《计算机组成与结构（第3版）》课件第9章输入输出（IO）设备.ppt

1、第9章 输入/输出设备,9.1 输入/输出系统概述（了解） 9.2 输入设备（了解） 9.3 输出设备显示器（了解） 9.5 汉字处理（了解）,9.1 输入/输出设备概述,输入输出系统概念 中央处理器(CPU)和主存储器(MM)构成计算机的主体，称为主机。主机以外的大部分硬设备都称为外部设备或外围设备，简称外设。 输入输出系统包括外部设备(输入输出设备和辅助存储器)及其与主机之间的控制部件。后者称之为设备控制器，诸如磁盘控制器、打印机控制器等，有时也称为设备适配器或接口，其作用是控制并实现主机与外部设备之间的数据传送。,8.2 输入设备,在计算机中，输入设备主要完成输入程序、数据和操作命令等功

2、能，也是进行人机对话的主要部件。当实现人工输入时，往往与显示器(输出设备)联用，以便及时检验并修正输入时的错误。也可利用软盘、磁带等可脱机录入的介质进行输入。,1. 键盘,键盘是目前应用最普遍的一种输入设备，与CRT显示器组成终端设备。 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。目前常用的标准键盘有101个键。 IBM PC机的键盘内装有Intel 8048单片机来执行键盘扫描功能(确定按键的位置码)、键盘检测、消去重键、自动重发、扫描码的缓冲以及与主机间的通信等。,用于信息交换的美国标准代

3、码(American Standard Code for Information Interchange，简称ASCll)。 另有一种字符编码，是主要用在IBM计算机中的扩充的二十进制信息码(Extended Binary Coded Decimal Interchange Code，简称EBCDIC)。它采用8位码，有256个编码状态，但只选用其中一部分。09十个数字符的高4位编码为1111，低4位仍为00001001。大、小写英文字母的编码均同样满足正常的排序要求，而且有简单的对应关系，即同一个字母其大小写的编码值仅最高的第二位值不同，易于变换与识别。,2. 光笔、图形板和画笔(或游动标)

4、输入,光笔(1ight pen)的外形与钢笔相似，头部装有一个透镜系统，能把进入的光会聚为一个光点。在光笔头部附有开关，当按下开关时，进行光的检测，光笔就可拾取显示器屏幕上的坐标。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，这个过程与人用钢笔画图的过程类似。经操作员确认后，即可存入计算机。,画笔(stylus)为笔状，但不是光笔。它不是用于显示器屏幕，而是用于图形板(tablet)。当画笔接触到图形板上的某一位置时，画笔在图形板上的位置坐标就会自动传送到计算机中去，随着笔在板上的运动可以画出图形。图形板和画笔结合构成二维坐标的输入系统，主要用于输入工程图等。 图形

5、板是一种二维的AD变换器，因此图形板也称作数字化板。坐标量测的方法有电阻式、电容式、电磁感应式和超声波式几种。以电磁式为例，图形板是一块电磁感应板，手持的游动标中有一个感应线圈，当线圈的中心(十字标的中心)置于板上某点时，便在该点产生感应电压，得到坐标值。,3. 鼠标器、跟踪球和操作杆输入,光笔和图形板两种输入方式都可以输入绝对坐标。还有一类坐标输入设备，只能用来输入相对坐标。鼠标器、跟踪球和操作杆就属于这一种。它们必须和显示器的光标配合。鼠标器、跟踪球和操作杆操作容易，制作简单而且造价低，但定位精度都比较差。 鼠标器(mouse)是一种手持式的坐标定位部件。跟踪球(track boll)是用

6、手指或掌心推动的金属球体，操作杆(joystick也叫游戏棒)是能用于前后左右移动的金属杆。,4. 触摸屏,触摸屏系统一般包括两部分：触摸屏控制器(卡)和触摸检测装置。 触摸屏控制卡上有微处理器和固化的监控程序，其主要作用是将触摸检测装置送来的触摸信息转换成触点坐标，再送给计算机；同时它能接收计算机送来的命令，并予以执行。触摸屏的控制卡及其电源可以安装在显示器内，称为内置式；也可放在显示器外面，称为外挂式。 触摸屏根据其所采用的技术可分成5类：电阻式、电容式、红外线式、表面声波技术和底坐式矢量压力测力技术。,6. 图像输入设备(摄像机和数字照相机),摄像机 摄像机摄取的景物，经数字化后变成数字

7、图像存入磁盘或磁带，如果被摄对象在微观世界，可以将摄像机装在显微镜上，组成显微图像输入系统。 当图像已经记录到某种介质上时，要用读出装置读出图像。如记录在录像带上的图像要用录像机读出，再将视频信号经图像板量化输入计算机。如果想把纸上的图像输入计算机，一种方法是用摄像机对着纸上的图像摄像输入。另一种方法是利用装有CCD(电荷耦合器件)的图文扫描仪(scanner)或图文传真机。,数字照相机 近年来推出的数字照相机在色彩质量和图像清晰度等方面不断改进，但还不能与基于胶片的相机所能提供的最佳清晰度和色彩相媲美。 数字照相机内置有1M几M字节存储器，并带用LCD预映屏幕。在拍照时观察屏幕可将最佳快照录

8、入相机的存储器中，并即时删除不理想的照片。其最大的特点是可以联机。因此人们可以在瞬间获取图像，也可在照片拍摄后把其载到因特网上。,6. 条形码及其技术,条形码又叫条码。条码的定义是：由一组宽度和反射率不同的平行相邻的“条”和“空”，按照预先规定的编码规则组合起来，用以表示一组数据的符号。这组数据可以是数字、字母或某些符号。图92(a)为条码符号基本术语示意图。,7. 光学字符识别(OCR)技术和语音文字输入系统,光学字符识别技术 OCR系统是多项技术结合的产物，识别技术是其核心内容，还包括图形文本的扫描输入，光电信号变换，电信号的数字化处理，版面分析与理解，字的切分处理以及输入信息载体(页)的

9、自动传送技术等。,语音与文字输入系统 目前计算机输入字符与数据，主要用键盘敲入，人们正在研究如何让机器听懂话、识别字。为了达此目的，一系列相应学科正在形成与发展，其中包括模式识别、人工智能、信号处理和图像处理，并在此基础上产生了语音识别、文字识别、自然语言理解与机器视觉等学科。,9.3 显示设备,9.3.1 输出设备显示器,（一）显示设备种类 按显示设备所用的显示器件分类，有阴极射线管(cathode ray tube，简称CRT)显示器，液晶显示器(1iquidcrystaldisplay，简称LCD)，等离子显示器等。CRT就是大家所熟悉的电视机显像管，有黑白和彩色两种。目前的台式计算机大

10、部分使用CRT作为显示器件。液晶和等离子显示器是平板式显示器件，它们的特点是体积小、功耗少，是很有发展前途的新型器件。,按所显示的信息内容分类，有字符显示器、图形显示器和图像显示器三大类。 按显示设备的功能分类，有普通显示器和显示终端两大类。 显示器的功能简单，它只能用于接收视频信号，显示器的控制逻辑和存储逻辑都在主机接口板中，这种显示器也称作监视器(monitor)。 终端是由显示器和键盘组成的一套独立完整的输入输出设备，它可以通过标准通信接口接到远离主机的地方使用。终端能够完成显示控制与存储，键盘管理以及通信控制等功能，还可以完成简单的编辑操作。,阴极射线管(CRT) CRT是由电子枪、偏

11、转装置和荧光屏构成。 电子枪是阴极射线管的主要组成部分，包括灯丝、阴极、栅极、加速阳极和聚焦极。 灯丝：加热； 阴级：释放电于； 栅级：控制电子撞向显示屏的数量，即打向显示屏的电子束的强弱； 阳级：对电子束的加速； 聚焦级：对电子束进行聚焦，保证较高的显示清晰度。,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14长度的显示器件，有液晶显示(LCD)、等离子体显示(PDP)、场发射显示(FED)、电致发光显示(ELD)等。其中LCD本身不发光，靠调制外光源实现显示，其余各类显示均自身发光。,(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

12、，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。 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)。 CD的应用领域：便携式电子产品 监视器 消费类电子产品,(2)彩色等离子体显示(plasma display panel，简称PDP) 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。彩色PDP技术与荧光灯显示原理相同，利用气体放电产生紫外

13、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。,（二）显示技术中的有关术语,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。 图像(image) 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。,2分辨率和灰度级 分辨率:为实现显示，沿水平和垂直两个方向把屏幕分成许多小的区域，一个小的区域对应一个发光点（称为像素），一个

14、屏幕上所提供的全部像素的数目被称为分辨率.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。 灰度级(gray level)指的是所显示像素点的亮暗差别，在彩色显示器中则表现为颜色的不同。如果用4位表示一个像素，则只有16级灰度或颜色。,3刷新和帧存储器 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。 为了不断提供刷新图像的信号，必须把图像存

15、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。容量和存取周期是帧存储器的两个重要技术指标。,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。 随机扫描是控制电子束在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，所以这种扫描方式画图速度快，图象清晰。 光栅扫描是电视中采用的扫描方法。在电视中，要求图像

16、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。逐行扫描就是从屏幕顶部开始一行接一行地扫描，一直到底，反复进行。,（三）字符显示器,字符显示设备是计算机系统中最基本的外部设备。以IBMPC机单色字符显示系统为例，说明字符显示器的工作原理。,组成：扫描控制逻辑、显示存储器和字符发生器 （1）扫描控制逻辑部件：控制电子束扫描轨迹的电路，常用的扫描方式有光栅扫描和随机扫描两种。 在光栅扫描方式下，电子束要从左到右、从上到下扫描整个屏幕，扫描控制本身不必区分什么位置上有点要显示，什么位置上的点不显示，它只是控制电子束在整个屏幕上重复移动，显示的具体

17、内容则通过另外的逻辑线路提供。,（2） 字符发生器，就是用于保存每个可显示字符字形的点阵数据的逻辑部件，通常是一个只读存储器（ROM）。 内容：能显示字符的点阵信息 容量：显示字符个数*每个字符点阵所占字节数 例如： 如果每个字符的字形用7（横向）*9（纵向）的点阵表示则每个字符字形的点阵数据要占用9个存储器字节（横向的7个点的布局用一个字节表示）。那么，为能显示ASCll码的95个（含空格字符）可显示字符，该字符发生器（ROM）应由9 * 95个字节组成。,地址组织： 字符发生器的地址由两部分组成，即该字符的ASCII码作为高地址，扫描线序号（08）作为低地址。 注意：在屏幕上，每个字符行一

18、般要显示多个字符，而电子束在进行全屏幕扫描时，是采用对一排的所有字符的点阵进行逐行依次扫描。,图95(a)是字符A用点阵(7X9)表示的例子以及它位于字符窗口中的情况，图95(b)为字符发生器的逻辑结构。,（3）显示存储器VRAM，用于保存将显示在整个屏幕的全部字符。 地位：软件：向VRAM中写显示信息 硬件：将VRAM中内容送屏幕 内容及容量： 内容：要显示字符的ASCII码 容量：显示规格*每个字符占的字节数 （字节） 例如：显示规格：25行*80列 属性信息与属性缓存： 每个字符都配有一个属性字节，用来描述字符的显示属性，即字符的颜色、亮度、是否闪烁等等。这样，需要一存储器来存放字符的属

19、性信息，即属性缓存。,地址组织： 显示缓存中不论存放的是字符的代码信息还是图形的象点信息，每个数据在VRAM中的位置都应该与在屏幕上的显示位置一一对应。,若已知字符编码在VRAM中的地址，求该字符在屏幕上的位置： 行号=VRAM地址/每行字符数 列号= VRAM地址%每行字符数 若已知字符在屏幕上的位置，求该字符在VRAM中的位置： VRAM中地址=行号*每行字符数+列号 图中注释： 垂直地址计数器决定电子束扫描字符的行号，水平地址计数器决定它的列号号, 由“VRAM中地址=行号*每行字符数+列号”确定扫描字符编码在VRAM中地址，读VRAM得要显示字符编码 由字符编码作为高地址，此时光栅地址

20、计数器的值作为低地址，读字符发生器ROM，得此字符在此扫描行上的一行点阵 显示字符在此扫描行上的一行点阵，在点计数器的作用下，由并行转换为串行数据，作为视频信号传向CRT,运行原理： 为了当电子束扫描到某字符或某象点位置时，相应的视频信号必须同时输出，为此，在CRT显示器中设置了几个计数器，对显示器的主频进行分频，产生各种时序信号来控制对VRAM的访问、对CRT的水平扫描和垂直扫描，以及视频信号的产生等。 点计数器1/（7+2）提供控制一个字符区间内的横向间隔消隐，对水平计数器计数。决定一个字符一行点阵的第几个点。,（2）水平计数器1/ （80+L）提供VRAM低位地址信息，控制一条水平扫描内

21、的显示与消隐，向显示头提供水平同步信号，对光栅计数器计数等控制信号。决定一行中的第几个字符（列号）显示。 （3）光栅计数器1/ （9+5）提供访问字符发生器ROM的低位地址，控制一行字符中哪些线显示，哪些线消隐，控制光标显示，对垂直计数器计数等控制信号，决定一行字符中第几行点阵线显示。,（4）垂直计数器1/ （25+M）提供VRAM高位地址信息，向显示头提供垂直同步信号，控制一场显示过程中的显示段与消隐段，决定第几行字符（行号）显示。,（四）图形和图像显示,光栅扫描图形显示器，是当今应用最多的显示器，光栅扫描显示器的特点是把对应于屏幕上每个像素的信息都用存储器存起来，然后按地址顺序逐个地刷新显

22、示在屏幕上。其硬件结构如图97所示。,这里有两个存储器，一个称作程序段缓冲存储器，另一个是帧存储器。程序段缓存中存储由计算机送来的显示文件和交互式图形图像操作命令，如图形的局部放大、平移、旋转、比例变换、图形的检索以及图像处理等，这些操作在显示处理器中完成，比在主机中用软件实现效率要高得多。 在微机系统中，主机和CRT设备之间的电路都放在显示适配器的接口中。,早期的VGA显示图形适配器只起到CPU与显示器之间的接口作用；如今还起到处理图形图像数据，加速显示等作用。其核心部分是专门为之设计的图形图像加速芯片，这是一个固化了一定数量常用基本图形程序模块和三维图形图像处理部件的芯片。三维处理大体上可

23、分为“几何变换”和“色彩渲染”两种处理，这两种处理如果都由CPU来声成，则CPU的负担过重，而且大量位图数据的传输量很大，对传输率要求太高；如果都由适配器来完成，则要采用三维图形芯片和大容量显存来完成色彩渲染处理，但显存成本较高。要降低适配器成本，需要减少卡上显存容量，而将结构数据存储在主存储器中。原有的总线难以胜任图形数据传送，Intel公司提出了新型视频标准AGP，并推出了三维图形图像加速芯片。附和AGP标准的适配器也随之出现在市场上。在微机中是否具有AGP接口卡，对图形图像的处理效果影响很大。,9.5 汉字处理技术 9.5.1 汉字编码标准 1981年，我国的国家技术监督局公布了国家标准： GB2312信息交换用汉字编码字符集基本集，收集了常用汉字6763个，其