《计算机组成原理》-第７章

第７章输入／输出设备７.１外围设备７.２显示器７.３显卡７.４打印设备７.５输入设备７.６硬磁盘存储设备７.７光盘存储设备返回７.１外围设备外围设备也称为Ｉ／Ｏ设备，它们是指计算机系统中，除主机以外，直接或间接与计算机交换数据、改变媒体或载体形式的装置。７.１.１外围设备的一般功能外围设备为计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供联系。外围设备的基本组成：①存储介质，具有保存信息的物理特征。②驱动装置，用于移动存储介质。③控制电路，向存储介质发送数据或从存储介质接收数据。下一页返回７.１外围设备７.１.２外围设备的分类一个计算机系统配备什么样的外围设备，是根据实际需要来决定的。中央部分是ＣＰＵ和主存，通过总线与第二层的适配器（接口）部件相连，第三层是各种外围设备控制器，最外层则是外围设备。外围设备可分为输入设备、输出设备、外存设备、数据通信设备和过程控制设备几大类。每一种外围设备，都是在它自己的设备控制器控制下进行工作的，而设备控制器则通过适配器和主机连接，并受主机控制。上一页返回７.２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。７.２.１显示器的类型计算机系统中的显示设备种类很多，目前计算机系统中使用最广泛的是阴极射线管（ＣａｔｈｏｄｅＲａｙＴｕｂｅ，ＣＲＴ）、等离子显示板（ＰｌａｓｍａＤｉｓｐｌａｙＰａｎｅｌ，ＰＤＰ）、液晶显示（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ，ＬＣＤ）和发光二极管（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ，ＬＥＤ）等。按所显示的信息内容分类，有字符显示器、图形显示器、图像显示器三大类。下一页返回７.２显示器１.ＣＲＴ显示器ＣＲＴ显示器相当于没有高频接收部分的电视机，它的基本原理是用一个电子束密集地对荧光屏高速逐行扫描，通过对电子束的扼制，控制荧光屏上的各点的隐或现，在荧光屏上显示字符或图形。ＣＲＴ显示器一般采用光栅扫描方式，即电子束从左向右、自上向下做水平扫描和垂直扫描，电子束撞击显示屏上的众多的荧光粉点而使其发光，每个发光点就是一个像素。一屏扫描结束以后，再从第一行开始进行扫描，以维持屏幕上原来的图形连续显示，或反映字符图形的变化。上一页下一页返回７.２显示器ＣＲＴ显示器具有清晰度高、实时性好、可进行动态显示等优点，缺点是体积大、笨重、耗电多，还需要高压供电，现在日趋淘汰。２.ＬＣＤ显示器ＬＣＤ使用液态晶体作为显示材料。液晶即液态晶体，是一种很特殊的物质，是一种具有规则性分子排列的有机化合物。它介于固体与液体之间，既像液体一样能流动，又具有晶体的某些光学性质。液晶分子的排列不像固态晶体那样牢固，它柔软易变，受电场、磁场、温度等外部条件作用时，液晶分子就会重新排列，并且它具有各向异性的光学特性。上一页下一页返回７.２显示器液晶通常有三种不同的分子结构：黏土状液晶、细柱状液晶和软胶状液晶。在ＬＣＤ中使用的黏土状液晶是一种向列液晶，其分子形状为细长棒形，在不同电场作用下，液晶分子会做规则旋转９０°排列，产生光散射效应、旋光效应、双折射效应等光学效应，形成透光度的差别，如此在电源开和关的作用下产生明暗的区别，以此原理控制每个像素，便可构成所需图像。ＬＣＤ多用偏光器控制光线的透过率。当有环境光或背面光时，经光的透射而显示文字或图形。色彩则由与每个像素点对应的红、绿、蓝３个色彩过滤器过滤控制。上一页下一页返回７.２显示器如图７－１所示，通常在两片玻璃基板上装有配向膜，液晶会沿着沟槽配向，当玻璃基板的配向沟槽偏离９０°时，液晶中的分子就会在同一平面内像百叶窗一样一条一条整齐排列，而分子的向列从一个液面到另一个液面过渡时会逐渐扭转９０°，也就是说，两层分子的排列的相位相差９０°。３.等离子显示器等离子显示器是一种利用气体放电的显示装置，其屏幕由多个放电小空间排列而成，每一个放电小空间称为ｃｅｌｌ。上一页下一页返回７.２显示器每一个ｃｅｌｌ都是注入有氖、氙气体或水银气体的真空玻璃管，加高电压后，使气体产生等离子效应，放出紫外线，激励平板显示器上的红、绿、蓝三基色荧光粉发出红、绿、蓝（ＲＧＢ）三原色当中的一色可见光，并利用激发时间的长短来产生不同的亮度。人们看到的多重色调的颜色，是由三个ｃｅｌｌ混合不同比例的原色而混成的。密布的ｃｅｌｌ的明暗和颜色变化组合，可以产生各种灰度和色彩的图像。如图７－２所示，等离子显示器一般由三层玻璃板组成。在第一层的里面涂有导电材料的垂直条，中间层是ｃｅｌｌ阵列，第三层表面涂有导电材料的水平条。上一页下一页返回７.２显示器要点亮某个地址的ｃｅｌｌ，开始要在相应行上加较高的电压，等该ｃｅｌｌ点亮后，可用低电压维持ｃｅｌｌ的亮度。要关掉某个ｃｅｌｌ，只要将相应的电压降低即可。ｃｅｌｌ开关的周期时间是１５ｍｓ，通过改变控制电压，可以使等离子板显示不同灰度的图形。４.ＬＥＤ显示器ＬＥＤ显示屏又叫电子显示屏或者飘字屏幕。如图７－３所示，它由ＬＥＤ点阵和ＬＥＤＰＣ面板组成，通过红色、蓝色、白色、绿色ＬＥＤ灯的亮灭来显示文字、图片、动画、视频。常常采用把几种能产生不同基色的ＬＥＤ管芯封装成一体，每个像素由若干个各种单色ＬＥＤ组成，常见的成品称像素筒。上一页下一页返回７.２显示器双色像素筒一般由２红１绿组成，三色像素筒用１红１绿１蓝组成。无论用ＬＥＤ制作单色、双色或三色屏，欲显示图像，需要构成像素的每个ＬＥＤ的发光亮度都必须能调节，其调节的精细程度就是显示屏的灰度等级。灰度等级越高，显示的图像就越细腻，色彩也越丰富，相应的显示控制系统也越复杂。一般２５６级灰度的图像，颜色过渡得十分柔和，而１６级灰度的彩色图像，颜色过渡界线十分明显。所以，彩色ＬＥＤ屏一般都要求做成２５６～４０９６级灰度的。７.２.２显示器的技术指标１.点距、分辨率上一页下一页返回７.２显示器显示屏幕上相邻两个像素中心点之间的距离称为显示器的点距（ｄｏｔｐｉｔｃｈ）。目前市场上显示器的点距（也称像素点的直径）有０.２１ｍｍ、０.２５ｍｍ、０.２８ｍｍ、０.３１ｍｍ和０.３９ｍｍ等几种，其中以０.２８ｍｍ的较多。点距越小，图像的清晰度越高。显示屏幕的像素点数目称为该显示器的空间分辨率。它是与点距和屏幕大小都有关的一项指标，表示了显示器的相对清晰度。同样的屏幕，点距越小，分辨率越高；同样的点距，屏幕越大，分辨率越高。一个显示屏的分辨率可以用软的或硬的方法在一定范围内进行设置。在最高分辨率下，一个发光点对应一个像素。上一页下一页返回７.２显示器如果设置低于最高分辨率，则一个像素可能覆盖多个发光点。每个像素可以有不同的灰度和颜色。灰度和颜色也称显示器的颜色分辨率，要用二进制码控制。２.显示模式显示模式指所符合或采用的视屏显示标准，这些标准给出了显示器的最大颜色数和最大分辨率。３.屏幕比例屏幕比例是其宽度与高之比。目前标准的屏幕比例有４∶３和１６∶９，同时还存在的比例有１６∶１０和１５∶９。上一页下一页返回７.２显示器４.可视角度可视角度指人能清晰地看见屏幕图像的最大角度。目前，ＬＣＤ显示器的可视角度可以达到１７０°，但是要分水平可视角度和垂直可视角度，其水平可视角度左右对称，垂直可视角度则上下不对称。ＣＲＴ显示器的可视角度为１８０°，其上下、左右对称。５.响应时间响应时间是用来表示液晶显示器个像素点对输入信号的反应速度，也就是液晶由暗转亮（上升）到由亮到暗（下降）所需的时间，单位是ｍｓ。响应时间是上升时间和下降时间之和。响应时间超过４０ｍｓ，就会出现拖尾现象。上一页下一页返回７.２显示器现在大多数ＬＣＤ显示器的响应时间在２～８ｍｓ之间。６.亮度和对比度亮度是人眼所感觉到的颜色的明暗程度。对ＬＣＤ显示器来说，其亮度指光源通过液晶透射出的光强度，单位是（ｃｄ／ｍ２）。一般ＬＣＤ显示器的亮度为３００ｃｄ／ｍ２。对比度是屏幕上最亮处与最暗处亮度的比值。人眼可分辨的对比度约为１００∶１，当显示器的对比度超过１２０∶１，才可以给人以生动、丰富的感觉。目前液晶显示器的对比度已经可以超过到８００００∶１。７.接口标准上一页下一页返回７.２显示器接口可以分为模拟接口和数字接口两大类。液晶显示器的数字接口标准有Ｄ－Ｓｕｂ（ＶＧＡ），ＬＶＤＳ，ＴＤＭＳ，ＧＶＩＦ，Ｐ＆Ｄ，ＤＶＩ和ＤＦＰ等。其中ＤＶＩ（ｄｉｇｉｔａｌｖｉｓｕａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅ）既可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。８.坏点ＬＣＤ的每个像素点都由３个单元组成，分别负责红、绿和蓝色的显示。每一个单元破坏，都可以形成一个坏点，形成“红点”、“蓝点”、“绿点”３种坏点，若３个单元都破坏，则称其为“亮点”。依显示器坏点和亮点的数量，可以将显示器分为如下等级：上一页下一页返回７.２显示器ＡＡ级：没有坏点。Ａ级：坏点在３个以下，亮点不超过１个且不在屏幕中部。Ｂ级：坏点在３个以下，亮点不超过２个且不在屏幕中部。Ｃ级：坏点在５个以下，亮点不超过３个且不在屏幕中部。上一页返回７.３显卡显卡（ｖｉｄｅｏｃａｒｄ，ｄｉｓｐｌａｙｃａｒｄ，ｇｒａｐｈｉｃｓｃａｒｄ）又称为显示适配器（ｖｉｄｅｏａｄａｐｔｅｒ），是连接显示器和计算机的重要元件。早期的ＣＲＴ显示器采用模拟信号驱动显示，而计算机中采用数字信号，因此显卡的基本作用是进行Ｄ／Ａ转换，把计算机提供的数字输出信号转换为模拟的Ｒ、Ｇ、Ｂ信号以及行扫描、场同步信号。现代显卡的主要功能主要是进行图形处理，以降低ＣＰＵ的负担。显卡由ＧＰＵ（GraphicProcessingUnit，图形处理器）、显示ＢＩＯＳ、显示内存、ＲＡＭＤＡＣ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙＤｉｇｉｔａｌ－ｔｏ－ＡｎａｌｏｇＣｏｎｖｅｒｔｅｒ，随机存取数字／模拟转换器）、输出接口和连接主板总线等组成。下一页返回７.３显卡ＧＰＵ是一个专门的图形核心处理器。显示ＢＩＯＳ是ＣＰＵ与驱动程序之间的控制程序，并储存有显示卡的型号、规格、生产厂家及出厂时间等信息。显示内存的主要功能就是暂时储存显示芯片要处理的数据和处理完毕的数据。ＲＡＭＤＡＣ用于将显示存储器中数字信号转换为显示器能使用的ＲＧＢ模拟信号。显卡的主要技术参数有如下几个。１.核心频率显卡的核心频率是指显示核心的工作频率。在同样级别的芯片中，核心频率高的则性能要强一些，提高核心频率就是显卡超频的方法之一。上一页下一页返回７.３显卡２.显存频率显存速度一般以ｎｓ（纳秒）为单位。常见的显存速度有７ｎｓ，６ｎｓ，５.５ｎｓ，５ｎｓ，４ｎｓ，３.６ｎｓ，２.８ｎｓ以及２.２ｎｓ。３.显存容量显存容量也叫显示内存容量，是指显卡上的显示内存的大小。显示内存的主要功能在将显示芯片处理的数据暂时储存在显示内存中，然后再将显示资料映像到显示屏幕上，显卡达到的分辨率越高，屏幕上显示的像素点就越多，所需的显示内存也就越多。上一页下一页返回７.３显卡４.显存位宽显存位宽是显存在一个时钟周期内所能传送数据的位数，位数越大，则瞬间所能传输的数据量越大，这是显存的重要参数之一。目前市场上的显存位宽有６４位、１２８位和２５６位三种，人们习惯上叫的６４位显卡、１２８位显卡和２５６位显卡就是指其相应的显存位宽。显存位宽越高，性能越好，价格也就越高。上一页返回７.４打印设备打印输出是计算机最基本的输出形式。与显示器输出相比，打印输出可产生永久性记录，因此打印设备又称为硬拷贝设备。１.打印设备的分类按印字原理分，分为击打式和非击打式两大类。击打式是利用机械作用使印字机构与色带和纸相撞击而打印字符。因此，习惯上将属于击打式打印方式的机种称为“打印机”。击打式设备的成本低，缺点是噪声大，速度慢。非击打式是采用电、磁、光、喷墨等物理、化学方法印刷字符，因此习惯上将这类非击打式的机种称为“印字机”，如激光印字机、喷墨印字机等。非击打式的设备速度快，噪声低，印字质量高，但价格较高，有的设备还需要专用纸张。下一页返回７.４打印设备按工作方式分，可分为串行打印机与行式打印机两种。串行打印机是逐字打印的，行式打印机是一次可以输出一行，因而行式打印机的速度比串行打印机快。另外，还有能够输出图形／图像的打印机、具有彩色效果的彩色打印机等。２.打印机的性能指标下面讨论打印机所共有的主要性能指标。（１）打印分辨率上一页下一页返回７.４打印设备分辨率是判断打印机输出效果好坏的一个很直接的依据，也是衡量打印机输出质量的重要参考标准，用ｄｐｉ（ｄｏｔｐｅｒｉｎｃｈ）作为单位。打印分辨率其实就是指打印机在指定打印区域中，可以打出的点数。对于喷墨打印机来说，就是表示每英寸的输出面积上可以输出多少个喷墨墨滴，打印分辨率越高，图像输出效果就越逼真。打印分辨率一般包括纵向和横向两个方向，它的具体数值大小决定了打印效果的好坏与否，一般情况下激光打印机在纵向和横向两个方向上的输出分辨率几乎是相同的；而喷墨打印机在纵向和横向两个方向上的输出分辨率相差很大，一般情况下所说的喷墨打印机分辨率就是指横向喷墨表现力。上一页下一页返回７.４打印设备点阵打印机常见的打印分辨率为每英寸１８０个点或３００个点，记作180ｄｐｉ或300ｄｐｉ。喷墨打印机的分辨率一般为６００×１２００ｄｐｉ，１２００×1200ｄｐｉ，2400×１２００ｄｐｉ。激光打印机的主流打印分辨率为６００×６００ｄｐｉ，更高的分辨率可以达到1200×１２００ｄｐｉ。由于激光打印机在工作时可能会因抖动或其他问题，在打印纸张上出现锯齿现象，因此为了保证打印效果，大家应尽量选择分辨率在６００ｄｐｉ以上的激光打印机。常用的小型激光印字机、喷墨印字机的分辨率为每英寸３００～６００点，打印幅面一般为标准Ａ４型号的标准纸张。有些高级的打印机还允许切换使用多种幅面规格和不同材料质量的打印媒质。上一页下一页返回７.４打印设备（２）打印幅面不同用途的打印机所能处理的打印幅面是不相同的。通常，打印机可以处理的打印幅面包括Ａ４幅面以及Ａ３幅面两种；对于使用频繁或者需要处理大幅面的办公用户或者单位用户来说，可以考虑选择使用Ａ３幅面的打印机，甚至使用更大的幅面。有些专业输出要求的打印用户，例如工程晒图、广告设计等，都需要考虑使用Ａ２或者更大幅面的打印机。（３）打印速度点阵打印机速度用ｃｐｓ（ｃｈａｒａｃｔｅｒｐｅｒｓｅｃｏｎｄ）衡量，它指每秒打印的字符数，一般每秒钟３００个字符左右，记作３００ｃｐｓ。上一页下一页返回７.４打印设备激光打印机则以ｐｐｍ（ｐａｇｅｐｅｒｍｉｎｕｔｅ）衡量，它指用Ａ４幅面打印各色碳粉覆盖率为５％的情况下每分钟的打印页数。由于每页的打印量并不完全一样，因此ｐｐｍ只是衡量打印速度的一个平均数字的指标。目前，激光打印机市场上，普通产品的打印速度可以达到３５①ｐｐｍ，而那些高端的激光打印机打印速度可以超过８０ｐｐｍ。不过，激光打印机的最终打印速度还可能受到其他一些因素的影响，比如激光打印机的数据传输方式、激光打印机的内存大小、激光打印机驱动程序和计算机ＣＰＵ性能，都可以影响到激光打印机的打印速度。上一页下一页返回７.４打印设备对于喷墨打印机来说，ｐｐｍ值通常表示的是该打印机在处理不同打印内容时可以达到的最大处理速度，而实际打印过程中，喷墨打印机所能达到的数值通常会比说明书上提供的ｐｐｍ值小一些。影响喷墨打印速度的最主要因素就是喷头配置，特别是喷头上的喷嘴数目，喷头的数量越多，喷墨打印机完成打印任务需要的时间就越短暂。（４）打印成本打印成本主要考虑打印所用的纸张价格、墨盒或者墨水的价格，以及打印机自身的购买价格等。（５）打印可操作性上一页下一页返回７.４打印设备打印可操作性指标对于普通用户来说非常重要，因为在打印过程中，经常会涉及如何更换打印耗材、如何让打印机按照指定要求进行工作，以及打印机在出现各种故障时该如何处理等问题。面对这些可能出现的问题，普通用户就必须考虑打印机的可操作性是不是很强。具体地说，那种设置方便、更换耗材步骤简单、遇到问题容易排除的打印机，就应该成为普通大众的选择目标。（６）打印噪声和激光打印机相比，喷墨打印机“天生”就有一种缺陷，那就是打印机在工作时会发出噪声。如果不希望自己在工作时受到喷墨打印机“刺耳”噪声的骚扰，就必须要考虑该指标的大小。上一页下一页返回７.４打印设备该指标的大小通常用分贝来表示。在选择该指标时，尽量去挑选指标数目比较小的喷墨打印机，这样用户就能在一种比较安静的环境中工作了。（７）打印内存打印机内存是表示打印机能存储要打印的数据的存储量，如果内存不足，则每次传输到打印机的数据就很少。一页一页打印或分批打印少量文档均可正常打印，如果打印文档容量较大，客户在打印的过程中往往能够正常打印前几页，而随后的打印作业会出现数据丢失等现象。同时，打印机的液晶面板或状态指示灯会提示打印机内存不足或溢出，有时在计算机的显示器上也会有相应的出错信息。上一页下一页返回７.４打印设备这是由于该打印文档所描述的信息量大，造成打印机内存的不足。此时，如果想提高打印速度、提升打印质量，就需要增加打印机内存。目前主流打印机的内存为４～３２ＭＢ，高档打印机可达到１２８ＭＢ内存。相信随着打印产品的发展，打印机的内存也会逐步提高，以适应不同环境的打印需求。３.点阵针式打印机点阵针式打印机的特点是结构简单、体积小、质量小、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。上一页下一页返回７.４打印设备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。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。串行针式打印机有单向打印和双向打印两种。当打印完一行字符后，打印纸在输纸机构控制下前进一行，同时打印头回到一行起始位置，重新自左向右打印，这种过程叫单向打印。双向打印是自左至右打印完一行后，打印头无须回车，在输纸的同时，打印头走到反向起始位置，自右向左打印一行。上一页下一页返回７.４打印设备反向打印结束后，打印头又回到正向打印起始位置。由于省去了空回车时间，使打印速度大大提高。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。打印头由打印针、磁铁、衔铁等组成。输纸机构由步进电动机驱动，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为色带机构。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。上一页下一页返回７.４打印设备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。行式点阵打印机是将多根打印针沿横向（而不是纵向）排成一行，安装在一块梳形板上，每根针均由一个电磁铁驱动。在打印针往复运动中，当到达指定的打印位置时，激励电磁铁驱动打印针执行击打动作。梳形板向右或向左移动一次，则打印出一行印点，当梳形板改变运动方向时，走纸机构移动一个印点间距，再打印下一行印点。如此重复多次，才打印出完整的一行字符。上一页下一页返回７.４打印设备４.喷墨打印机喷墨打印机的实质是喷色。所喷之色可以是固体形式，也可以是液体形式。目前大量使用的是液体喷色———液体喷墨。喷墨打印机在打印图像时，打印机喷头在快速扫过打印纸的过程中，其上面的大量（一般都有４８个或４８个以上）喷嘴就会喷出大量小墨滴，组成图像中的像素。由于除了墨滴的大小以外，墨滴的形状、浓度的一致性都会对图像质量产生重大影响，因此墨滴的喷射控制是喷墨打印机的关键技术环节。目前广泛采用的液体喷墨技术有气泡技术与液体压电式技术。上一页下一页返回７.４打印设备气泡技术也称热发泡技术或热喷墨打印技术，其基本原理是通过墨水在短时间内的加热、膨胀、压缩，将墨水喷射到打印纸上形成墨点，增加墨滴色彩的稳定性，实现高速度、高质量打印。喷墨技术与针式打印技术相比，一个非常突出的特点是可以实现彩色打印。根据三原色原理，只要装上性质比较稳定的青色、红紫色、黄色３色墨盒，对不同的点按照不同的比例对３种颜色相混合，就可以让每一个喷头喷出任何颜色。所以，早期的彩色喷墨打印机采用三色墨盒。但人们很快就发现只有这３种颜色是不够的，它们虽然可以混合出大部分颜色，但其色彩表现能力很差，其色域的宽广度和人眼的要求更是相差甚远.上一页下一页返回７.４打印设备于是人们又在三色墨盒的基础上加入了黑色墨盒，这样就成为四色墨盒，现在市场上的四色打印机就是使用这四种墨盒。四色打印机虽然也可以打印彩色照片，但是它在表现色彩较为丰富的图片时就显得力不从心了，其色彩还原能力还是无法和冲印的相片相比，达不到人们对彩色相片的要求。于是为了使打印的照片色域更加宽广，人们又在四色墨盒的基础上增加了淡品红和淡青色的墨盒，使打印机成为六色打印机。５.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。上一页下一页返回７.４打印设备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。上一页下一页返回７.４打印设备当鼓上的字符信息区和普通纸接触时，由于在纸的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时，碳粉被溶化，永久性地黏附在纸上，达到定影的效果。另外，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。激光打印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。上一页下一页返回７.４打印设备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２ＭＢ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。６.３Ｄ打印机３Ｄ打印机是采用了快速成形技术的一种机器，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或高分子材料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。它的原理是：把数据和原料放进３Ｄ打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。打印出的产品可以即时使用。上一页下一页返回７.４打印设备３Ｄ打印源自１００多年前美国研究的照相雕塑和地貌成形技术，２０世纪８０年代已有雏形，其学名为“快速成型”。在２０世纪８０年代中期，ＳＬＳ被在美国得克萨斯州大学奥斯汀分校的卡尔Ｄｅｃｋａｒｄ博士开发出来并获得专利，项目是由ＤＡＲＰＡ赞助的。１９７９年，类似过程由Ｒ.Ｆ.Ｈｏｕｓｈｏｌｄｅｒ得到专利，但没有被商业化。１９９５年，麻省理工创造了“三维打印”一词，当时的毕业生ＪｉｍＢｒｅｄｔ和ＴｉｍＡｎｄｅｒｓｏｎ修改了喷墨打印机方案，将其变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案，而不是把墨水挤压在纸张上的方案。上一页下一页返回７.４打印设备３Ｄ打印机（３Ｄｐｒｉｎｔｅｒｓ）是一位名为恩里科·迪尼（ＥｎｒｉｃｏＤｉｎｉ）的发明家设计的一种神奇的打印机，它不仅可以“打印”出一幢完整的建筑，甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品的形状。２０１３年５月２２日，ＮＡＳＡ已选中总部位于得克萨斯州的系统和材料研究公司，向其投资１２.５万美元，研发能为宇航员制造“营养可口”食品的３Ｄ打印机。上一页返回７.５输入设备常用的计算机输入设备分为声音输入、图像输入、交互式输入等。７.５.１声音输入设备利用人的自然语音实现人－机对话是新一代多媒体计算机的重要标志之一。语音输入／输出设备的原理框图如图７－４所示。语音识别器作为输入设备，可以将人的语言声音转换成计算机能够识别的信息，并将这些信息送入计算机。而计算机处理的结果又可以通过语音合成器变成声音输出，以实现真正的“人机对话”。通常语音识别器与语言合成器放在一起做成语音输入／输出设备。７.５.２图像输入设备最常见的图像输入设备是数字摄像机和数码相机。下一页返回７.５输入设备它们可以摄取任何地点、任何环境的自然景物和物体，直接将数字图像或图片存入存储介质中。由于一帧数字图像要占较大的存储空间，图像数据的传输与存储问题是一个十分重要的研究课题，目前普遍采用的方法是压缩－恢复技术。７.５.３交互式输入设备常用输入方法中，特别是交互式图形系统要求具有人－机对话功能：计算机将结果显示给人，人根据看到的显示决定下一步操作，并通过输入设备告诉计算机。如此反复多次，直到显示结果满意为止。为此，必须具有方便灵活的输入手段，才能体现“交互式”的优越性。上一页下一页返回７.５输入设备１.键盘输入键盘是字符和数字的输入装置，无论是字符输入还是图形输入，键盘是一种最基本的常用设备。当需要输入坐标数据建立显示文件时，要利用键盘。另外，利用键盘上指定的字符与屏幕上的光标结合，可用来移动光标，拾取图形坐标，指定绘图命令等。键盘的基本组成元件是按键开关，如图７－５所示，这些开关在线路板上排成行、列矩阵格式，用硬件或软件对行、列分别扫描，就可以确定被按下键的位置。在对键盘位置进行扫描的过程中所产生的用以确定按键位置的码，称为键盘的扫描码。上一页下一页返回７.５输入设备有了键盘扫描码后，键盘处理器用其与只读存储器（ＲＯＭ）内的字符映射表进行比对，就可以得到相应的内码。可以使用不同的字符映射表取代键盘中原来使用的映射表。不同的语言输入法有不同的字符映射表。当按下一个键时，键盘内的处理器会对键矩阵进行分析，并将确定的字符保存在自己的缓冲区内，然后才发送这些数据。因此，键盘一般包含的组成部件有：开关矩阵、键盘处理器、字符映射表（ＲＯＭ）和键盘缓冲区。除此之外，按键时会使键产生机械抖动，为防止因此造成的错误判断，在键盘控制电路中都含有硬的或软的消除抖动影响的机制。上一页下一页返回７.５输入设备２.图形板和游动标输入图形板和游动标结合构成二维坐标的输入系统，主要用于输入工程图等。将图纸贴到图形板上，游动标沿着图纸上的图形移动，读取图形坐标，即可输入工程图。这种二维的输入方式比光笔与屏幕相结合的方式有许多优点，因此得到了广泛应用。游动标是一个手持的方形坐标读出器，上面有一块透明玻璃，玻璃上刻有十字标记。十字标记的中心就是游动标的中心。使用时将十字标中心对准在图形的坐标点上即可。图形板是一种二维的Ａ／Ｄ变换器，因此它又称作数字化板。坐标测量的方法有电阻式、电容式、电磁感应式、超声波式几种。上一页下一页返回７.５输入设备３.光笔输入光笔的外形与钢笔相似，头部装有一个透镜系统，能把进入的光聚为一个光点。在光笔头部附有一开关，当按下开关时，进行光的检测，光笔就可拾取ＣＲＴ屏幕上的坐标。光笔与屏幕上的光标配合，可使光标跟踪光笔移动，在屏幕上画出图形或修改图形，其过程与人用钢笔画图的过程类似。４.鼠标输入光笔和图形板两种输入方式都可以输入某一点的绝对坐标，而鼠标只要输入相对坐标。鼠标是一种手持的坐标定位部件，有两种类型：一种是机械式的，另一种是光电式的。上一页返回７.６硬磁盘存储设备７.６.１磁记录原理与记录方式计算机的外存储器又称辅助存储器，目前主要使用磁表面存储设备。所谓磁表面存储，是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息。磁盘存储器、磁带存储器、磁鼓存储器均属于磁表面存储器，目前主要使用磁盘存储器，磁带存储器和磁鼓存储器已被淘汰。磁表面存储器的优点：存储容量大，位价格低；记录介质可以重复使用；记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档；非破坏性读出，读出时不需要再生信息。下一页返回７.６硬磁盘存储设备磁表面存储器的缺点：存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。磁表面存储器由于存储容量大，位成本低，在计算机系统中作为辅助大容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件、数据库等大量程序与数据信息。１.磁性材料的物理特性磁性材料被磁化以后，工作点总是在磁滞回线上。只要外加的正向脉冲电流（即外加磁场）幅度足够大，那么在电流消失后磁感应强度Ｂ并不等于零，而是处在＋Ｂｒ状态（正剩磁状态）。上一页下一页返回７.６硬磁盘存储设备反之，当外加负向脉冲电流时，磁感应强度Ｂ将处在－Ｂｒ状态（负剩磁状态）。这就是说，当磁性材料被磁化后，会形成两个稳定的剩磁状态，就像触发器电路有两个稳定的状态一样。如果规定用＋Ｂｒ状态表示代码“１”，－Ｂｒ状态表示代码“０”，那么要使磁性材料记忆“１”，就要加正向脉冲电流，使磁性材料正向磁化；要使磁性材料记忆“０”，则要加负向脉冲电流，使磁性材料反向磁化。磁性材料上呈现剩磁状态的地方形成了一个磁化元或存储元，它是记录一个二进制信息位的最小单位。２.记录方式上一页下一页返回７.６硬磁盘存储设备形成不同写入电流波形的方式，称为记录方式。记录方式是一种编码方式，它按某种规律将一串二进制数字信息变换成磁层中相应的磁化元状态，用读写控制电路实现这种转换。在磁表面存储器中，由于写入电流的幅度、相位、频率变化不同，从而形成了不同的记录方式。常用记录方式可分为不归零制（ＮＲＺ）、调相制（ＰＭ）、调频制（ＦＭ）几大类。３.磁表面存储器的读写原理在磁表面存储器中，利用一种称为磁头的装置来形成和判别磁层中的不同磁化状态。磁头实际上是由软磁材料做铁芯，并绕有读写线圈的电磁铁。上一页下一页返回７.６硬磁盘存储设备（１）写操作当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，铁芯内就产生一定方向的磁通。由于铁芯是高导磁率材料，而铁芯空隙处为非磁性材料，故在铁芯空隙处集中很强的磁场。在这个磁场作用下，载磁体就被磁化成相应极性的磁化位或磁化元。若在写线圈里通入相反方向的脉冲电流，就可得到相反极性的磁化元。如果我们规定按图中所示电流方向为写“１”，那么写线圈里通以相反方向的电流时即为写“０”。上述过程称为写入。显然，一个磁化元就是一个存储元，一个磁化元中存储一位二进制信息。当载磁体相对于磁头运动时，就可以连续写入一连串的二进制信息。上一页下一页返回７.６硬磁盘存储设备（２）读操作当磁头经过载磁体的磁化元时，由于磁头铁芯是良好的导磁材料，磁化元的磁力线很容易通过磁头而形成闭合磁通回路。不同极性的磁化元在铁芯里的方向是不同的。当磁头对载磁体做相对运动时，由于磁头铁芯中磁通的变化，使读出线圈中感应出相应的电势。７.６.２硬磁盘机的基本组成和分类硬磁盘机简称硬盘，是指记录介质为硬质圆形盘片的磁表面存储器。它主要由磁记录介质、磁盘控制器、磁盘驱动器三大部分组成。上一页下一页返回７.６硬磁盘存储设备磁盘控制器包括控制逻辑与时序、数据并－串变换电路和串－并变换电路。磁盘驱动器包括写入电路与读出电路、读写转换开关、读写磁头与磁头定位伺服系统等。写入时，将计算机并行送来的数据取至并－串变换寄存器，变为串行数据，然后一位一位地由写电流驱动器做功率放大并加到写磁头线圈上产生电流，从而在盘片磁层上形成按位的磁化存储元。读出时，当记录介质相对磁头运动时，位磁化存储元形成的空间磁场在读磁头线圈中产生感应电势，此读出信息经放大检测就可还原成原来存入的数据。由于数据是一位一位串行读出的，故要送至串－并变换寄存器变换为并行数据，再并行送至计算机。上一页下一页返回７.６硬磁盘存储设备硬磁盘机通常按以下方法分类：按盘片结构分成可换盘片式与固定盘片式两种；磁头也分为可移动磁头和固定磁头两种。（１）可移动磁头固定盘片的磁盘机其特点是一片或一组盘片固定在主轴上，盘片不可更换。盘片每面只有一个磁头，存取数据时磁头沿盘面径向移动。（２）固定磁头磁盘机其特点是磁头位置固定，磁盘的每一个磁道对应一个磁头，盘片不可更换。优点是存取速度快，省去磁头找道时间，缺点是结构复杂。（３）可移动磁头可换盘片的磁盘机上一页下一页返回７.６硬磁盘存储设备盘片可以更换，磁头可沿盘面径向移动。优点是盘片可以脱机保存，同种型号的盘片具有互换性。（４）温彻斯特磁盘机温彻斯特磁盘简称温盘，是一种采用先进技术研制的可移动磁头固定盘片的磁盘机。它是一种密封组合式的硬磁盘，即磁头、盘片、电动机等驱动部件乃至读写电路等组装成一个不可随意拆卸的整体。工作时，高速旋转在盘面上形成的气垫将磁头平稳浮起。优点是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。７.６.３硬磁盘驱动器和控制器１.磁盘驱动器上一页下一页返回７.６硬磁盘存储设备磁盘驱动器是一种精密的电子和机械装置，因此各部件的加工安装有严格的技术要求。对温盘驱动器，还要求在超净环境下组装。各类磁盘驱动器的具体结构虽然有差别，但基本结构相同，主要由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统组成。２.磁盘控制器磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口。由于磁盘存储器是高速外存设备，故与主机之间采用成批交换数据方式。作为主机与驱动器之间的控制器，它需要有两个方面的接口：一个是与主机的接口，控制外存与主机总线之间交换数据；另一个是与设备的接口，根据主机命令控制设备的操作。前者称为系统级接口，后者称为设备级接口。上一页下一页返回７.６硬磁盘存储设备磁盘上的信息经读磁头读出以后送读出放大器，然后进行数据与时钟的分离，再进行串－并变换、格式变换，最后送入数据缓冲器，经ＤＭＡ（直接存储器传送）控制将数据传送到主机总线。７.６.４磁盘上信息的分布盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片表面称为记录面。记录面上一系列同心圆称为磁道。每个盘片表面通常有几十到几百个磁道，每个磁道又分为若干个扇区。磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫０磁道，最里面的一个同心圆叫ｎ磁道，ｎ磁道里面的圆面积并不用来记录信息。扇区的编号有多种方法，可以连续编号，也可间隔编号。上一页下一页返回７.６硬磁盘存储设备磁盘记录面经这样编址后，就可用ｎ磁道ｍ扇区的磁盘地址找到实际磁盘上与之相对应的记录区。除了磁道号和扇区号之外，还有记录面的面号，以说明本次处理是在哪一个记录面上。在磁道上，信息是按区存放的，每个区中存放一定数量的字或字节，各个区存放的字或字节数是相同的。为进行读／写操作，要求定出磁道的起始位置，这个起始位置称为索引。索引标志在传感器检索下可产生脉冲信号，再通过磁盘控制器处理，便可定出磁道起始位置。磁盘存储器的每个扇区记录定长的数据，因此读／写操作是以扇区为单位一位一位串行进行的。每一个扇区记录一个记录块。上一页下一页返回７.６硬磁盘存储设备每个扇区开始时由磁盘控制器产生一个扇标脉冲。扇标脉冲的出现即标志一个扇区的开始。两个扇标脉冲之间的一段磁道区域即为一个扇区（一记录块）。每个记录块由头部空白段、序标段、数据段、校验字段及尾部空白段组成。其中空白段用来留出一定的时间作为磁盘控制器的读写准备时间，序标被用来作为磁盘控制器的同步定时信号。序标之后即为本扇区所记录的数据。数据之后是校验字，它用来校验磁盘读出的数据是否正确。７.６.５磁盘存储器的技术指标磁盘存储器的主要指标包括存储密度、存储容量、存取时间及数据传输率。上一页下一页返回７.６硬磁盘存储设备１.存储密度存储密度分为道密度、位密度和面密度。道密度是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道／ｉｎ。位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位为位／ｉｎ。面密度是位密度和道密度的乘积，单位为位／ｉｎ２。２.存储容量一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。存储容量有格式化容量和非格式化容量之分。格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是用户可以真正使用的容量。上一页下一页返回７.６硬磁盘存储设备非格式化容量是磁记录表面可以利用的磁化单元总数。将磁盘存储器用于某计算机系统中，必须首先进行格式化操作，然后才能供用户记录信息。格式化容量一般是非格式化容量的７０％～８０％。目前，３.５ｉｎ的硬盘机容量可达４ＴＢ。３.平均存取时间存取时间是指从发出读写命令后，磁头从某一起始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表面读出或写入信息所需要的时间。这段时间由两个数值所决定：一个是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，称为定位时间或找道时间；另一个是找道完成后至磁道上需要访问的信息到达磁头下的时间，称为等待时间，这两个时间都是随机变化的，因此往往使用平均值来表示。上一页下一页返回７.６硬磁盘存储设备平均存取时间等于平均找道时间与平均等待时间之和。平均找道时间是最大找道时间与最小找道时间的平均值，目前平均找道时间为１０～２０ｍｓ。平均等待时间和磁盘转速有关，它用磁盘旋转一周所需时间的一半来表示。目前固定头盘转速高达１００００ｒ／ｍｉｎ。４.数据传输率磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，叫数据传输率，传输率与存储设备和主机接口逻辑有关。从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度向设备接收／发送信息。上一页下一页返回７.６硬磁盘存储设备从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为每秒ｎ转，每条磁道容量为Ｎ个字节，则数据传输率Ｄｒ＝ｎＮ（Ｂ／ｓ），也可以写成Ｄｒ＝Ｄ·ｖ（Ｂ／ｓ），其中Ｄ为位密度，ｖ为磁盘旋转的线速度。目前磁盘存储器的数据传输率可达几百兆字节／秒。上一页返回７.７光盘存储设备７.７.１光盘的分类光存储器简称光盘，是近年来颇受重视的一种外存设备，更是多媒体计算机不可缺少的设备。光盘采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密度信息，以介质材料的光学性质（如反射率、偏振方向）的变化来表示所存储信息的“１”或“０”。按读写性质来分，光盘分为只读型、一次型、重写型三类。１.只读型光盘只读型光盘是厂商以高成本制作出母盘后大批重压制出来的光盘。这种模压式记录使光盘发生永久性物理变化，记录的信息只能读出，不能被修改。下一页返回７.７光盘存储设备２.一次型光盘用户可以在这种光盘上记录信息，但记录信息会使介质的物理特性发生永久性变化，因此只能写一次。写后的信息不能再改变，只能读。３.重写型光盘用户可对这类光盘进行随机写入、擦除或重写信息。７.７.２常见的光盘存储设备１.ＣＤ－ＤＡＣＤ－ＤＡ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｃ－ＤｉｇｉｔａｌＡｕｄｉｏ）称为数字音乐光盘，也就是我们经常买到的ＣＤ音乐光盘，因此也称之为ＡｕｄｉｏＣＤ。上一页下一页返回７.７光盘存储设备ＡｕｄｉｏＣＤ可说是光盘的“始祖”，主要应用于音乐储存，ＡｕｄｉｏＣＤ光盘可以在所有的ＣＤ音响上播放音乐。由