计算机组成原理输入输出设备及接口PPT课件.pptVIP

第7章I O设备及I O接口 基本知识点 I O设备特点与分类 键盘的编码原理 字符显示器的工作原理 打印机的分类及打印原理 重点 显示器 打印机中的RAM和ROM的作用及容量的估算 字符显示器控制电路 难点 字符显示器的控制电路 1 第7章I O设备及I O接口 I O设备是系统与外界的联系通道 每个I O设备都是通过一个控制器或适配器与I O总线连接起来 控制器与适配器之间的区别主要在于它们的组成方式 控制器是I O设备本身中或是系统的主印制电路板上的芯片组 适配器是一块插在主板插槽上的卡 2 7 1 1I O设备的一般功能1 完成信息的转换2 实现人机交互3 储存信息资源4 促进计算机应用领域的拓展 7 1概述 3 6 1 2I O设备的类型 1 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 图像输入设备 摄像机 扫描仪 DC 条形码 光学字符识别 语言与文字输入 4 6 1 2I O设备的类型 2 输出设备 显示器 字符 汉字 图形 图像 打印设备 针式打印机 激光打印机 喷墨打印机等 绘图机 平板式 滚筒式 语音输出 5 6 1 2I O设备的类型 3 外存储器4 过程控制设备5 终端设备 键盘 显示器与计算机信息网络的一端相连接的设备6 数据通讯设备 6 6 1 2I O设备与主机间的信息交换 1 代码格式2 传送格式 并行传送 穿行传送 7 6 2键盘及接口 键盘是由一组排列成阵列形式的按键开关组成的 每按下一个键 产生一个相应的字符代码 每个按键的位置码 然后将它转换成ASCII码或其他码 送主机 8 6 2 1键的类型 1 接触式 机械触点式键 干簧键2 无触点式 机械动作型 电容式键 霍尔键3 触摸式 薄膜式 感应式 触摸屏 9 6 2 2扫描式键盘 10 6 3显示设备及接口 6 3 1概述以可见光的形式传递和处理信息的设备 1 发光器件2 光调制器件 11 6 3显示设备及接口 6 3 2显示技术的相关术语1 图形和图像图形 graphics 最初是指没有亮暗层次变化的线条图 如建筑 机械所用的工程设计图 电路图等 早期的图形显示和处理只是局限在二值化的范围 只能用线条的有无来表示简单的图形 12 6 3显示设备及接口 6 3 2显示技术的相关术语1 图形和图像图像 image 则最初就是指具有亮暗层次的图 如自然景物 新闻照片等 经计算机处理后显示的图像称作数字图像 就是将图片上连续的亮暗变化变换为离散的数字量 并以点阵列的形式显示输出 13 6 3显示设备及接口 6 3 2显示技术的相关术语2 分辨率和灰度级分辨率 resolution 是指显示器所能表示的像素个数 像素越密 分辨率越高 图像越清晰 分辨率取决于荧光粉的粒度 屏的尺寸和电子束的聚焦能力 14 6 3显示设备及接口 6 3 2显示技术的相关术语2 分辨率和灰度级灰度级 graylevel 是指黑白显示器中所显示的像素点的亮暗差别 在彩色显示器中则表现为颜色的不同 灰度级越多 图像层次越清楚逼真 灰度级取决于每个像素对应刷新存储器单元的位数和CRT本身的性能 15 6 3显示设备及接口 6 3 2显示技术的相关术语3 刷新和刷新存储器CRT器件的发光是由电子束射在荧光粉上引起的 电子束扫过之后 其发光亮度只能维持短暂一瞬 大约几十毫秒 便消失 为了使人眼能看到稳定的图像 就必须在图像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 refresh 每秒刷新的次数称刷新频率或扫描频率 16 6 3显示设备及接口 6 3 2显示技术的相关术语3 刷新和刷新存储器为了不断提供刷新图像的信号 必须把图像存储起来 存储图像的存储器叫 帧存储器 或 视频存储器 VRAM 帧存储器的容量由图像分辨率和灰度级决定 分辨率越高 灰度级越多 帧存储器的容量越大 帧存储器的存取周期必须满足刷新频率的要求 17 6 3显示设备及接口 6 3 2显示技术的相关术语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 scan 控制电子束扫描轨迹的电路叫扫描偏转电路 扫描方式有两种 随机扫描和光栅扫描 18 6 3显示设备及接口 6 3 2显示技术的相关术语4 随机扫描和光栅扫描 随机扫描控制电子束在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 而不必扫描全屏幕 优点 画图速度快 图象清晰 19 6 3显示设备及接口 6 3 2显示技术的相关术语4 随机扫描和光栅扫描 光栅扫描是电视中采用的扫描方法 在电视中 要求图像充满整个画面 因此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 20 6 3显示设备及接口 6 3 3显示方式与显示规格1 显示器的显示方式 字符 数字方式 图形方式 21 6 3显示设备及接口 6 3 3显示方式与显示规格2 显示器的显示规格 CGA方式 EGA方式 MCGA方式 VGA方式 XGA方式 22 6 3显示设备及接口 6 3 4光栅扫描成像原理 阴极射线管 CRT 23 6 3显示设备及接口 6 3 4光栅扫描成像原理1 光栅的形成2 一帧画面的组成 24 6 3显示设备及接口 6 3 4光栅扫描成像原理3 字符点阵的形成 25 6 3显示设备及接口 6 3 4光栅扫描成像原理4 字符显示器原理框图 26 6 3显示设备及接口 6 3 5屏幕显示与显示缓存间的对应关系1 基本显示缓存的容量和内容2 属性信息与属性缓存3 地址组织4 信息转换5 同步控制 27 6 3显示设备及接口 6 3 6平板显示器平板显示器 FPD 一般是指显示器的深度小于显示屏幕对角线1 4长度的显示器件 分类 液晶显示 LCD 等离子体显示 PDP 场发射显示 FED 电致发光显示 ELD 等 28 6 3显示设备及接口 6 3 6平板显示器1 液晶显示 LCD 液晶是液态晶体的简称 它是一种有机化合物 在一定范围内 既具有液体的流动性 又具有分子排列有序的晶体特性 液晶分子是棒状结构 具有明显的光学各向异性 它本身不发光 但能够调制外照光实现信息显示 因此使用时需要背光源 29 6 3显示设备及接口 6 3 6平板显示器1 液晶显示 LCD 液晶显示具有低工作电压 微功耗 体轻薄 适于LSI驱动 易于实现大画面显示 显示色彩优良等特点 目前广泛应用的是薄膜晶体管液晶显示器 TFT LCD 30 6 3显示设备及接口 6 3 6平板显示器2 彩色等离子体显示 PDP plasmadisplaypanel 等离子体显示是利用惰性气体在一定电压作用下产生气体放电现象而实现的一种发光型平板显示技术 31 6 3显示设备及接口 6 3 6平板显示器2 彩色等离子体显示 PDP plasmadisplaypanel 彩色PDP技术利用气体放电产生紫外线 紫外线激发光致荧光粉 荧光粉发射可见光 使用三基色荧光粉实现红 绿 蓝三色 并使每基色单元实现256级灰度 再进行混色达到彩色显示的目的 32 6 3显示设备及接口 6 3 6平板显示器PDP结构好比把数十万至数百万个气体微型荧光灯 即放电单元 按一定排列方式设置在两块平板玻璃之间 制作时 在两块玻璃之间 通过许多障壁把放电空间分隔成若干放电单元 每个显示单元都设有一组电极 并按一定排列形式在各单元内壁上分别涂有红 绿 蓝荧光粉 由外部电路按一定方式对所有放电单元进行控制 并完成三基色的空间混色 即可实现彩色显示 33 6 3显示设备及接口 6 3 6平板显示器PDP显示器的主要特点 1 易于实现大面积显示 可达70英寸 2 全色显示 利用红 绿 蓝三基色 可实现256级灰度和1670万 2563 种颜色 色纯度与CRT相当 34 6 3显示设备及接口 6 3 6平板显示器PDP显示器的主要特点 3 视角达160 在所有显示技术中最佳 4 寿命长 3万小时 5 需要在功耗 发光效率 对比度方面进行改进 像素的间距有待进一步缩小 价格高 35 6 4打印设备及接口 6 4 1概述打印输出是计算机系统最基本的输出形式 可将打印在纸上的信息长期保存 人们将一切可以产生永久性记录的设备统称为硬拷贝设备 如打印机 绘图机 静电印刷机以及早期使用的纸带穿孔机 卡片穿孔机等都是硬拷贝设备 36 6 4打印设备及接口 6 4 1概述打印设备分类 串行打印和并行打印 击打式打印和非击打式打印 字模打印和点阵打印 37 6 4打印设备及接口 6 4 2打印机的相关性能指标 分辨率 dpi 每英寸打印的点数 打印速度 打印幅面 接口方式 缓冲区 38 6 4打印设备及接口 6 4 3点阵针式打印机其印字方法是由打印针印出的n 横 m 纵 个点阵组成字符图形 点越多 印字质量越高 1 打印方式 文本字符方式 点图形方式 39 6 4打印设备及接口 6 4 3点阵针式打印机2 基本结构 打印头 水平横移机构 走纸机构 色带机构 保护装置 40 6 4打印设备及接口 6 4 4激光打印机 激光打印机内部结构 41 6 4打印设备及接口 6 4 4激光打印机1 主要组成部分 激光扫描系统 电子摄影系统 控制系统 42 6 4打印设备及接口 6 4 4激光打印机2 激光打印过程 应用数据转译 由打印机驱动程序完成 打印机驱动程序的任务就是把打印内容转换成打印机可以识别的命令序列或页面语言描述 并把该描述数据流通过通讯口传送出去 这一过程在计算机端完成 当我们选定打印命令并按下了 确定 按钮 打印机驱动程序开始工作 这时它就把原始文档中每个字符和图形的位置 格式 修饰等都用自己打印机所能识别的打印机语言一一详尽地描述出来 不同打印机驱动程序处理的方法根本不同 因此我们一定要选用针对该打印机的驱动程序才能保证后续过程的顺利进行 43 6 4打印设备及接口 6 4 4激光打印机2 激光打印过程 数据传送当打印控制器从计算机接收数据之后 有两种处理方式 一种是把数据直接送给解释器 另一种是形成数据序列 也称为工作池方式 44 6 4打印设备及接口 6 4 4激光打印机2 激光打印过程 光栅或点阵数据生成该过程由打印机内部的处理器完成 其实质就是检查从计算机中收到的数据 并从中挑出嵌在数据中的命令 这些命令有很多类 分别完成不同的功能 如控制打印机 规定页面格式 组织字体等 这些命令必须由解释器以准确的顺序和优先权提交给格式转换器 格式转换器的任务时接受组织好的打印数据并安排页面 先设置纸张尺寸 边缘等 然后再排列文本 图形 当格式转换器根据命令定义好了纸张 字体和每个字符 每个位图在页面中的位置之后 就把这些数据传送给光栅转换器 45 6 4打印设备及接口 6 4 4激光打印机2 激光打印过程 光栅或点阵数据生成 续光栅转换是激光打印机在打印前的最后一道准备工序 它把从格式转换器送来的页面描述数据转换成打印机使用的点阵形式 页面点阵是由二进制数据组成的方阵 每个二进制数据控制打印机在打印机上形成一个白点或黑点 页面点阵的存放一般有两种方式 页面缓存和段缓存 页面缓存可以存储整个页面点阵 但需要的缓存量巨大 另一种缓存技术称为段缓存 当使用段缓存时 每个页面被分成很多段 光栅转换按段进行 这样有两个段缓存就能轮流交替地工作 和页面缓存相比 可以大大节省缓存的数量 缺点是打印机的程序实现极其复杂 46 6 4打印设备及接口 6 4 4激光打印机2 激光打印过程 打印机引擎输出打印引擎把打印机控制器生成的页面点阵打印成最终图像 打印引擎包括激光扫描装置 激光接收器 感光鼓 着色剂盒 显影 定影 打印纸传送等装置 47 6 4打印设备及接口 6 4 4激光打印机 激光印字过程示意图 印字过程 带电 曝光 显影 显像 转印 定影 固定 清除残像 48 6 4打印设备及接口 6 4 5喷墨打印机喷墨打印机是类似于用墨水写字一样的打印机 可直接将墨水喷射到普通纸上实现印刷 如喷射多种颜色墨水则可实现彩色硬拷贝输出 喷墨打印机的喷墨技术有连续式和随机式两种 目前市场上流行的各种型号打印机 大多采用随机式喷墨技术 而早年的喷墨打印机以及当前输出的大幅面打印机采用连续式喷墨技术 49 6 4打印设备及接口 6 4 5喷墨打印机1 连续式喷墨打印机工作原理 50 6 4打印设备及接口 6 4 5喷墨打印机2 随机式喷墨打印机工作原理这种系统供给的墨滴只在需要印字时才喷出 因此不需要墨水循环系统 省去了墨水泵和收集槽等 与连续式相比 喷墨机构简单 价廉 可靠性高 为提高印字速度 这种印字头采用单列 双列或多列小孔 一次扫描喷墨即可打印出所需的字符或图像 产生墨滴的机构 可采用不同的技术 压电式喷墨技术有压电管型 压电隔膜型和压电薄片型等多种 其机械结构虽不同 但有共同特点 即加高电压脉冲于墨水压电换能器上 使墨水受力 生成墨滴并喷出 完成印字过程 喷出的墨滴是不连续的 墨滴的发生频率最大可超过10KHz 51 6 4打印设备及接口 6 4 5喷墨打印机2 随机式喷墨打印机工作原理 压电式喷墨技术 压电式喷墨打印机 52 6 4打印设备及接口 热电式喷墨技术也称气泡式 其换能元件为加热器件 可采用电阻 气泡式墨滴的生成过程 53 6 4打印设备及接口 6 4 5喷墨打印机3 喷墨打印机的消耗品及辅助装置喷墨打印机所选用的墨水 记录纸以及印字头的清洗密封装置和印字质量有密切关系 喷墨打印机需要特殊的墨盒 其价格较贵 彩色喷墨打印机有四只分别装有品红 黄 青 黑色的墨水盒 墨水有严格的性能要求 不能随意更换不同规格的墨水 否则会对喷墨系统造成致命的损害 甚至报废 随机式喷墨机构 一旦发生故障 不可修复 54 6 4打印设备及接口 6 4 5喷墨打印机3 喷墨打印机的消耗品及辅助装置 墨水对墨水的要求 墨水所用原料 必须满足印字机构要求 不应含有颗粒等 墨水在管道和喷嘴内 不应有渗漏 沉积或干涸现像 能在 25 70 温度范围内存放 在10 40 温度范围内 应符合规定的浓度 粘度和表面张力值 印字质量对墨水的要求 印字清晰 不产生模糊边缘 快干 印字有防水 不褪色和不可擦除的性能 55 6 4打印设备及接口 6 4 5喷墨打印机3 喷墨打印机的消耗品及辅助装置 记录纸 打印纸 一般喷墨打印机要求使用与规定墨水要求相符的普通纸 复印纸 对穿透性和渗析性有一定要求 穿透性是指墨滴在纸面上向另一面的穿透能力 以不穿透到另一面为佳 渗析性也称浸润性 会使印刷输出字符的边缘产生浸润模糊 另外 也要注意不要因纸的质量问题而引起细微喷嘴的堵塞 56 6 4打印设备及接口 6 4 5喷墨打印机3 喷墨打印机的消耗品及辅助装置 辅助装置 喷墨打印机带有一些通用的或专用的选件和辅助装置 如接口卡 输纸机构 供纸和接纸盘等 为确保喷嘴不受阻塞 对使用水性墨水的喷墨打印机应带有清洗装置 定期 或遇有故障 对印字机构进行清洗 由于水性墨水容易干涸造成喷头阻塞 有些厂商开发了静电型使用油型墨水的印字头 靠静电的吸引力 使高温沸腾 200 的油性墨水从喷嘴中喷出 这样可省去清洗装置 使用油性墨水的打印机可进一步提高分辨率 57 6 5磁盘存储器及接口 磁盘存储器是目前应用最广泛的外存储器 在磁表面存储器中 磁盘的存取速度较快 具有较大的存储容量 是用于调用较频繁的场合 往往作为主存的直接后援 为虚拟存储提供物理基础 58 6 5磁盘存储器及接口 典型的磁盘子系统包括 硬件盘片 存储体 磁盘存储器磁盘控制器与接口 59 6 5磁盘存储器及接口 典型的磁盘子系统包括 软件磁盘驱动程序 是操作系统软件中的设备管理程序磁盘控制程序 实现磁盘驱动器的有关操作操作系统 60 6 5 1软盘存储器 1 盘片2 信息分布与寻址信息 磁道 扇区3 机械结构 主轴驱动装置 磁头定位装置 加载机械与夹紧机构 61 6 5 1软盘存储器 4 磁道记录格式5 磁盘格式化6 磁盘存储器技术指标 62 6 5 2硬盘存储器 1 盘片 盘组 盘阵列2 温彻斯特技术 密封头 盘组件 采用薄膜磁头 溅射薄膜磁层 将集成化的读 写电路安置在靠近磁头的位置 接触起停式浮动磁头 63 6 5 2硬盘存储器 3 磁头定位系统4 信息分布与硬盘寻址信息 磁道 圆柱面 数据块 64 5 磁道记录格式 定长数据块 不定长数据块 6 5 2硬盘存储器 65 6 技术指标 存储容量磁盘存储器所能存储的字节总数 存取时间 平均定位时间 平均等待时间 数据传输率 6 5 2硬盘存储器 66 6 5 2硬盘存储器 7 硬磁盘驱动器的发展动向磁盘驱动器主要采取了的提高性能的措施 采用浮动磁头 降低浮动高度 浮动高度已从20 m降低到0 1 m以下 采用伺服机构 提高磁道密度 从最初的磁道密度20TPI 提高到5000TPI 17000TPI 一般采用嵌入伺服或光伺服技术 采用温彻斯特技术 67 6 5 2硬盘存储器 7 硬磁盘驱动器的发展动向 采用MR磁头和PRML信号处理方法 可以确保提高读出信号 提高信号噪音 S N 比 使数据传输率和面记录密度分别提高了30 40 和30 50 改进存储介质和盘基 提高记录密度 改进存储介质材料性质和制造工艺 采用垂直磁记录方式 提高记录密度 68 6 5 2硬盘存储器 7 硬磁盘驱动器的发展动向 缩短平均存取时间 提高数据传输率 主要措施包括缩短磁头行程 提高主轴转速 使平均寻道时间小于10ms 平均等待时间缩短为4 2ms 扩大超高速缓冲存储器容量 1MB 改进接口 发展廉价冗余磁盘阵列 RAID 等 有的磁盘采用恒密度记录 即从内径开始 随着半径的增加 相应磁道的存储量增加但保持位密度不变 HDD的微小型化 69 6 5 3磁盘适配器 1 磁盘适配器简述2 磁盘驱动器逻辑结构举例3 磁盘适配器的工业标准 SCSI接口 磁盘IDE接口 70 6 6光盘存储器 光盘 opticaldisk 指的是利用光学方式进行读写信息的圆盘 计算机系统中所使用的光盘存储器是从激光视频唱片 又叫电视光盘 和数字音频唱片 又叫激光唱片 基础上发展起来的 71 6 6 1概述 60年代初发明了激光 随后就开始了高密度光学数据存储的研究工作 应用激光在某种介质上写入信息 然后再利用激光读出信息的技术称为光存储技术 如果光存储使用的介质是磁性材料 亦即利用激光在磁记录介质上存储信息 就称为磁光存储 72 6 6 1概述 70年代研究出半导体激光器 解决了光源问题 又解决了读出微小信息位的光学伺服系统等关键技术问题 使光存储技术达到了实用化水平 激光的一个主要特点就是可以聚焦成能量高度集中的小光点 直径小于1 m 因此采用激光写入的每位信息所占的面积小于1平方微米 据称光盘面记录密度可以达到108位 cm2 在现有的存储器中是最高的 已成为很有竞争力的辅助存储器 73 6 6 1概述 按读 写性质分类 1 只读型光盘 CD ROM 这种光盘的盘片是由生产厂家预先写入数据或程序 出厂后用户只能读取 而不能写入修改 这种产品在娱乐领域里主要用于电视唱片和数字音频唱片 可以获得高质量的图像和高保真度的音乐 由于这种光盘具有ROM的性质 因此称只读型光盘 compactdisk ROM 简称CD ROM 74 6 6光盘存储器 2 只写一次型光盘 WORM 这种光盘可由用户写入信息 写入后可以多次读出 但只能写一次 信息写入后不能修改 因此它被称为 写一次型 writeonce readmany 简称WORM 主要用于计算机系统中的文件存档或写入的信息不需修改的场合 75 6 6光盘存储器 3 可擦写型光盘 MO magnetooptical 这种光盘类似于磁盘 可以重复读写 是很有发展前途的辅助存储器 它采用的是磁光 M O 可重写技术 4 数字通用光盘 DVD digitalversatiledisc 单面单层容量 4 7G 双面双层容量 17GB 76 6 6 2光盘存储器读 写原理 光盘存储器是利用激光束在记录表面上存储信息的 根据激光束及反射光的强弱不同 可以完成信息的读写 它的读 写装置与光盘片的距离可比磁存储器磁头与盘片的距离大些 是非接触型读写性质的存储器 其记录原理有形变型 相变型和磁光型等 77 6 6 2光盘存储器读 写原理 1 形变型对于只读型和只写一次型光盘写入时 将激光束聚焦成直径为小于1 m的微小光点 以其热作用 融化盘表面上的光存储介质薄膜 在薄膜上形成小洞 凹坑 有洞的位置表示记录了 1 没有洞的位置表示 0 读出时 在读出光束的照射下 在有凹坑处和无凹坑处反射的光强是不同的 利用这种差别 可以读出二进制信息 78 6 6 2光盘存储器读 写原理 2 相变型有些光存储介质在激光照射下 晶体结构会发生变化 利用介质处于晶态和非晶态区