计算机组成原理 第2版 课件 第八章 计算机的外围设备

计算机组成原理计算机科学与技术系杨洁01概述02传统输入设备03智能输入设备04输出设备05传统存储设备06云存储与边缘计算07传统通信设备08可穿戴设备与智能物联网设备2026-9-20201概

述2026-9-2038.1.1外围设备的分类图8-1计算机外围设备的分类外围设备的结构、功能、工作原理差别很大，通常有机械的、电子的、电磁的、激光的等各种设备。若按功能分类，可将其分为6大类：1输入设备——键盘、鼠标、扫描仪、话筒等，把外部信息转换成二进制信息送入计算机2输出设备——显示器与打印设备（点阵式、激光、喷墨打印机），输出处理结果3外存储器——磁表面存储器与光存储器，主存的后备和补充（辅助存储器）4多媒体设备——使计算机能够接收、存储、处理各种形式的多媒体信息5网络与通信设备——调制解调器、网卡、中继器、集线器、网桥、路由器、网关等6输入输出处理机——外围处理机PPU，负责I/O控制、格式处理、检错纠错、码制转换要点：凡在主机处理信息时，负责把信息输入主机、加工处理和输出处理结果的设备，都称为外围设备。2026-9-204六类外围设备的功能定位1输入设备操作员与计算机之间最重要的接口，把原始数据、程序和命令通过输入接口送入计算机。字符输入：键盘、条形码阅读器、磁卡机；图形输入：鼠标、数字化仪、操纵杆；图像输入：扫描仪、传真机、摄像机；模拟量输入：模-数转换器、话筒。2输出设备重要的人机交互接口，以数字、字母、表格、图形、图像等多种形式输出处理结果。常用输出设备包括显示设备（显示器）和打印设备（点阵式、激光、喷墨打印机）两大类。3外存储器存储大量暂时不参加运算和处理的数据和程序，是主存储器的后备和补充。特点：容量大、可靠性高、每位价格低，断电后可永久保存信息。注意：外存不可以直接和CPU交换数据和程序。4多媒体设备使计算机能够接收、存储、处理文字、图像、语音等各种不同形式的信息。当今PC机都是多媒体计算机，可对各种媒体信息进行交换与处理。5网络与通信设备为实现数据通信和资源共享，把计算机连接起来的专门设备。包括调制解调器、网卡以及中继器、集线器、网桥、路由器、网关等。6输入输出处理机又称外围处理机（PPU），结构上接近一般处理机，多用于分布式计算机系统。负责I/O通道控制，还可进行格式处理、数据块检错纠错、码制转换等。除CPU和主存外，计算机系统的每一部分都可作为外围设备来看待——外围设备是主机与外部世界交互的桥梁。2026-9-2058.1.2外围设备的功能事实上，除了CPU和主存外，计算机系统的每一部分都可作为外围设备看待。外围设备在计算机系统中的功能可分为四个方面：01人机对话的通道无论微型机还是小、中、大型计算机系统，要把数据、程序、命令送入计算机，或把计算结果、运行状态及各种信息送出来，都要通过外围设备来实现。02数据媒体变换的设备输入时把各种信息变成计算机能识别的二进制代码；输出时把处理结果变换成人们熟悉的表达方式——这两种变换只能通过外围设备实现。03存储系统软件和大型应用软件系统软件、数据库和待处理信息量越来越大，绝大部分必须存入辅助存储器。以磁盘、光盘存储器为代表的辅助存储器已成为系统软件与各种信息的仓库。04为各类应用领域提供应用手段无论哪个领域、哪个部门，只有配置了相应的外围设备，才能使计算机在这些领域得到广泛的应用。2026-9-20602传统输入设备2026-9-2078.2.1键盘键盘是最重要的字符输入设备，基本组成元件是按键开关。识别所按按键并产生二进制信息送入计算机，即完成输入过程。四个键区：打字键盘区（英文主键盘区/字符键区）、数字小键盘区（副键盘区，盘面右侧）、功能键区（盘面上部）、屏幕编辑键和光标移动键区。键数发展：微机常用84键基本键盘和101键通用扩展键盘；随着网络发展，键数已增加到104、105键。阵列结构识别原理：设m×n个按键组成m行n列矩阵，只需m+n根连线即可判别哪个键被按下。每按一键传送一个字节数据。例如64键键盘用8行×8列矩阵表示，根据某行某列输出线上的电位可唯一判定被按键。图8-28×8键位识别原理图行×列

电

位

唯

一

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定

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键

位

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少

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连

线

识

别

全

部

键

位2026-9-2088.2.2鼠标利用鼠标可方便地指定光标在屏幕上的位置。市面上流行的鼠标主要有机械鼠标、光电鼠标和无线鼠标三种。图8-3机械鼠标外观及内部结构图机械鼠标：底部橡胶钢球滚动带动两个互相垂直的靠轮转动，栅轮两侧的光电检测器产生高低电平脉冲，CPU对脉冲计数确定X、Y方向位移。触点易磨损，需补偿电路。光电鼠标：无机械滚动部分，用两对互成直角的光电探测器在专用滑板上检测X、Y方向脉冲。使用方便、工作可靠、精度较高。无线鼠标：由鼠标本体和接收器组成，通过射频（2.4GHz，传输10–20米）或蓝牙（低功耗、高安全性，10米内）技术与计算机连接。性能指标分辨率（每移动1英寸检测出的点数）：200～3600dpi传送速率：约

1200bps按钮数：2～3个2026-9-2098.2.3扫描仪扫描仪是一种光机电一体化的电脑外设产品。基本原理：利用光感器件把检测到的光信号转换成电信号，再经A/D转换器转化为数字信号传输到计算机。光电转换部件是核心，常见的有电荷耦合器件CCD（硅单晶上集成成千上万个光电三极管，可实现彩色扫描）和接触式图像感应装置CIS（体积小、重量轻、成本低，但扫描速度较慢、分辨率不高）两种。组成部分光源：感光器件的光线全部来自扫描仪自身灯管，光源不纯或偏色会直接影响扫描结果。A/D转换器：将获取的模拟电压转换成代表颜色或灰度值的数字。扫描仪主板：以集成芯片为主，控制各部件协调动作，完成图像数据转换并向计算机传送数字信息。机械转动部分：步进电机和托架控制扫描头按轨道移动完成扫描。性能指标分辨率DPI每英寸像素点数，决定图像细节表现能力灰度级/色彩数亮度层次范围；36bit即每像素2³⁶种颜色扫描速度/幅面一定分辨率和尺寸下的扫描时间；常见A4、A3、A0幅面接口类型SCSI（快但安装复杂）、EPP（并口电缆）、USB（热插拔、即插即用）扫描仪是重要的电脑外设，随着技术进步，其性能不断提升、应用范围持续拓展。2026-9-20108.2.4触摸屏触摸屏是为改善人机交互而采用的便捷输入方式，已被广泛应用于许多领域的控制和查询。它透明，可安装在任何显示器屏幕外面；屏幕上显示的项目相当于"伪按键"。实际上触摸屏是一种定位设备——用户通过直接接触向计算机输入接触点的坐标位置，后续工作由程序执行。触摸检测装置安装在显示器屏幕前方的感知部件，检测用户的触摸动作，并把触摸信息传送给控制卡。触摸屏控制器（控制卡）带微处理器和固化监控程序，将触摸信息转换成触点坐标送给计算机，并接收、执行计算机命令。可内置式（装在显示器内）或外挂式。按技术分类——五种类型电阻式电容式红外线式表面声波矢量压力测力用户只要用手指点一下所选择的项目，触摸屏即将此信息送入计算机——即使不熟悉键盘（尤其汉字输入）的用户也能方便使用。2026-9-201103智能输入设备2026-9-20128.3.1手势识别与体感输入设备手势识别定义：通过数学算法识别人类手势，主要涉及计算机视觉和人工智能技术，从视频或图像中检测和识别手部动作和姿势。分类：静态手势识别关注单帧图像中的手势；动态手势识别涉及连续视频帧，需捕捉和分析手势的动态变化。原理：基于深度学习的系统通常采用卷积神经网络（CNN）等算法，训练大量手势图像学习特征表示；先预处理输入图像，再用预训练模型提取特征，最后由分类器识别。体感输入设备定义：连接到游戏主机或计算设备上的机器，通过感应器接收玩家的动作或语音信息，完成游戏的转换或控制。类型：Kinect、Wii、PSMove等，通常由摄像头、传感器和处理器组成，实时捕捉动作并转换为游戏信号。原理：基于计算机视觉和传感器技术，摄像头捕捉图像，算法提取动作信息，传感器检测位置、速度等物理量提高识别准确性。智能家居：远程控制家中电器设备智能驾驶：手势指令识别虚拟现实：更自然的交互控制体感游戏：动作即输入手势识别与体感输入设备共同推动了人机交互方式的创新和发展。2026-9-20138.3.2眼动追踪技术眼动追踪是一种记录并测量眼球运动的技术。"脑—眼"假说认为大脑控制眼睛的运动，通过监测眼动变化可推断大脑中发生的事情。基于视频的眼动追踪是常见方法：利用一束近红外光照射眼睛，摄像机记录交互过程，通过处理眼睛图像定位瞳孔位置、获取坐标，经算法计算得出注视点——知道人在看哪里、何时看的以及为什么看。眼睛的结构基础眼睛类似照相机，光线经角膜、晶状体聚焦在视网膜上成像。中央凹区域视锥细胞密集、感知敏锐但范围小；周边区域视杆细胞多、对暗光敏感但分辨率低。中央窝虽占视野范围小，记录的信息占比却大，能提供清晰图像用于视觉处理。眼动的三种主要功能注视与眼跳把感兴趣的信息转移到中央窝区域平稳跟踪目标或头部移动时保持图像稳定在视网膜上微眼跳等微眼跳、眼颤和漂移防止静止目标的感知性消退发展历程早期尝试侵入式且不能移动，受限严重：观察法、机械记录法、眼电记录法、电磁感应法，要么不够精确要么使用不便。现代发展利用红外光捕捉眼球运动，非侵入、方便易用；基于视频的眼睛跟踪器是主流，还能显示瞳孔大小、眨眼率等指标。应用领域心理学与认知研究医学诊断（帕金森等）市场营销与广告用户体验设计VR/AR注视点渲染眼动追踪帮助研究人员了解人类的视觉感知和认知过程，为多个领域提供有价值的数据支持。2026-9-20148.3.3语音输入与智能语音助手语音输入（声控输入）根据操作者的讲话，由电脑识别成汉字的输入方法。用和主机相连的话筒读出语音，实现文字输入。原理：语音信号经采样、量化转化为数字信号，利用深度学习算法和大规模语料库训练的模型分析语义，转换为文字文本。优势：高效便捷、无需手动敲击键盘，适合移动场景或双手不便时；对方言、少数民族语言也有更好支持。应用：文档录入、聊天通讯、电子笔记、写作创作，以及语音转写软件、语音输入法等。智能语音助手基于语音识别、自然语言处理等人工智能技术的智能服务程序，通过语音交互为用户提供各种信息和服务。语音交互"播放音乐""查询天气""设置闹钟"等指令直接执行知识问答涵盖百科、生活常识、专业技术等领域任务执行发短信、拨打电话、查询导航、打开应用等个性化服务根据偏好与习惯推荐歌曲、提醒事项等常见产品：苹果Siri、亚马逊Alexa、谷歌GoogleAssistant、微软小娜、科大讯飞讯飞星火等。2026-9-201504输出设备2026-9-20168.4.1显示器：CRT/LCD/LEDCRT显示器阴极射线管·早期常见类型通过电子束轰击荧光粉来产生图像。优点：色彩表现和可视角度较好，对比度高。缺点：体积大、重量重、功耗高、有辐射。LCD显示器液晶显示器·目前应用广泛利用液晶分子的排列变化来控制光的透过和阻挡，从而显示图像。优点：轻薄、低功耗、无辐射，是目前应用较为广泛的显示器类型之一。LED显示器发光二极管·OLED/QLED通过发光二极管发出光线显示图像，分为OLED和QLED等技术类型。OLED：自发光、对比度高、视角广、响应速度快，但价格相对较高。QLED：在液晶基础上利用量子点技术提高色彩表现。显示技术演进：CRT→LCD→LED（OLED/QLED），朝着更轻薄、更节能、更高画质的方向发展。2026-9-2017打印机·音响设备·投影仪针式打印机打印针撞击色带和纸张，把油墨转移到纸上形成文字图形。优：耗材成本低，可多层套打，适合打印票据。劣：质量不高、噪声大、速度慢。喷墨打印机将墨水喷涂到纸张上完成打印。优：打印质量高、色彩鲜艳，适合打印照片。劣：耗材成本较高，速度相对较慢。激光打印机激光束在感光鼓上产生电荷潜像，墨粉粘附后高温熔化转印到纸。优：速度快、质量高，适合大量文档打印。劣：耗材成本高，不适合彩色文档（彩激除外）。音箱将电子信号转换为可听声音的输出设备。一般要求具备放大功能（对较小功率的声音进行放大）和防磁功能（防止磁场干扰显示器）。耳机提供私人听觉体验，适用于游戏、视频会议和音乐欣赏等场景。许多耳机还具备降噪功能，屏蔽外界噪音，提供更好的音质。投影仪将计算机的视觉输出放大，投射到屏幕或墙壁上，适用于商务演示、家庭影院和教育场景。现代LED投影仪因长寿命和节能特性越来越受欢迎。传统输出设备各自具有不同的工作原理和特点，能够满足用户在不同场景下的需求。2026-9-20188.4.24K/8K超高清显示器4K3840×2160≈880万像素分辨率：水平3840、垂直2160像素；也有4096×2160的规格，但一般多指3840×2160标准。画质：比全高清（1080P）像素密度更高，细节更细腻清晰、边缘更平滑；大场景和高动态范围图像下细节和色彩过渡更丰富准确。应用：家庭电视、电脑显示器、手机移动设备；专业影视制作、平面设计、摄影后期。技术与成本：技术成熟、产业链完善、兼容性好，成本不断降低。8K7680×4320≈3300万像素分辨率：水平与垂直像素均为4K的两倍，总像素高达3300万个。画质：更细腻真实、色彩还原更准、对比度更高，能展现极微小的细节和纹理，带来沉浸式视觉体验。应用：大型公共显示、高端家庭影院、专业影视制作（大型商业展示、博物馆展览、高端会议室）。技术与成本：研发应用较晚，成熟度与兼容性待提高，制造成本高、价格普遍较高。4K/8K超高清显示器代表了显示技术的前沿，以卓越的画质和广泛的应用前景引领视觉体验的新潮流。2026-9-20198.4.3VR与AR头戴设备VR（虚拟现实）：左右眼屏幕分别显示左右眼图像，利用带有差异的信息在脑海中产生立体感，营造虚拟三维环境；借助传感器追踪头部运动实现视角实时变化。常见产品：OculusRift、HTCVive、SonyPlayStationVR。AR（增强现实）：通过摄像头捕捉现实世界图像，在其上叠加文字、图像、3D模型等虚拟信息，使真实环境和虚拟物体实时叠加到同一画面或空间中。组成要点：显示屏（4KUHD/OLED/微投影）、非球面镜片、处理器（一体机自带或借助主机）、传感器（陀螺仪、加速计、磁力计）、手持控制器、无线连接、存储/电池；AR核心光学设备包括波导、全息波导、衍射波导、偏振波导、反射波导等。图8-4VR/AR实例对比VR创建虚拟环境提供沉浸式体验；AR将虚拟信息叠加到真实世界——两者都在各自领域发挥着重要作用，应用前景广泛。2026-9-20208.4.4全息投影技术全息投影是利用光的干涉和衍射原理，记录并再现物体真实三维图像的技术。它将物体的光波信息记录下来，在目标空间内呈现出具有立体视觉效果的影像，经历了从早期全息摄影到数字全息技术、再到全息图数字化记录和再现的演变。常见方法：菲涅尔衍射全息记录、无滤镜傅里叶变换全息记录、表面数字全息记录。应用领域娱乐文化：演唱会、电影、展览商业展示：产品与品牌广告医学教育：手术模拟、概念理解VR/AR结合：更真实的沉浸体验三大优势逼真三维效果色彩鲜艳、对比度和清晰度高，空间感与透视感强无需特殊设备无需3D眼镜即可观看，更便捷普及互动性强观众可通过手势、动作与虚拟角色互动未来展望在画质、投影距离和视角等方面显著提升，观众可在更广范围观看全息影像；结合人工智能和虚拟现实技术，实现更多样化、互动性的应用。技术难点与挑战如何实现

360度视觉覆盖仍是技术难题；如何保证真实的音效也需解决；同时需要高效的内存分配和强大的图像处理能力。全息投影凭借逼真的三维效果和无需佩戴设备的特点，为人们带来更加丰富和沉浸式的视觉体验。2026-9-202105传统存储设备2026-9-20228.5.1HDD硬盘驱动器图8-5HDD（硬盘驱动器）组成结构定义：通过磁记录技术存储数据的非易失性存储设备，使用磁性材料在旋转盘片上记录数据。基本组成：盘片（铝/玻璃+磁性材料）、磁头（磁力读写数据）、主轴马达（控制磁头移动）、控制器（管理读写操作）。工作原理：数据以二进制形式存储，改变磁化方向表示数据；读：磁头悬浮检测磁化方向变化；写：磁头改变磁化方向。容量大几十GB到数TB价格实惠单位容量价格亲民耐用固定固定机内，适合长期使用速度较慢读写慢、延迟较长有噪音机械部件运动产生噪音能耗较高运行需较多电力应用场景：个人电脑主存储、家庭娱乐设备（DVD播放器、游戏机）、服务器与工作站的大容量数据存储和备份。2026-9-20238.5.2SSD固态硬盘固态硬盘（SolidStateDrive）是基于闪存存储技术的非易失性存储设备。与机械硬盘相比，SSD没有移动部件，因此具有更高的读写速度、更低的功耗和更高的可靠性。主要由控制单元、闪存芯片（NANDFlash）和闪存翻译层（FTL，将逻辑块地址映射到物理存储位置）组成；NANDFlash因高密度、低成本被广泛采用，断电后数据不丢失。性能优势读写速度快读取可达712MB/s，写入可达654MB/s启动快·抗震无机械运动，启动时间显著缩短，抗震抗摔低功耗远低于机械硬盘，适合移动与嵌入式设备应用场景个人电脑（台式机、笔记本）服务器提速嵌入式系统（工控、医疗、航空电子）数据中心技术挑战与限制寿命问题闪存擦写次数有限，长期使用可能数据丢失成本较高制造成本高于机械硬盘，价格相对昂贵容量限制容量正逐步提升，但仍不及机械硬盘未来发展趋势性能和可靠性不断提升、成本逐渐降低，将在高性能计算、大数据存储和物联网设备等领域得到更广泛应用，在未来的存储市场中占据重要地位。2026-9-20248.5.3移动存储设备USB闪存盘（U盘）小巧便携，容量多样，适合电脑和手机间的数据传输。移动硬盘容量大，传输速度快，适合需要频繁读取数据的工作族。SD卡高容量，适合摄影爱好者，可存储海量高清图片。SSD硬盘读写速度快，适合需要高性能存储的用户。特点便携性：体积小重量轻；高容量：几百MB到TB不等；高速传输：USB3.0、Thunderbolt等接口支持高速数据传输；易用性：即插即用，无需额外驱动；安全性：支持加密和安全保护功能。使用方法连接设备首次格式化定期数据备份性能测试未来发展趋势云存储普及：带来更灵活的数据管理和访问方式。新型存储介质：eMMC、microSD等进一步提升性能和容量。安全性增强：更加注重数据安全保护功能。多功能集成：无线传输、加密保护等满足多样化需求。移动存储设备为数据存储和传输提供了便捷的解决方案；应根据使用场景挑选，并定期备份以确保数据安全。2026-9-202506云存储与边缘计算2026-9-20268.6.1云存储服务云存储是基于云计算技术的网络存储解决方案，允许用户通过互联网远程访问和管理存储在远程服务器上的数据，具有可扩展性、成本效益、高可用性和安全性等优势。特点可扩展：动态扩容，无需预购硬件按需付费：降低资本支出高可用：分布式冗余，故障可恢复全球覆盖：就近数据中心低延迟访问三种类型对象存储：海量非结构化数据（文档、图像、视频、备份），如AmazonS3、GoogleCloudStorage、AzureBlobStorage。文件存储：提供NAS功能，适合文件共享场景，如GoogleFilestore。块存储：类似传统硬盘的虚拟硬盘，适合操作系统文件和数据库，如阿里云云磁盘服务。应用场景与优势个人：文件管理备份（Dropbox、GoogleDrive）；企业：数据存储管理与容灾（阿里云OSS、腾讯COS）；远程办公：多设备访问与文件共享。优势：全面备份保数据安全；加密与防火墙保障隐私；随时随地访问；避免物理设备损坏或丢失。挑战与主流服务商挑战：数据隐私与合规性（如安防监控视频）、厂商锁定、长期使用成本控制。国际：AWS、GCP、MicrosoftAzure；国内：阿里云、腾讯云、金山快盘等。趋势：多租户私密性与安全性增强、按需性能扩展、按需付费模式逐渐取代传统购买模式。2026-9-20278.6.2边缘计算边缘计算是一种分布式计算架构，将数据处理和存储能力从中心云向网络边缘移动，使数据处理更靠近数据源，核心优势在于减少传输距离、提高处理效率、降低延迟并缓解带宽压力。技术特点分布式架构：多边缘节点本地处理低延迟：满足自动驾驶等实时应用带宽优化：减少原始数据传输成本安全性：敏感数据本地存储降低泄露风险数学模型与性能评估D=Tp+Tt延迟=数据处理时间+传输时间B=S/T带宽=传输量/传输时间实际案例工业制造实时优化生产流程·智能交通实时路况决策·智能家居传感器数据本地处理与智能控制应用场景智能制造：实时处理生产线数据智慧城市：交通与环境监测自动驾驶：摄像头/雷达数据实时决策远程医疗/IoT：实时诊断与设备联动技术挑战单个边缘节点运算能力有限（需云网边端协同的算网一体化架构）；资源分配与调度复杂；不同设备平台的标准化与兼容性问题。未来趋势随着5G和工业互联网发展：云边协同实现资源灵活分配；异构计算（CPU/GPU/TPU）提高效率；边缘原生应用提升性能与可靠性。2026-9-202807传统通信设备2026-9-20298.7网络接口卡与调制解调器网络接口卡（NIC/网卡）计算机与网络之间通信的硬件组件基本功能：将计算机连接到网络，通过电缆或无线方式支持以太网、Wi-Fi、蓝牙等协议，实现数据与电信号的双向转换。主要类型：按总线：ISA/PCI/PCI-X/PCIe；按接口：RJ-45、BNC、AUI、FDDI、USB；按速度：千兆、10G/25G/40G光纤；按场景：LAN、WAN、无线、光纤网卡。工作原理：数据接收（主机→NIC）→DM