高位位地址址来自自VRAM的ASCII码，低低位地地址来来自称称为光光栅地地址计计数器器的输输出RA3~RA0，它具具体指指向这这个字字形点点阵中中的某某个字字节。。在显显示过过程中中，按按照VRAM中的ASCII码和光光栅地地址计计数器器访问问ROM，依次次取出出字形形点阵阵，就就可以以完成成一行行字符符的输输出。。下图是是字符符显示示器的的原理理框图图。其其中虚虚框中中为定定时控控制电电路。。在IBMPC机中，，定时时控制制电路路已由由专用用的CRT控制芯芯片MC6845实现。。图10.6字符显显示的的一般般原理理图定时控控制电电路的的核心心是点点计数数器、、水平平地址址(字)计数器器、光光栅地地址(行)计数器器和垂垂直地地址(排)计数器器四个个计数数器，，由它它们来来控制制显示示器的的逐点点、逐逐字、、逐行行、逐逐屏幕幕的刷刷新显显示。。点振荡荡器输输出16.257MHz的点时时钟，，用来来控制制字符符发生生器中中每行行9个点依依次移移位输输出。。点计计数器器对点点时钟钟9分频，，输出出的字字符时时钟是是显示示控制制器的的定时时信号号，同同时它它也控控制移移位寄寄存器器的加加载(移位寄寄存器器S端为移移位控控制端端，L为并行行输入入加载载控制制端)。当一一个字字符的的9个点输输出结结束以以后，，输出出下一一个字字符中中同一一行的的9个点。。水平平地址址计数数器对对一行行的显显示进进行控控制，，送出出当前前要显显示的的这一一行字字符的的VRAM地址。。每行行有效效显示示80个字符符。当光栅栅从一一行的的结束束回到到另一一行开开始时时，在在屏幕幕上不不应该该显示示，这这一段段称为为水平平回扫扫消隐隐期，，在水水平消消隐期期间产产生水水平同同步信信号，，输出出到显显示器器，水水平消消隐信信号同同时控控制移移位寄寄存器器不要要加载载。水水平消消隐期期共占占用18个字符时钟钟的时间。。光栅地址计计数器对字字符窗口的的高度进行行控制。因因为字符窗窗口的高度度为14，但字符点点阵高度为为9，行间隔为为5个点阵，它它控制一行行字符的9行点阵逐行行输出，并并在最后5行进行行间间消隐。垂垂直地址计计数器控制制一屏幕25行字符的显显示，与水水平回扫类类似，当光光栅到达屏屏幕底部时时，需要回回到屏幕顶顶部，这一一过程称为为垂直回扫扫，垂直回回扫需要一一行的时间间，并向显显示器输出出垂直同步步信号。回回扫期间同同样需要消消隐，垂直直消隐命令令控制移位位寄存器不不要加载。。视频存储器器VRAM的地址由水水平地址计计数器(列地址)和垂直地址址计数器(行地址)决定，VRAM输出的ASCII码作为字符符发生器ROM的高位地址址，ROM的低位地址址来自光栅栅地址计数数器。ROM的输出在L信号的控制制下并行加加载到移位位寄存器，，然后在点点时钟控制制下移位输输出形成视视频信号，，输出到显显示器。显显示器在水水平同步、、垂直同步步和视频信信号的控制制下，连续续不断地进进行屏幕刷刷新，就能能保证稳定定而不消失失的字符图图象。10.3.4图形与图象象显示１、图形显显示设备图形显示器器最初是为为显示线条条图形而设设计的。计计算机产生生图形的方方法有两种种，一种称称为矢量法法(画线法)。任何形状状的一条曲曲线或直线线都可以由由许多根首首尾相接的的短矢量进进行逼近。。只要线段段(短矢量)足够短，看看起来就是是很平滑的的曲线。这这种方法使使用的扫描描方式是随随机扫描，，所用的显显示器件为为刷新式显显象管(即需要刷新新的普通CRT)或存储管(不需要刷新新的特殊显显示器件)。据此，有有随机扫描描刷新型和和随机扫描描存储型两两种图形显显示器。另一种称为为光栅扫描描图形显示示器，是当当今应用最最多的显示示器。光栅扫描显显示器的特特点是对应应于屏幕上上每个像素素的信息都都用存储器器存起来，，然后按地地址顺序逐逐个地刷新新显示在屏屏幕上。其其硬件结构构如下图。。图光栅扫描图图形显示器器的硬件结结构这里有两个个存储器，，一个称作作程序段缓缓冲存储器器，另一个个是刷新存存储器。程程序段缓存存中存储由由计算机送送来的显示示文件和交交互式图形形操作命令令，如局部部放大、平平移、旋转转、比例变变换等。这这些操作在在显示器的的控制部件件中完成比比在主机中中用软件实实现效率要要高得多。。刷新存储器器中存放了了一帧图形形的形状信信息，和屏屏幕上的象象素一一对对应，如屏屏幕的分辩辩率为1024*1024个象素，刷刷新存储器器就要有1024*1024个单元；屏屏幕上象素素的灰度级级为256级，刷存中中每个单元元的字长是是8位。因此刷刷存的容量量直接取决决于显示器器的分辩率率和灰度级级。光栅扫描显显示器的最最大优点是是通用性强强，灰度层层次多，色色调丰富，，显示复杂杂图形时无无闪烁现象象；所产生生的图形可可以有隐藏藏面消隐、、阴影效应应和涂色等等功能。光光栅扫描图图形显示器器的出现使使得图形学学的研究领领域从简单单的线条图图扩展到绚绚丽多彩、、形象逼真真的各种立立体及平面面图形，从从而扩大了了计算机图图形学的应应用领域。。打印机计算机最基基本的输出出形式之一一，可将打打印在纸上上的信息长长期保存。。打印设备备按印字方方式分类：：击打式：通通过印字的的机械装置置撞击色带带以便把字字形染印在在纸上，速速度慢，噪噪声大，打打印质量一一般。点阵针式、、字模式非击打式：：通过静电电、喷墨等等非机械撞撞击方式完完成在纸上上着色，打打印速度快快，噪声低低，印字质质量高喷墨、激光光、热转印印打印设备与与计算机主主机的连接接方式串行接口、、并行接口口、USB接口3种常用的点点阵式打印印机的组成成机构和他他们的打印印过程。针式打印机机打印原理用钢针或钨钨铼合金针针撞击色带带，将色带带的颜色印印到打印纸纸上，完成成一个点的的输出，完完成全部点点阵后输出出完毕。基本组成打印头、输输纸机构、、色带机构构及打印控控制器打印控制器器包括字符符缓冲存储储器、字型型发生器、、时序控制制电路和接接口电路四四部分。输出过程字车将打印印头横向移移动到打印印起始位置置。取出输出对对象点阵的的第一列，，驱动打印印针撞击色色带。字车移动一一小格，输输出下一列列，直到本本行输出完完毕。回车。输纸机构进进纸。输出下一行行。针式打印机机构造打印纸导轨打印针永磁铁铁芯衔铁线圈色带色带保护片片滚筒螺管式电磁磁铁打印针电磁铁线圈圈衔铁壳帽外壳导轨弹簧针式打印机机打印字符符“E”的过程针式打印机机和CRT字符显示器器工作原理理比较CRT字符显示器器使用电子子束撞击荧荧光粉产生生发光点，，针式打印印机是用打打印针撞击击色带产生生印染点；；CRT字符显示器器以整屏信信息为单位位连续扫描描以维持稳稳定的显示示画面，故故它需要有有显示存储储器VRAM，而针式打打印机接收收到要打印印的一纵列列点阵信息息并完成打打印之后，，这些点阵阵信息就不不再有用了了。光栅扫描的的CRT字符显示器器，电子束束在整个屏屏幕上按逐逐个横行的的