1、第八章、输入输出设备版权所有，引用请注明出处原著 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o 外围设备概述o I/O接口o 输入设备o 输出设备计算机组成原理 Slide 3 外围设备概述o 外围设备所处的层次o 外围设备功能定义o 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计算机组成原理 Slide 5 外围设备功能定义o 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。n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，AD和DA转换器，
2、各种与计算机相关的仪表及装置。o 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。o 外围设备又称外部设备，计算机组成原理 Slide 6 外围设备特点o由信息载体,设备和设备控制器组成;o工作速度比主机慢很多;o不同设备的信息类型和格式不同;o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 1O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。计算机组成原理 Slide 7 外围设备分类o 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、手写笔o 输出设备：显示器，打印机，绘图仪；o 输入兼输出设备：终端，传真机；o
3、 外存储器：磁盘，硬盘、磁带、光盘；o 数据通讯设备：FAX ，MODEM；o 过程控制设备：A/D，D/A，传感器，仪表。计算机组成原理 Slide 8 I/O 接口o I/O接口定义o I/O接口功能o I/O接口组成计算机组成原理 Slide 9 输入输出接口o 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。o 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。计算机组成原理 Slide 10 I/O接口功能o 选址 o 传送
4、主机命令 o 数据传送和格式转换 o 数据缓冲o 监控设备状态 计算机组成原理 Slide 11 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接口组成计算机组成原理 Slide 12 I/O接口分类o串行接口o并行接口计算机组成原理 Slide 13 输入设备o 输入设备定义及分类o 键盘o 鼠标o 数码相机计算机组成原理 Slide 14 输入设备定义及分类o 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。o 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
5、符数字输入、图形输入、图象输入、声音输入 计算机组成原理 Slide 15 键盘计算机组成原理 Slide 16 键盘-字符数字输入设备o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。o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。计算机组成原理 Slide 17 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计算机组成原理 Slide 18 键盘开关o 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o
6、 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 霍尔式键开关计算机组成原理 Slide 19 键盘开关矩阵+5V并行端口并 行 端 口计算机组成原理 Slide 20 键盘分类o按键盘编码的功能和实现方法进行分类n 全编码键盘n 非编码键盘计算机组成原理 Slide 21 常用扫描方法o 行反转扫描法o 行扫描法o 行列扫描法计算机组成原理 Slide 22 道格 恩格尔巴特显示系统X-Y位置指示器 计算机组成原理 Slide 23 鼠标计算机组成原理 Slide 24 鼠标分类o 机械式鼠标o 光电式鼠标o 光学式鼠标计算机组成原理 Slide 25 鼠标o一种手
7、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。计算机组成原理 Slide 26 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计算机组成原理 Slide 27 光电鼠标p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p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。p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
8、点偏斜就会造成鼠标器不能正常工作。计算机组成原理 Slide 28 光学式鼠标o 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o 采用了新的光学技术光眼(Optical Sensor)o 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计算机组成原理 Slide 29 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。计算机组成原理 Slide 30 o 按照鼠标的接口分类。n 串口、PS/2口、USB口和wireless。鼠标接口计算机组成原理 Slide 31 o 一种
9、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。o 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。o 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。数码相机计算机组成原理 Slide 32 数码相机组成o CCDo A/D转换器 o MPU(微处理器)o 图像存储器 计算机组成原理 Slide 33 各种存储器实物图计算机组成原理 Slide 34 输出设备o 输出设备定义o 打印机o 显示设备计算机组成原理 Slide 35 输出设备o
10、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。o 常用输出设备有打印机及CRT显示器。计算机组成原理 Slide 36 打印设备计算机组成原理 Slide 37 打印设备分类（印字原理）o 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。n 串行、并行n 点阵针式、字模式o 非击打式 利用电、磁、光、喷墨等物理、化学方法印刷字符。n 喷墨n 激光n 热转印计算机组成原理 Slide 38 打印设备分类（工作方式）o 串行打印机-逐字打印n 针式点阵式打印机，喷墨打印机o 并行打印机-逐行/页打印n
11、 激光打印机计算机组成原理 Slide 39 点阵式打印机计算机组成原理 Slide 40 点阵式印字原理o 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。o 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。计算机组成原理 Slide 41 点阵式串行打印机的组成o 印字机构（又称打印头）、o 字车机构、o 输纸机构、o 色带系统o 控制电路o 字符发生器计算机组成原理 Slide 42 激光印字机o 又称激光印刷机，一种非击打式高速印字机。o 激光扫描技术和电子照像技术结合的产物n
12、 激光扫描系统、n 电子照像部分、n 字符发生器 n 控制电路计算机组成原理 Slide 43 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 计算机组成原理 Slide 44 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）计算机组成原理 Slide 45 激光印字机工作过程o 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o 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
13、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。o 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，达到显影的目的计算机组成原理 Slide 46 激光印字机工作过程o 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。o 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。o 消电：消电灯照射硒鼓，消除残余电荷。o 清洁：清除硒鼓上的残余碳粉。计算机组成原理 Slide 47 显示设备o 显示设备基本概念o 显示设备分类o CRT显示器基本
14、原理o 字符显示器o 图形显示器o 平板显示器计算机组成原理 Slide 48 基本概念o 图形n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。o 图像n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。计算机组成原理 Slide 49 o 像素n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
15、素（或称像元）实际上就是显示屏上不可再小的光点。o 分辨率n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。计算机组成原理 Slide 50 o 灰度级n 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刷新存储器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。计算机组成
16、原理 Slide 51 微型计算机显示子系统o 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o 显示器计算机组成原理 Slide 52 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 计算机组成原理 Slide 53 1MDA单色显示器适配器 MDA是1981年由IBM公司随IBM P
17、C一起推出，是一种字符显示卡。它采用914点阵显示一个字符，满屏可显示80列 25行字符，其分辨率为720350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 640200，显示 2种颜色或 320 200，4种颜色。计算机组成原理 Slide 54 3MGA单色图形适配器一 MGA可显示单色图形或字符，分辨率为720350个像素。它用于那些不需彩色图形的场合，以降低硬件开销。4EGA增强型图形适配器 EGA兼
18、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640350，显示16种颜色。经改进后的 EGA，其分辨率达 640 480或 800 600。计算机组成原理 Slide 55 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 640480，显示16种颜色或320200，256种颜色。6SVGA超级VGA SVGA改进了VGA标准，增强
19、了VGA功能。它的分辨率为800600、显示256种颜色。7.XGA 1024 768 SXGA 1280 1024 UXGA 1600 1200计算机组成原理 Slide 56 显示设备分类o 按器件分n 阴极射线管(CRT)显示器n 液晶显示器(LCD)n 等离子体显示器o 按显示信息内容分n 字符（字符为基本单位）图形（像素）o 按显示颜色分n 单色 彩色（三枪显管）计算机组成原理 Slide 57 光栅扫描成像原理 荧光屏荧光屏电子枪电子枪聚焦系统聚焦系统水平偏转水平偏转垂直偏转垂直偏转显示头显示头计算机组成原理 Slide 58 CRT显示器组成及工作原理 计算机 I/O 接口 刷新
20、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 计算机组成原理 Slide 59 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)隔行扫描计算机组成原理 Slide 60 字符显示器o 以字符为基本单位的显示设备o 每个字符以点阵的形式显示，与打印机原理类似o 点阵是m*n个点构成的阵列o 所有需要显示的字符的点阵都固化在字符发生器o 显示时根据ascii码到字符发生器中寻找点阵o 逐列进行显示 A A编码编
21、码 N N编码编码 D D编码编码VRAMVRAM A A点阵点阵 B B点阵点阵 C C点阵点阵 D D点阵点阵 N N点阵点阵ROMROM屏幕屏幕 移位寄存器移位寄存器并行并行串行串行AND计算机组成原理 Slide 62 图形显示器o 以像素为基本单位的显示设备o 每个像素可以有其颜色o 光栅扫描计算机组成原理 Slide 63 VRAM容量计算o 字符显示方式与显示字符的行列数有关o 若显示规格为25行80列，o 屏幕上需要显示=25*80=2000个字符 o 如每个字符需要2个字节表示，o 则VRAM需要4000byte计算机组成原理 Slide 64 VRAM容量计算o 图形显示方
22、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，o VRAM容量为1024*768*4=3Mbyteo 如果VRAM固定，颜色和分辨率的关系？计算机组成原理 Slide 65 平板显示器o 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）计算机组成原理 Slide 66 液晶显示器特点o 可以用低电压驱动（1.52V）；o 功耗极低，仅为W级；o 与大规模集成电路连接性能好，可在LCD周围生成驱动电路；o 可制成薄型平板结构，重量轻；o 具有防爆性能。
