第5章 系统输入输出

1第5章系统输入输出(I/O)常用I/O设备输入设备键盘图形输入设备（鼠标，图形板，等等）图像输入设备（扫描仪、数码相机、等等）条形码、光学字符识别（OCR）输出设备显示器、打印机、绘图仪、语音输出外存储器磁带、磁盘、光盘、其他脱机输入输出设备软磁盘数据站等2I/O设备的分类字符型设备打印机键盘显示设备终端……….块设备磁盘、磁带………..声卡

（1）声卡的基本功能

声卡（SoundCard）是多媒体技术中最基本的组成部分，是实现声波/数字信号相互转换的硬件。声卡的基本功能是把来自话筒、磁带、光盘的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器、扩音机及录音机等声响设备，或通过音乐设备数字接口（MIDI）使乐器发出美妙的声音。

声卡的工作原理：麦克风和喇叭所用的都是模拟信号，而PC所能处理的都是数字信号，声卡的作用就是实现两者的转换。从结构上看，声卡可分为模数转换电路和数模转换电路两部分，模数转换电路负责将麦克风等声音输入设备采到的模拟声音信号转换为电脑能处理的数字信号；而数模转换电路负责将电脑使用的数字声音信号转换为喇叭等设备能使用的模拟信号。（2）声卡的基本结构

声卡由各种电子器件和连接器组成。电子器件包括集成电路芯片、晶体管和阻容元件，用来完成各种特定的功能。连接器一般有插座和圆形插孔两种，用来连接输入/输出信号。声卡的基本结构如图4-10所示。图4-10声卡功能模块示意图1．声音控制/处理芯片2．功放芯片3．声音输入/输出端口（3）声卡的存在形式声卡的存在形式主要有如下3种。内置独立声卡：以扩展卡的形式，插在主板扩展槽上。内置主板集成声卡：主板集成AC

97标准软、硬声卡。外置声卡。9输出设备——显示器以可见光的形式传递和处理信息的设备叫显示设备，是目前计算机系统中应用最广泛的人机界面设备。显示器的分类：

按显示设备所用的显示器件分类：LCD、CRT、PDP显示器。

按所显示的信息内容分类：字符、图形、图像显示器。按设备功能分类：普通显示器和显示终端。10CRT（阴极射线管）显示器CRT（cathoderaytube）：由电子枪、偏转装置、荧光屏组成。电子枪：由灯丝、阴极、栅极、加速阳极、聚焦极组成。阴极：发出电子；栅极：控制电子束的强度；加速阳极：对电子束进行加速；聚焦极：电子束的聚焦；偏转极：控制电子束的运动方向。荧光屏：将电子束的动能转化为光能。11CRT的工作原理P306图9.412平板显示器液晶显示器（LCD）利用液态晶体调制外照光实现显示。主要应用于便携式电子产品、监视器、消费类电子产品。彩色等离子显示器（PlasmaDisplayPanel）利用惰性气体放电发光显示；易于大面积、全色、广角显示；能持续长时间工作、功耗低。13显示技术中的常见术语图形（Graphics）：没有亮暗层次变化的线条图。图像（Image）：具有亮暗层次的图。图形学：研究如何用计算机表示现实世界的事物。图像处理：去除噪音，恢复原形，使图像清晰，并从中抽取有用的信息。像素/像象元：Pixel14显示技术中的常见术语分辨率/解析度（Resolution）：显示设备能表示的像素个数。如640×480、1024×768、1024×1024等。像素越密，分辨率越高分辨率取决于显示设备灰度级（GrayLevel）：显示像素点的亮暗差别，在彩色显示器中表现为颜色的不同。灰度级越多，图像层次越逼真灰度级取决于刷新存储单元的位数和显示设备的性能。15显示技术中的常见术语刷新：在图像消失之前不断地重复扫描整个屏幕的过程。刷新频率大于30次/秒电视标准：50帧/秒帧存储器：存储图像的存储器帧存储器的容量由分辨率和灰度级决定1024X1024,256级灰度的图像存储容量为1MB扫描：电子束按某种轨迹在荧光屏上运动随机扫描：电子束随机在荧光屏上运动，只在需要作图的地方扫描，而不必扫描全屏幕。光栅扫描：电子束从上至下在荧光屏上运动，有逐行扫描和隔行扫描两种方式。16字符的显示原理字形的产生（见311页图9.5a）字符的显示过程点计数器：控制字符发生器中每行点的输出个数。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(视频存储器)地址。光栅地址计数器：对字符窗口的高度进行控制。垂直地址计数器：对一屏中显示的行数进行控制。VRAM的地址由水平地址计数器和垂直地址计数器决定。VRAM中存放的是字符的ASCII码。VRAM输入的ASCII码作为字符ROM的高位地址，ROM的低位地址来自光栅地址计数器。（见311页图9.5b）17字符的显示原理P311图9.618图形和图像显示光栅扫描显示器是当前应用最多的显示器光栅扫描是把屏幕上每个像素的信息都存储起来，然后按地址逐个刷新显示在微机系统中，主机和显示设备之间的电路放在显示适配器接口中19IBMPC系列机的显示系统1.显示标准随着IBMPC系列机的升级发展，PC机采用的显示标准经历了如下变化：MDA→CGA→EGA→VGA→SuperVGAMDA：是PC机最早使用的显示标准。MDA是单色字符显示适配器，采用9×14点阵的字符窗口，满屏显示80列×25行字符，对应分辨率为720×350个像素。CGA：是彩色图形/字符显示适配器，可以兼容字符和图形两种显示方式。在图形方式下，可以显示320×200像素四种颜色的彩色图形。20显示标准EGA：显示标准兼容CGA和MDA各种显示方式，在图形方式下分辨率为640×350，16种颜色。VGA：显示标准下，字符窗口为9×16点阵，图形方式下分辨率为640×480，16种颜色，或320×200，256种颜色。扫描频率(水平同步)是31.5kHz，刷新频率(垂直同步)是60Hz。VGA显示适配器还增添了一个新接口VFC，允许来自其他设备的图形，图像信号与适配器生成的图形信号合成。自IBM公司推出VGA后，VESA(美国视频电子标准协会)定义了一个VGA扩展集，将显示方式标准化，从而成为著名的SuperVGA模式。该模式除兼容MDA，CGA，EGA，VGA的显示方式外，还支持1280×1024像素光栅，每像素点24位颜色深度，刷新频率可达75Hz。

显示适配器也称显卡、视频卡、图形显示适配器等。显示适配器的基本作用是将系统中主处理器送来的数据处理成显示器认识的格式，再送到显示器形成图像。显示适配器与显示器

22显示适配器显示适配器由刷新存储器、显示控制器、ROMBIOS三部分组成。刷存的重要性能指标是它的带宽。实际工作时显示适配器的几个功能部分要争用刷存的带宽。假定总带宽的50%用于刷新屏幕，保留50%带宽用于其他非刷新功能。

(1)若显示工作方式采用分辨率为1024×768，颜色深度为3B，帧频(刷新速率)为72Hz，计算刷存总带宽应为多少?(2)为达到这样高的刷存带宽，应采取何种技术措施?显示适配器的外观显示适配器插在主板的ISA、PCI、AGP扩展插槽中。现在也有一些主板是集成显示适配器的。

显示适配器的组成显示主芯片显示缓存(显存)数字模拟转换器（RAMDAC）BIOS总线接口输出接口显示适配器的作用信息模式的转换显示信息的控制对图形函数进行加速26解：(1)∵刷新所需带宽=分辨率×每个像素点颜色深度×刷新速率∴1024×768×3B×72/s=165888KB/s=162MB/s

刷存总带宽应为162MB/s÷50%=324MB/s(2)为达到这样高的刷存带宽，可采用如下技术措施：①使用高速的DRAM芯片组成刷存；②刷存采用多体交叉结构；③刷存至显示控制器的内部总线宽度由32位提高到64位，甚至128位；④刷存采用双端口存储器结构，将刷新端口与更新端口分开。彩色投影仪●属于一种数字化设备，主要被用于计算机信息的显示

●在数字化、小型化、高亮度显示等方面具有鲜明的特点●彩色投影仪概念●

CRT投影仪：实现最早、应用最为广泛的一种显示技术●

LCD投影仪：又分为液晶光阀投影仪和液晶板投影仪两类

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DLP投影仪：在图像灰度、色彩等方面达到很高的水准

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LCOS投影仪：最大的优点是分辨率高

●彩色投影仪分类71/73●亮度：分别测量均匀分布在9个点的ANSI流明值，取其平均值●对比度：投影画面最亮区和最暗区的亮度之比●

均匀度：投影画面边缘亮度与中心亮度的比值。好投影机均匀度>95%

●分辨率：投影机可以多种分辨率工作，但最佳只有一个，即标准分辨率●光源寿命：投影机的光源是一种采用特殊材料制作的灯泡●主要技术指标彩色投影仪72/7329输出设备——打印机按印字原理分击打式：点阵针式打印机非击打式：激光、喷墨、静电打印机按工作方式串行：逐字打行式：逐行打宽行/窄行彩色/单色30点阵针式打印机

点阵针式打印机是目前应用最普及的一种打印设备，特点是结构简单、体积小、重量轻、价格低、字符种类不受限制，易实现汉字打印，还可以打印图形/图像，因此在微小型机中都配置这种打印机。点阵针式打印机的印字方法是由打印针选择n×m个点阵组成的字符图形。显然点越多，印字质量越高。西文字符点阵通常有5×7，7×7，7×9等几种，中文汉字至少要16×16或24×24点阵。为了减少打印头制造的难度，串行点阵打印机的打印头中只装有一列m根打印针，每针可以单独驱动(意味着最多可以并行驱动m根打印针)，印完一列后打印头沿水平方向动一步微小距离，n步以后，可形成一个n×m点阵的字符。以后又照此逐个字符进行打印。31针式打印机的结构针式打印机由打印头与字车、输纸机构、色带机构与控制器四部分组成。图9.8为针式打印机构示意图。打印头由打印针、磁铁、衔铁等组成。输纸机构由步进电机驱动，每打印完一行字符，按给定要求走纸，走纸的步距由字符行间距离决定。色带的作用是供给色源，在打印过程中色带不断移动，改变其受击打的位置，以免破损。驱动色带不断移动的装置称色带机构。打印控制器与显示控制器类似，主要包括字符缓冲存储器、字符发生器、时序控制电路和接口四部分。主机将欲打印的字符通过接口送到缓存，在打印时序控制下，从缓存顺序取出字符代码，对字符代码进行译码，得到字符发生器ROM的地址，逐列取出字符点阵并驱动打印头，形成字符点阵。打印速度约每秒100个字符。32常见打印机——点阵针式打印机P314图9.833激光打印机激光打印机是激光技术和电子照相技术结合的产物，其基本原理与静电复印机相似。激光器输出的激光束经光学透镜系统被聚焦成一个很细小的光点，沿着圆周运动的滚筒进行横向重复扫描。滚筒是记录装置，表面镀有一层具有光敏特性的感光材料，通常是硒，因此又将滚筒称为硒鼓。硒鼓在未被激光束扫描之前，首先在黑暗中充电，使鼓表面均匀地沉积一层电荷。此后根据控制电路输出的字符或图形，变换成数字信号来驱动激光器的打开与关闭。扫描时激光器将对鼓表面有选择地曝光，曝光部分产生放电现象，未曝光部分仍保留充电时的电荷，从而形成静电潜像。随着鼓的转动，潜像部分将通过装有碳粉盒的显影器，使得具有字符信息的区域吸附上碳粉，达到显影的目的。当鼓上的字符信息区和普通纸接触时，由于在纸的34激光打印机

背面施以反向的静电电荷，鼓表面上的碳粉就会被吸附到纸上来，这个过程称为转印。最后，当记录有信息的纸经过定影辊高温加热，碳粉被溶化，永久性地粘附在纸上，达到定影的效果。另一方面，转印后的鼓面还留有残余的碳粉。因此先要除去鼓表面的电荷，然后经清扫刷，将残余的碳粉全部清除。清除以后的鼓表面又继续重复上述的充电、曝光、显影、转印、定影等一系列过程。激光印字机是非击打式硬拷贝输出设备，输出速度快，印字质量高，可使用普通纸张。其印字分辨率达到每英寸300个点以上，缓冲存储器容量一般在1MB以上，对汉字或图形/图像输出，是理想的输出设备，因而在办公自动化及轻印刷系统中得到了广泛的应用。35激光打印机P315图9.936激光打印机37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。38常见打印机——喷墨打印机P318图9.1139常见打印机——喷墨打印机P319图9.1240常见打印机——热转印打印机将具有热敏性能的油墨涂在涤纶基膜上，印字时加热印字头，然后将印字头压在色带上，色带上的颜色在记录纸上形成字符和图形/图像。41输入设备——键盘键盘是目前应用最普遍的一种输入设备，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，然后将它转换成ASCII码或其他码，送给主机。常用的标准键盘有101个键（104个键）。ASCII：美国标准信息交换码，每个字符用7位二进制代码表示，是由128个字符组成的字符集。见296页表9.2。42输入设备——键盘43输入设备——鼠标鼠标以其快捷、准确、直观的屏幕定位和选择能力而受欢迎，目前已经成为微机必备的输入设备。鼠标是一种手持的坐标定位部件，有两种类型：机械式和光电式。鼠标只输入相对坐标。44输入设备——鼠标P298图9.1扫描仪扫描仪scanner是一种计算机外部仪器设备，通过捕获图像并将之转换成计算机可以显示、编辑、存储和输出的数字化输入设备。对照片、文本页面、图纸、美术图画、照相底片、菲林软片，甚至纺织品、标牌面板、印制板样品等三维对象都可作为扫描对象，提取和将原始的线条、图形、文字、照片、平面实物转换成可以编辑及加入文件中的装置。手持式扫描仪

平板式扫描仪

底片扫描仪

馈纸式扫描仪

笔式扫描仪

扫描仪的分类平板式扫描仪外观

底片扫描仪外观

笔式扫描仪外观

扫描仪的工作原理

扫描仪工作时，首先由光源将光线照在欲输入的图稿上，产生表示图像特征的反射光（反射稿）或透射光（透射稿），光学系统采集这些光线，将其聚焦在感光器件上，由感光器件将光信号转换为电信号，然后由电路部分对这些信号进行A/D转换及处理，产生对应的数字信号输送给计算机。扫描仪主要性能指标分辨率：分辨率是扫描仪最主要的技术指标，它表示扫描仪对图像细节上的表现能力，即决定了扫描仪所记录图像的细致度，其单位为PPI。色彩位数：色彩数表示彩色扫描仪所能产生颜色的范围灰度：灰度级表示图像的亮度层次范围速度：扫描速度有多种表示方法，因为扫描速度与分辨率，内存容量，软盘存取速度以及显示时间，图像大小有关，通常用指定的分辨率和图像尺寸下的扫描时间来表示。幅面：表示扫描图稿尺寸的大小，常见的有A4、A3、A0幅面等文字识别系统OCR

OCR是文字识别系统的简称，它是英文Opticalcharacterrecognition的缩写，原意是光学字符识别。它的功能是通过扫描仪等光学输入设备读取印刷品上的文字图像信息，利用模式识别的算法，分析文字的形态特征从而判别不同的汉字。在扫描仪发展史上，文字识别软件（OCR）的出现，实现了将印刷文字扫描得到的图片转化为文本文字的功能，提供了一种全新的文字输入手段，大大提高了用户工作的效率，同时也为扫描仪的应用带来了进步。数码照相机数码相机是集光学、机械、电子一体化的产品。它集成了影像信息的转换、存储和传输等部件，具有明基数码相机C850数字化存取模式，与电脑交互处理和实时拍摄等特点。光线通过镜头或者镜头组进入相机，通过成像元件转化为数字信号，数字信号通过影像运算芯片储存在存储设备中。数码相机的成像元件是CCD或者CMOS，该成像元件的特点是光线通过时，能根据光线的不同转化为电子信号。数码相机最早出现在美国，20多年前，美国曾利用它通过卫星向地面传送照片，后来数码摄影转为民用并不断拓展应用范围。优缺点优点：1、拍照之后可以立即看到图片，从而提供了对不满意的作品立刻重拍的可能性，减少了遗憾的发生。2、只需为那些想冲洗的照片付费，其它不需要的照片可以删除。3、色彩还原和色彩范围不再依赖胶卷的质量。4、感光度也不再因胶卷而固定，光电转换芯片能提供多种感光度选择。缺点：1、由于通过成像元件和影像处理芯片的转换，成像质量相比光学相机缺乏层次感。2、由于各个厂家的影像处理芯片技术的不同，成像照片表现的颜色与实际物体有不同的区别。3、由于中国缺乏核心技术，后期使用维修成本较高。

数码照相机的分类方法很多，各有其特点。按照所采用的图像传感器分类，数码相机可分为线阵CCD相机、面阵CCD相机和CMOS相机；按照价格可分为低档相机、中档相机和高档相机；按照使用对象可分为家用型相机、商用型相机和专业型相机；按照机身结构可分为单反相机、简易型相机和长焦相机。数码照相机的分类单反相机

单反数码相机指的是单镜头反光数码相机，即Digital数码、Single单独、Lens镜头、Reflex反光。单反数码相机的一个很大的特点就是可以交换不同规格的镜头。单反数码相机

卡片相机

卡片相机也是超薄数码相机，卡片相机没有明确的概念，小巧的外形、相对较轻的机身以及超薄时尚的设计是衡量此类数码相机的主要标准。它的功能并不强大，但是最基本的曝光补偿功能是超薄数码相机的标准配置，加上区域或者点测光模式，卡片相机能够完成一些基本的摄影创作。长焦相机

长焦数码相机指的是具有较大光学变焦倍数的机型，而光学变焦倍数越大，能拍摄的景物就越远。一些镜头越长的数码相机，内部的镜片和感光器移动空间更大，所以变焦倍数也更大。长焦数码相机

数码照相机的构成模数转换

存储器

数码相机工作原理图

光线

镜头

光线

CCD

图像压缩

数码照相机技术指标像素文件格式分辨率连续拍摄数字摄像头

摄像头的工作原理大致为：景物通过镜头（LENS）生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经过A/D转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片（DSP）中加工处理，再通过USB接口传输到电脑中处理，通过显示器就可以看到图像了。数字摄像头的组成镜头（LENS）图像传感器（SENSOR）数字信号处理芯片（DSP）电源

摄像头外观

数字摄像头技术指标像素USB接口规范视频捕捉速度调焦、快门

数码摄像机

数码摄像机是将光信号通过CCD转换为电信号，再经过模拟数字转换，以数字格式将信号保存在磁带、闪存卡、DVDRW光盘或硬盘上的一种摄像记录设备。数码摄像机外观

数码摄像机简介

在许多场合下我们用DV来代表数码摄像机。DV是DigitalVideo的缩写，译成中文就是“数字视频”的意思。从内部结构上讲，数码摄像机包括可变焦光学透镜系统、取景器、CCD摄像器件、A/D转换器、数字信号处理器DSP、数字音频处理和记录系统、磁带加载和伺服机构、液晶显示器和信号输出控制单元。

数码摄像机的特点如下：（1）清晰度高，色彩更加纯正。（2）体积小，重量轻。（3）记录声音达到CD水平（4）能与计算机进行信息交换按照使用用途分类1、广播级机型：这类机型主要应用于广播电视领域，图像质量高，性能全面，但数码摄像机价格较高，体积也比较大，它们的清晰度最高，信噪比最大，图象质量最好。当然几十万元的价格也不是一般人能接受得了的。例如松下的DVCPRO50M以上的机型等。2、专业级机型：这类机型一般应用在广播电视以外的专业电视领域，如电化教育等，图像质量低于广播用摄像机，不过近几年一些高档专业摄像机在性能指标等很多方面已超过旧型号的的广播级摄像机，价格一般在数万致十几万元之间。代表机型例如索尼公司的DVCAM系列机型。3、消费级机型：这类机型主要是适合家用使用的摄像机，应用在图像质量要求不高的非业务场合，比如家庭娱乐等，这类摄像机体积小重量轻，便于携带，操作简单，价格便宜。在要求不高的场合可以用它制作个人家庭的的VCD、DVD，价格一般在数千元至万元级。数码摄像机的感光器件

数码摄像机的感光器件也即数码摄像机感光成像的部件，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号。目前数码摄像机的核心成像部件有CCD和CMOS两种。光学变焦与数码变焦

光学变焦通过改变变焦镜头中的各镜片的相对位置来改变镜头的焦距，数码摄像机的光学变焦方式与传统35mm相机差不多，通过镜片移动来放大与缩小需要拍摄的景物，光学变焦倍数越大，能拍摄的景物就越远。

数码变焦并没有改变镜头的焦距，只是通过改变成像面对角线的角度来改变视角，从而产生了“相当于”镜头焦距变化的效果。数码变焦是通过数码相机内的处理器，把图片内的每个像素面积增大，从而达到放大目的。触摸屏

触摸屏是一种坐标定位装置，用手触摸显示器上显示的菜单或按钮时，实际上触摸的是触摸检测装置，该装置将触摸位置的坐标数据通过通讯口送给计算机，做出相应的响应。触摸屏按照技术原理可以分为电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外线触摸屏、表面声波触摸屏等。电阻式触摸屏

电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属（透明的导电电阻）导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层、它的内表面也涂有一层涂层、在它们之间有许多细小的的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，然后送触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出触摸的位置。电容式触摸屏

电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于