计算机组成原理第8章

1、2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 1 输入设备 8. 1.1 键盘 8. 1.2 鼠标 8. 2 输出设备 8. 2.1 阴极射线管显示器 8. 2.2 平板显示器 8. 2.3 打印机 8. 3 辅存设备 8. 3.1 硬盘 8. 3.2 光盘,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 1 输入设备,8. 1.1 键盘,键盘，作为帮助人们向机器输入字符的工具，在电子计算机发明之前，就已经在广泛使用的打字机上出现了。不过，时至今日，键盘的功能仍然局限于输入英文字母和阿拉伯数字。 键盘设计的一个重要问题是键位设计，即字母和数字在键盘上的布局。最常见的键位设计方案是Chri

2、stopher 于1868年提出的。该方案最明显的特征是第一行的前6个字母是QWERTY，所以采用该方案的键盘称为“柯蒂(QWERTY)”键盘。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 1 输入设备,8. 1.1 键盘,由于习惯的影响，134年前提出的、以放慢敲键速度为目的的柯蒂键盘延续至今。这是一个典型的“先入为主”的例子。 微机键盘的按键数经历了83键（面向IBM PC/XT），84键（面向IBM PC/XT），101键和102键（面向386和486）、104键（面向Pentium）、108键等。其中，目前主流的108键的键盘是在104键键盘的基础上，为WINDOWS 98平台增

3、加了“Power”、“Sleep”、“Wake UP”和“FN”等4个功能键，方便用户操作。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 1 输入设备,8. 1.1 键盘,根据发送给主机的是否是能直接处理的机内信息编码（如ASCII码），键盘分为编码键盘和非编码键盘两种。 编码键盘识别出所按下键的位置后，直接由编码电路产生一个唯一对应的信息编码 (如ASCII码)送给主机。它的特点是响应速度快，但实现复杂。 非编码键盘中，键盘内部的单片机通过执行固化在其ROM中的键盘管理程序，扫描是否有键被按下。若有，则将其位置码（也叫扫描码）发送给主机。收到位置码后，主机将其转换成相应的机内编码(如A

4、SCII码)。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,非编码键盘的结构简单，并且通过软件能为某些键的功能进行重定义。目前，绝大多数键盘是非编码键盘。 为了更好地利用击键状态来表达用户的意愿，每个键的扫描码又分为接通扫描码（简称通码）和断开扫描码（简称断码）。当键被按下时，发送通码；松开时，发送断码。主流微机键盘PS/2的通码为1字节，断码为2字节。断码的第一个字节是F0H，第二个字节是该键的通码。 例如从键盘输入大写英文字母“A”时，其按键过程是，按下左Shift键按下A键松开A键松开Shift键。键盘发往主机的数据是：左Shift键的通码12H，A键的通码1CH，A键的断码F01CH，

5、左Shift键的断码F012H。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 1 输入设备,8. 1.1 键盘,鼠标是由美国科学家恩格尔巴特博士于1968年发明的。由于鼠标极大地改善人机交互，ACM将1997年的图灵奖颁发给了恩格尔巴特博士。 可见，改善人机交互永远是计算机科学与技术正确的发展方向。,8. 1.2 鼠标,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 1.2 鼠标,根据工作原理和内部构造的不同，鼠标分为： （1）机械式鼠标：目前已淘汰。 （2）光机式鼠标：正逐渐淘汰。 （3）光电式鼠标：最常用。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 1.2 鼠标,评价鼠标性

6、能最重要的指标是DPI(Dots Per Inch)，它表示鼠标每移动一英寸所能检测出的点数，DPI小，用来定位的点数就少，定位精度就低。反之，DPI大，用来定位的点数就多，定位精度就高。通常鼠标的DPI为400或800。 评价新型光电鼠标还有一个专用的性能指标帧速率（也称为扫描频率或刷新频率）。它表示DSP每秒钟能够处理的图像帧数。帧速率越高，鼠标的灵敏度越好。 按鼠标上的按键数量分，鼠标分为两键鼠标、三键鼠标、五键鼠标和新型的多键鼠标。 鼠标与主机的接口主要有PS/2和USB两种。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 1 输入设备 8. 2 输出设备,8. 2.1 阴极射线管

7、(Cathode Ray Tube, CRT)显示器,1CRT显示器的组成与工作原理 由灯丝、阴极、控制栅、聚焦系统、加速电极、偏转系统、屏幕等组成。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 2.1 阴极射线管显示器,一屏完整的图像称为一帧（Frame）或一场。由于荧光在屏幕上的存留时间很短，为了维持一个稳定的画面，就需要重复显示同一个图像，这个过程称为刷新（Refresh）。电子束每秒重绘屏幕图像的次数，称为刷新频率、帧频或场频。CRT显示器的刷新频率通常在60帧/s (Hz)120帧/s (Hz)，最好在75Hz以上，否则屏幕会有闪烁感。视频电子标准协会VESA规定85Hz为无闪

8、烁的刷新频率。 CRT显示器的规格通常用其屏幕对角线的长度来表示，常见的CRT显示器有14、15、17、19或21英寸等。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 2.1 阴极射线管显示器,2光栅扫描显示器 按扫描方式的不同，CRT显示器分为光栅扫描显示器和随机扫描显示器。 随机扫描显示器中，电子束就像一支快速移动的画笔，可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。 光栅扫描显示器中，电子束在水平同步信号和垂直水平同步信号的控制下，在屏幕的左上角开始，按“从左向右、从上到下”原则（也叫行优先原则），逐行形成光点。这样在屏幕上形成的一条条水平扫描线，称为光栅。,2020/7/11,第8章 计

9、算机外部设备,8. 2.1 阴极射线管显示器,屏幕上的每个点称为一个像素。在光栅扫描显示器中，一帧图形对应一个像素矩阵，即整个屏幕上的所有像素点的强度值。存储像素矩阵的部件是刷新缓冲存储器、帧缓冲存储器或视频存储器（Visual RAM, VRAM），俗称显存。在每一轮扫描中，根据像素矩阵，控制电子束的有/无和强/弱，借助于荧光的余辉，就可以在屏幕生成一幅完整的图形。 水平扫描周期的倒数称为行频，垂直扫描周期的倒数称为帧频。帧频就是刷新频率。,2光栅扫描显示器,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 2.1 阴极射线管显示器,3显示器的分辨率与点间距 分辨率（Resolution）是

10、指屏幕单位面积上所能够显示的最大光点数，也叫物理分辨率。光点数越多，每个光点的面积就越小，描绘图形的精细程度就越高。 在实际应用中，人们往往用整个屏幕所能容纳的光点数（像素个数）来描述，例如称某个显示器的分辨率为640480，这叫逻辑分辨率。但是这种描述并不严密，因为显示器的大小不同，即便逻辑分辨率相同，大屏幕的光点面积当然就大，其显示图形的精细程度就差。 通常，15英寸的显示器采用800600或1024768的分辨率，17英寸的显示器采用1024768的分辨率。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 2.1 阴极射线管显示器,点间距（Dot Pitch）表示两个相邻光点中心的距离

11、，这也称为行距。这个距离越小，就说明光点面积越小，分辨率越高，图像越细腻。目前常用显示器的点间距为0.25mm0.28mm。,3显示器的分辨率与点间距,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 2.1 阴极射线管显示器,4单色CRT和彩色CRT 若屏幕上只涂有一种荧光粉，在电子束的作用下只能发一种光色，则这种CRT称为单色CRT或黑白CRT。若CRT的屏幕上涂有多种荧光粉，在电子束的作用下可以发多种光色，则这种CRT称为彩色CRT。 对于单色CRT显示器，每个像素的浓淡效果（即亮度），称为灰度等级或灰度值，它是从零到某一正整数的一种整数值编码。比如帧缓冲器的存储字长为2的，则有00、0

12、1、10和11等4级灰度。即帧缓冲器的存储字长为n，则其灰度等级为2n种。 彩色CRT采用RGB（Red、Green、Blue）颜色模型 。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 2.1 阴极射线管显示器,彩色CRT分穿透型和影孔板型（也叫多枪型）。 穿透型的原理是，在屏幕内表面涂有两层荧光涂层，一般是红色和绿色。不同速度电子束穿透荧光层的深浅决定所产生的颜色，速度低的电子只能激活外层的红色荧光粉发光显示红色，高速电子可以穿透红色荧光粉涂层而激活内层的绿色荧光粉发光显示绿色，中速电子则可以激活两种荧光粉发出红光和绿光组合而显示橙色和黄色两种颜色。 穿透型的成本较低，但是只能产生有限

13、的几种颜色，一般应用于随机扫描显示器中。,4单色CRT和彩色CRT,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 2.1 阴极射线管显示器,影孔板型应用于光栅扫描系统，能产生更宽范围的色彩。这种显示屏的内表面涂有很多呈三角形排列的荧光粉，每个像素对应一个由三个荧光点按三角形排列构成的光点组。当每个光点组被激励时，分别发出不同亮度的红、绿、蓝三种基色，这三种基色“混合”出该像素的颜色。 若电子束只有发射和关闭两种状态，则只能混合出8种颜色。若每支电子枪发出的电子束的强度有256个等级，则能显示256256 256=16777216=16M种颜色，称为真彩色系统。,4单色CRT和彩色CRT,2

14、020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 2.1 阴极射线管显示器,正常情况下，电子束是自顶向下逐行扫过整个屏幕，这样的扫描过程称为逐行扫描。有的显示器为了降低对显存的带宽要求，其电子束采用“隔一行扫描一行”的方式，先扫过奇数行，垂直回扫后，再扫描偶数行，这样的扫描过程称为隔行扫描。 隔行扫描是把一帧完整的画面分成奇数场（由1、3、5等奇数行组成）与偶数场（由0、2、4等偶数行组成）。每个扫描过程所需刷新周期是顺序扫描的一半。,5逐行扫描与隔行扫描,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 2.1 阴极射线管显示器,例如，顺序扫描一帧所需的时间是1/30s，那么采用隔行扫描后只需

15、1/60s即可显示一屏画面，场频提高了一倍，而且相邻两行的像素在1/2个周期内有相互加强的作用，这样可避免了由于荧光粉发光强度衰减而造成的图形闪烁效应。此外，还因降低了对扫描频率的要求而降低了成本。存储于帧缓冲器中的数据量也比逐行扫描减少一半，降低了对视频控制器存取帧缓冲器的速度及数据传输带宽的要求。 计算机显示器大都采用逐行扫描方式，电视显示器大都采用逐行扫描方式。,5逐行扫描与隔行扫描,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 2.1 阴极射线管显示器,显示器的工作模式有两种：字符模式和图形模式。 字符模式下，显存中存放的是字符编码（如ASCII码或汉字的机内码）以其属性（如加亮或

16、闪烁等），屏幕被划分为若干行和列（如80列25行），字符只能显示在规定的行、列位置。 图形模式下，显存中存放的是字符的字模码（即显示点阵），字符的显示可以定位于屏幕上的任一点。 显示彩色或单色多级灰度图像时，每个像素点对应的二进制位称为颜色深度。例如欲表现真彩色（16M种颜色），需要24位颜色深度（即红色8位、绿色8位、蓝色8位） 。,6显示器的工作模式与颜色深度,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 2.1 阴极射线管显示器,CPU发出的绘图命令要最终在屏幕上显示出来，还需要一块图形适配器卡，俗称显卡。显卡主要是由图形处理芯片GPU、随机存取数模转换存储器、显存组成。 GPU的任

17、务是将应用程序中定义的图形数字化成图像（面向光栅显示器的离散的像素颜色值），存放在显存中。尽管这些任务可以由CPU来完成，但引入GPU，一则可以减轻CPU的负担，二则专门设计的GPU处理图形的性能要大大高于通用的CPU，可加速图形的处理。,7显卡与显示器标准,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 2.1 阴极射线管显示器,由于CRT显示器接受的显示信号为模拟量（电压值或电流强度），所以显存中的数字量需要转换成为模拟量输出。这个任务就由RAMDAC来完成。 显存中的存储单元与屏幕上的像素是一一对应的，即显存中单元数目等于显示器的像素数目。单元的字长决定了显示颜色的种类，单元的数值对应

18、像素的颜色或灰度。显存容量一般有4MB、16MB等。显存容量越大，可以支持的分辨率越高，可显示的颜色种类越多。 目前，显卡/显示器的标准有MDA ，CGA ，EGA ，VGA ，TVGA ，SVGA、XGA 等。 。,7显卡与显示器标准,2020/7/11,第6章 控制器,2010年研究生入学统一考试计算机专业基础综合考试试题 假定一台计算机的显示存储器用DRAM芯片实现，若要求显示分辨率为16001200，颜色深度为24位，帧频为85Hz，显示总带宽的50% 用来刷新屏幕，则需要的显存总带宽至少约为 。 A. 245 Mbps B. 979 Mbps C. 1958 Mbps D. 7834

19、Mbps,答：显示带宽 = 每帧的数据总量帧频/50% = (1600120024) 85/50% = 7834Mbps。 故选D。 注：显示总带宽的50% 用来刷新屏幕， 另外50% 用来写入下一帧。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 1 输入设备 8. 2 输出设备,8. 2.1 CRT显示器,按照颜色的种类分，打印机分为单色（通常为黑色）打印机和彩色打印机。依照印字原理的不同，打印机分为击打式和非击打式。击打式打印机是最早使用的打印机。 击打式打印机是以机械力量击打字锤（也叫字模），使字锤隔着色带在纸张上打印出字形。根据字模的构成方式不同，击打式打印机分为整字形击打式打印

20、机和点阵式击打式打印机（也称针式打印机）。,8. 2.2 平板显示器,8. 2.3 打印机,请同学们自行阅读学习。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,任何字符都可以看成由一个矩形区域内、有规律分布的许多点（即字模）构成。用钢针打印出点阵，就可形成字符。针式打印机就是依据这个原理研制的。 针式打印机的核心部件是字车和打印头。打印头内部是沿纵向排列的打印针。打印针数量有单列的7针或9针，双列的14针或24针。打印头在字车带动下向左横向移动。移动过程中，打印针撞击色带，在打印纸上印出字符。 文件每一行的末尾都是一个不可见的字符“回车”。打印这个字符时，打印针不动，字车将从当前位置做向右横向

21、移动，回到最左端初始位置，打印纸沿纵向运动一行的距离，使打印头对准新一行的起点。,8. 2.3 打印机,1针式打印机,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,打印机由打印控制器和打印装置组成。 打印控制器通过I/O总线与CPU相连，接收CPU发来的命令和打印数据，驱动打印装置工作。 打印装置由微处理器、打印行缓冲器、字符发生器、地址计数器、列计数器和打印头驱动电路组成。打印行缓冲器的容量等于存储一行字符所需的最大容量。字符发生器中存储不同字体、不同字模格式的字模库。 字模格式用mn表示，英文字符的字模格式有57、77、79等，汉字字模格式是2424。字模的点阵越大，字形就越细腻，但占用的存

22、储空间越多。,8. 2.3 打印机,1针式打印机,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,打印装置工作时，其中的微处理器从打印行缓冲器中取出打印字符的ASCII码，经过计算得到该字符对应的字模存储区的首地址。按地址取出首列的点阵码，驱动打印针，撞击色带，在打印纸上打印出第一列的点阵。然后，列计数器增1，字车向右横移一列的距离，打印下一列，直至打印出一个完整的字符。然后，地址计数器增1，开始打印下一个字。当打印完一行后，缓冲器撤销“打印机忙”信号，开始新的打印过程。 可见，针式打印机是逐列、逐字、逐行，由左向右，由上而下地，打印文本。,8. 2.3 打印机,1针式打印机,2020/7/11,

23、第8章 计算机外部设备,激光打印机的核心部件是表面镀有一层半导体感光材料的感光鼓。常用的感光材料是硒，所以俗称硒鼓。 激光打印机的工作流程是： 充电曝光显像转印 定影清除 除像 。 激光打印机分为黑白打印机和彩色打印机，它们的成像原理相同。黑白激光打印机只有一种黑色墨粉，彩色激光打印机使用青（Cyan）、品红（Magenta）、黄（Yellow）颜色模型。又由于CMY配出来的黑色打印效果不理想，所以增加了专门的黑色（blacK）墨粉。因此，彩色打印机的实际颜色模型为CMYK。,8. 2.3 打印机,1针式打印机,2激光打印机,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,喷墨打印机的关键部件是喷

24、墨头。喷墨头分为连续式喷墨头和随机式喷墨头。 连续式喷墨头持续地发射的墨滴。墨滴在通过充电电极时，被加上适量的电荷。带电荷的墨滴在通过偏转电场时会改变飞行方向，最终射着在纸张上的某个位置上。 随机式喷墨头带有多个喷嘴。每个喷嘴喷出墨滴的飞行方向是固定的。控制电路控制的是让哪个喷嘴喷射墨滴，受控喷嘴喷出的墨滴，直接在纸张上形成字符或图案。,8. 2.3 打印机,1针式打印机,3喷墨打印机,2激光打印机,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 1 输入设备 8. 1.1 键盘 8. 1.2 鼠标 8. 2 输出设备 8. 2.1 阴极射线管显示器 8. 2.2 平板显示器 8. 2.3

25、打印机 8. 3 辅存设备 8. 3.1 硬盘 8. 3.2 光盘,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 3.1 硬盘,硬盘属于旋转的磁表面存储设备，由磁盘盘片、磁头、磁盘驱动器和磁盘控制器组成。,第一块硬盘是1973年IBM研制的“温彻斯特”盘，俗称“温盘”。现代硬盘技术基本上来源于温盘。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,温盘的特点是： （1）包含若干绕固定主轴高速旋转的表面平整光滑且涂有磁性材料的金属盘片，盘片和可以沿半径方向移动的磁头共同密封在一个盒子里面，磁头能从旋转的盘片上读出磁信号的变化。 （2）不工作时，磁头停靠在位于盘片圆心处的着陆区，与磁盘是接触的。着

26、陆区不存放任何数据，磁头在此区域启停，不会损伤数据。工作时，盘片的高速旋转带动空气，使磁头处于“飞行状态”，悬停于离盘面0.20.5微米的高度。这样，磁头既不会划伤盘面，又能稳定地读取数据。 （3）磁盘以恒定的角速度 CAV旋转。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 3.1 硬盘,每个盘片的上下两面都可以进行磁记录，每个盘面都分别设置一个磁头，盘面号就是磁头号。 磁盘上，磁头相对运动经过的圆形轨迹称为磁道。一个盘面上，有多个同心圆形状的磁道。磁道由外向里编号，最外边为0号，磁道按磁道号来访问。 不同盘面的同号磁道形成一个柱面，柱面号就是磁道号。每个磁道又分成若干扇区。磁头以扇区为

27、单位对磁盘进行读/写，扇区的典型存储容量为512B。主机访问硬盘控制命令中的地址由柱面号、磁头号和扇区号构成。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 3.1 硬盘,硬盘的性能指标有：记录密度、容量、平均存取时间。 记录密度分为道密度和位密度。道密度是指盘面径向上单位长度的磁道数目，位密度是指磁道上单位长度存储的二进制位的数目。道密度的单位是tpi（磁道数/英寸），位密度的单位是bpi（位/英寸）。 磁盘的存储方式分为低密度和高密度。低密度时，所有磁道上的扇区数目相同，每个磁道上所存储的位数相同，所以内道的位密度比外道的位密度高。高密度时，每个磁道的位密度相同，所以外道的扇区数目比内

28、道的扇区数目多。因此，高密度磁盘容量比低密度磁盘容量大。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 3.1 硬盘,硬盘使用前，需要进行格式化（通常由厂商完成）。格式化后的硬盘容量较之前会有所降低。格式化后的硬盘容量为数据总容量（即其中数据区的实际容量）。目前，硬盘的容量普遍在500GB以上，个别高达2TB。,平均存取时间为寻道时间、旋转延迟和数据传输时间之合。其中，寻道时间是把磁头移到目标磁道所需时间。旋转延迟是指将磁道上的目标扇区旋转到磁头下所花费的时间。 寻道时间和旋转延迟取统计平均值。寻道时间的具体值由厂商提供。平均旋转延迟取为磁盘旋转一周所花时间的一半。传送时间是指磁盘与内存间

29、进行数据传送所花时间。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 3.1 硬盘,一个磁道上的全部数据必须在硬盘旋转一周的时间内传送完毕，单位时间内传送的字节数量C等于一个磁道的字节总数N乘以旋转速度R。传送B个字节所需时间就是B除以C。,例 在一个平均寻道时间为4ms、转速为10000转/分钟的磁盘系统中，每个磁道有18个扇区，每个扇区存储512B。请问读取一个完整扇区需要多少时间？,答：寻道时间TS=4ms，旋转延迟TR=(60/10000)/2=3ms。 旋转速度R=10000/60=166.7转/秒 传送一个扇区数据的时间 TA=B/(RN)=512/(166.718512)=0.33ms 读取一个完整扇区花费时间T=TS+TR+TA=7.33ms。 。,2020/7/11,第8章 计算机外部设备,8. 3.1 硬盘,典型的硬盘与主机的接口为：面向PC机的IDE（Integrated Drive Electronics，电子集成驱动器）、面向服务器的SCSI（Small Computer System