硬件技术基础第十章外部设备及其接口.ppt
外部设备及其接口,外部设备及其接口,教学目的和要求本章主要以键盘、LED显示、CRT显示器、打印机、鼠标、扫描仪、绘图仪等外部设备为典型例子,介绍各种外部设备的结构、性能、功能、工作原理，以及各种外部设备与计算机之间的简单接口。要求了解外部设备的基本性能和应用特点。,第十章,内容提要,概述LED数码显示器及其接口打印机及其接口CRT显示器及其接口键盘及其接口鼠标器及其接口其他外部设备（扫描仪，绘图仪）,概述,在计算机系统中，除中央处理机之外的设备都叫外部设备。外部设备承担着计算机外部各种媒体形式的信息与计算机内部数字信号之间转换的重任。外部设备也是人与计算机沟通与联系的接口，是计算机发挥作用的通道与桥梁。,LED数码显示器及其接口,LED显示结构与原理 LED显示器是用发光二极管显示字形的显示器件。在应用系统中通常使用的是七段显示器。七段显示器由七段组成，每一段是一个发光二极管，排成一个“日”字形。通过控制某几个发光二极管的导通发光而显示出某一字形，如数字09，字符A、B、C、D、E、F、P等。通常的七段LED显示器有八个发光二极管，故也有人叫做八段显示器，如图10-1所示。其中七个发光二极管构成字形“8”，一个发光二极管构成小数点。,LED数码显示器及其接口,LED显示器的显示方式静态显示方式所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。在静态显示方式下，各显示位的位选线即共阴极点（或共阳极点）连接在一起接地（或接5V）；各显示位的段选线（ah）与一个8位并行口相连。,LED数码显示器及其接口,动态显示方式所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描）。动态显示电路中将所有显示位的段选码线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而位选线（共阴极点或共阳极点）分别由相应的I/O口线控制。,LED数码显示器及其接口,硬件译码显示器接口 图10-2是Motorola公司生产的CMOS BCD 七段十六进制锁存、译码、驱动芯片MC14495的逻辑引脚图。该电路的特点是可显示16进制字符，同时还有译码器输入大于等于10时的指示端（hi）。当输入数据大于等于10时，hi端输出“1”电平。另外还有输入数据为15时，电路输出端VCR为“0”电平（其它输入状态时为高阻）的功能。电路内部还有一个290欧姆的限流电阻，故LED不须外加限流电阻。LE为片选端，电路中的锁存器在LE=0时输入数据，在LE=1时锁存数据。,LED数码显示器及其接口,LED数码显示器及其接口,LED数码显示器及其接口,软件译码显示器接口 软件译码静态显示接口图10-3是CPU通过8255扩展I/O口控制的三位静态LED显示接口。图中LED为共阴极接法。若为共阳极时，公共极接5V。如果显示位数较多。可再增加8255或其它并行输出口。软件译码动态显示接口图10-4是CPU通过8255扩展I/O口控制的三位动态LED显示接口。,LED数码显示器及其接口,打印机及其接口,微型打印机是指体积、形状较小，一行打印字符小于40个字符的小型打印机。由于设计精巧，功能实用，常用于工业自动控制、单片机以及便携式微机和商用收款机等领域。目前国内流行的微型打印机主要有GP16或TPP16A，它们均是以8039单片机（个别产品采用8049单片机）作为控制器的智能化微型打印机，机芯为日本生产的Model-150-针打，每行可打印57点阵的字符16个。,打印机及其接口,在这类微型打印机中，8039单片机执行固化在EPROM中的控打程序，接收和执行主机送来的命令。通过控制口和驱动电路，实现对打印机芯机械动作的控制。把主机送来的数据以字符串、数据或图表形式打印出来。也可以响应停机、自检、走纸等开关操作，使操作员随时对打印机状态进行干预。TP P 16A微型打印机与计算机应用系统通过机匣后部的20芯扁平电缆及接插件联接。打印机机匣后部接插件引脚信号如图10-5所示。,打印机及其接口,DB7DB0为数据传送线，单向，由计算机输入打印机。STB为数据选通输入信号。在此信号的上升沿时，数据线上的8位并行数据被打印机读入机内锁存。ACK为打印机的应答信号，输出，低电平有效。当此信号有效时，表明打印机已取走数据线上的数据。,打印机及其接口,BUSY为打印机“忙”状态信号，输出，高电平有效。当此信号有效时，表示打印机正忙于处理上个数据，此时，主计算机不得使用STB信号向打印机送入新的数据。ERR为“出错”信号，输出。当送入打印机的命令格式有错时，打印机立即打印出一行出错信息，以提示操作者注意。在打印机打印出错信息之前，该信号线上出现一个负脉冲，脉冲宽度30ms。,打印机及其接口,【例10-1】微型打印机的接口与编程 某微型打印机通过8255与8088CPU连接，逻辑电路如图10-6所示。试编程实现将从DATA开始的100个字节的ASCII码字符数据送打印机打印的程序。由图可知，可编程接口芯片8255的端口地址，A口至控制口分别为80H83H。A口为方式0输出，C口为高半字节输出，C口为低半字节输入，方式控制字设定为10001000B。,打印机及其接口,打印机及其接口,按题目要求，编程如下：START：MOV AL，88H OUT 83H，AL MOV AL，0FFH OUT 82H，AL MOV SI，OFFSET DATA MOV CX，100,打印机及其接口,X1：IN AL，82H TEST AL，01H JNZ X1 MOV AL，SI INC SI OUT 80H，AL MOV AL，00H OUT 82H，AL MOV AL，0FFH OUT 82H，AL LOOP X1 HLTDATA DB x1，x2，x3，x4，x100,CRT显示器及其接口,分类按使用的显示器件不同，显示器主要分为两大类：一类是阴极射线管显示器，简称为CRT显示器；另一类是平板显示器，主要包括发光二极管显示器、液晶显示器和等离子体显示器等。,显示器的工作原理CRT显示器的基本组成CRT显示器的基本组成主要包括视频放大驱动电路、行扫描电路、场扫描电路、高压电路、CRT显象管以及机内直流电源等六大部分，如图10-8所示。,CRT显示器及其接口,CRT显示器及其接口,光栅扫描电子束首先出现在屏幕的左上角，再扫至右上角，这样在屏幕上就留下一条线。这条线就称为光栅线，当电子束到达屏幕右边后，它又以极高的速度重新定位到屏幕左边，这样在第一条轨迹的下面又出现一条线，叫水平回扫。从这点开始经水平扫描又在屏幕上产生了第二条显示线。这个扫描过程一直持续到水平扫描到达屏幕底部，此时一帧画面扫描完毕。最后，电子束又以极高的速度回扫到屏幕左上角，称为垂直回扫。扫描原理如图10-9所示。,CRT显示器及其接口,CRT显示器及其接口,字符的产生 原理：CPU把要在屏幕上显示的内容存入显示存贮器，然后在CRT控制器的控制下，不断从显示存储器中读出已存入的信息，再将该信息转换成所需的视频信号，送到CRT的阴极去控制电子束，以便在CRT上显示稳定的字符和图象。字符缓冲器和属性存贮区是显示存储器的两个组成部分。字符缓冲器中存放字符的ASCII码，属性存贮区存放对应字符的显示特征。,CRT显示器及其接口,字符是以点阵的形式显示在屏幕上的。为了把显示存储器VRAM中输出的一个字节的ASCII码变换成相应的点阵字符形式，通常使用字符发生器来进行变换。字符发生器送出的点必须以串行方式、并以视频信号的形式送到CRT的阴极。CRT控制器 CRT控制器（简称CRTC）简化了微机系统同CRT的接口，典型CRT控制器有8275和MC6845。,CRT显示器及其接口,MC6845 CRT控制器是可编程的画面显示控制芯片，可用作执行光栅扫描和存贮变换控制功能的显示器接口。MC6845产生显示器扫描控制信号、显示缓冲区地址和字符发生器ROM地址。MC6845是可编程接口芯片，其可编程内容包括指定每个字符的点阵和光栅数，每行字符数、光标的形式等。MC6845 CRT控制器是由水平定时发生器、垂直定时发生器、线性地址发生器和光标控制逻辑组成。,键盘及其接口,分类按编码提供方式，常用的键盘有两种基本类型，即编码键盘和非编码键盘。按照按键的开关结构，键盘可分为两类：有触点键盘和无触点键盘。编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与被按键对应的ASCII码或其它编码。编码键盘的缺点是硬件设备随着键数的增加而增加。,键盘及其接口,非编码键盘仅仅简单地提供被按键行和列的矩阵，其它工作都靠程序实现。非编码键盘具有价格便宜、配置灵活的特点。PC系列机键盘 PC系列机都采用非编码键盘，其按键排列为矩阵式。这种键盘与主机箱分开，通过一根5芯的电缆与主机系统板相连。在键盘内有一块Intel 8048单片微型计算机芯片，用来完成键盘扫描功能，并把采集到的键值（PC机中为扫描码）送入主机的键盘接口电路中去，经过接口电路的串并转换送到主机系统。,键盘及其接口,抖动与串键抖动 是当机械开关的触点闭合时，在达到稳定之前需要短暂抖动或弹跳几下，即反复闭合，断开几次之后，才能达到可靠地闭合在一起。抖动也存在于开关断开时，其情形与开关闭合时相同。串键 由于操作上的原因，在键盘上同时按下一个以上的键是可能的(组合键除外)。这种情况称为串键。解决这个问题的三种主要技术是：两键同时按下保护技术，n键同时按下保护技术和n键连锁技术。,键盘及其接口,独立式键盘 从按键的连接方式，键盘可以分为独立式和矩阵式两类。独立式按键是最简单的键盘结构，它是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。如图10-11所示为独立式按键电路。特点：独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大。故在按键数量不多时，常采用这种按键电路。,键盘及其接口,键盘及其接口,矩阵键盘 矩阵式键盘又叫行列式键盘，用I/O口线组成行、列结构。按键设置在行列的交点上。利用这种矩阵结构只需N+M条I/O口线，即可联接NM个按键。在这种矩阵键盘结构中，对按键的识别是对键盘扫描后，通过软件来完成的。键盘扫描方式一般有两种，一种是传统的行扫描法，另一种是速度较快的线反转法。,键盘及其接口,行扫描法 行扫描法是步进扫描方式，每次向键盘的某一行发出扫描信号，同时通过检查列线的输出来确定闭合键的位置。图10-12给出了一个44的键盘矩阵，共有16个键。线反转法 线反转法的基本原理如图10-13所示。整个键识别过程分两步进行:第一步，输出行信号。第二步，线反转。,键盘及其接口,键盘及其接口,键盘及其接口,键盘的工作方式有三种。1程序控制扫描方式。这种方式是利用CPU工作的空余时间，调用键盘扫描子程序，响应键盘的输入请求。2定时扫描方式。是利用定时器产生定时中断(例如10ms)，CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时转入键功能处理程序。3中断扫描方式。当键盘上有键闭合时便产生中断请求，CPU响应中断，执行中断服务程序，对闭合键进行识别，并作相应的处理。,鼠标器及其接口,分类 鼠标按照工作原理分类，可以分为“机械鼠标”和“光电鼠标”两类。机械鼠标：工作原理是由底部的一颗塑胶球滚动而传动两个垂直与水平的圆轴，这两个轴的另一端则分别装置了一个光控转盘，转盘上有许多的细缝，当光控转盘转动时，光控开关就会因为光控转盘的细缝转动而传出一开一关的信号给鼠标的电路板，鼠标再将接收到的信号传给微机。其结构原理如图10-15所示。,鼠标器及其接口,鼠标器及其接口,光电鼠标是以一个发光二极管和一个感光接收器所组成，由于感光接收器需要光源反射，因此，这种鼠标还需要一个特殊的鼠标垫（Mouse PAD）来达到反射光源的目的，这种鼠标垫的表层一般用金属薄膜加网状条纹制成。光电鼠标器的结构原理如图10-16所示。,鼠标器及其接口,其他外部设备(扫描仪),扫描仪扫描仪是图像信号输入设备。它对原稿进行光学扫描，然后将光学图像传送到光电转换器中变为模拟信号，又将模拟信号变换成为数字信号，最后通过计算机接口送至计算机中。其扫描示意图如图10-17所示。,其他外部设备(扫描仪),其他外部设备(扫描仪),扫描仪扫描图像的步骤1首先将欲扫描的原稿正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上，原稿可以是文字稿件或者图纸照片。2启动扫描仪驱动程序后，安装在扫描仪内部的可移动光源开始扫描原稿。3照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙，形成沿x方向的光带，又经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进入分光镜，经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带分别照到各自的CCD上，CCD将RGB光带转变为模拟电子信号，此信号又被A/D变换器转变为数字电子信号。扫描方式如图10-18所示。,其他外部设备(扫描仪),其他外部设备(扫描仪),两个元件 一个是CCD，它将光信号转换成为电信号。CCD是Charge Couple Device的缩写，称为电荷耦合器件，它是利用微电子技术制成的表面光电器件，可以实现光电转换功能。CCD的性能决定了扫描仪的x方向的光学分辨率。一个是A/D变换器，它将模拟信号变为数字信号。A/D变换器是将模拟量（Analog）转变为数字量（Digital）的半导体元件。,绘图仪,绘图仪 绘图仪是输出高质量图形的设备。绘图仪的种类很多,基本上可分为滚筒式和平台式两类，它们的组成部分有驱动电机、机械传动部分、控制电路、绘图台笔架、插补器等。滚筒式绘图仪 滚筒式绘图仪工作原理见图10-19所示。送纸机构和笔架机构直接影响绘图质量，是绘图仪的主要机构。,绘图仪,绘图仪,平台式绘图仪 平台绘图仪由控制面板、电源、接口、控制电路、驱动电路、机械传动等部分组成。平台式绘图仪工作原理见图10-20所示。绘图平台台面一般由硬质橡皮构成，其上有X和Y方向两组导轨。,绘图仪,本章重点,各种外部设备的结构、性能、功能、工作原理。各种外部设备与计算机之间的简单接口。,
