计算机组成与结构第9章0512输入输出设备.ppt

1,第9章 输入/输出（I/O）设备,9.1 外部设备概述9.2 输入设备9.3 输出设备,2,9.1 外部设备概述,1.输入输出系统概念(P294,P326)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。它包括常用的输入输出设备，外存储器，脱机输入输出设备等。,3,4,9.2 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。,5,1.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，它除了提供通常的ASCII字符以外，还有多个功能键(由软件系统定义功能)、光标控制键(上、下、左、右移动等)与编辑键(插入或消去字符)等。,6,键盘的工作原理：用于信息交换的美国标准代码(American Standard Code for Information Interchange，简称ASCII)，如表9.2所示。,7,表9.2 ASCII字符编码表,8,从表中可以看到：(1)每个字符是用7位二进制代码表示的，其排列次序为b6b5b4b3b2b1b0，在表中的b6b5b4为高位部分，b3b0为低位部分。而一个字符在计算机内实际是用8位表示。正常情况下，最高一位b7为“0”。在需要奇偶校验时，这一位可用于存放奇偶校验的值，此时称这一位为校验位。(2)ASCII是128个字符组成的字符集。其中编码值031不对应任何可印刷(或称有字形)字符，通常称它们为控制字符，用于通信中的通信控制或对计算机设备的功能控制。编码值为20H的是空格(或间隔)字符SP。编码值为7FH的是删除控制DEL码。其余的94个字符称为可印刷字符，有人把空格也计入可印刷字符时，则称有95个可印刷字符。请注意，这种字符编码中有如下两个规律：,9,字符09这10个数字符的高3位编码为011，低4位为00001001。当去掉高3位的值时，低4位正好是二进制形式的09。这既满足正常的排序关系，又有利于完成ASCII码与二进制码之间的转换。英文字母的编码值满足正常的字母排序关系，且大、小写英文字母编码的对应关系相当简便，差别仅表现在b5一位的值为0或1，有利于大、小写字母之间的编码变换。,10,2.鼠标器,光笔和图形板两种输入方式都可以输入绝对坐标，即只要把光笔点到屏幕上某点或者把游动标放到图形板的某一点，就可以读取这一点的坐标值。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。计算机先要给定光标的初始位置，然后用读取的相对位移移动光标。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。,11,鼠标器(mouse)是一种手持式的坐标定位部件，由于它拖着一根长线与接口相连，样子像老鼠，由此得名。跟踪球(trackboll)是用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，它们读取坐标的方式与鼠标器类似，都是得到相对位移量，用相对坐标定位。(1).鼠标器鼠标器以其快捷、准确、直观的屏幕定位和选择能力而受欢迎，目前已成为微机必备的输入设备。,12,目前市面上流行的鼠标器有两种：机械式和光电式。它们与主机的通信和控制原理完全相同，只是在移动检测方面有些差异，两者相互可以直接替换。图9.1是机械式鼠标器的内部结构示意图。,13,图9.1 机械鼠标器示意图,14,光电鼠标器没有机械滚动部分，代之以两对互成直角的光电探测器，分别代表X，Y方向。光电鼠标器必须在专用的板上滑动。滑板用相互垂直的线条划分成许多小方格。当发光二极管发出的光线照到板上的空白处，反射到光敏三极管上，使其导通，获得低电平。若照到线条上，则被线条吸收，无反射光线到光敏管上，光敏管截止，得到高电平。CPU以X，Y方向的高低脉冲计数，也就可确定鼠标器的位移情况。,15,6.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9.2(a)为条码符号基本术语示意图。解释如下：条码元素：用以组成条码符号的条和空，统称条码元素。条：在条码符号中，反射率较低的元素称为条，即图中的黑条。空：又称间隔。在条码符号中，反射率较高的元素称为空，即图中的白条。,16,图9.2 条码符号,17,条与空可规定几种不同的宽度，由若干条和空组成一个字符。条码的作用：条码是表示数据的符号，在市场上即表示某种商品的代号，这个符号可由机器自动识别，并送入计算机中。条码技术是研究如何把计算机所需要的数据用条码来表示，并将它转变为计算机可自动采集的数据。因此条码技术主要包括：条码编码规则及标准、条码译码技术、印刷技术、光电扫描技术、通信技术、计算机技术等。,18,扫描器：要阅读条码符号所包含的信息需要一个扫描装置。在正常工作时，扫描器与条码符号之间要保持的距离称为工作距离，而允许的最大工作距离和最小工作距离之差称为扫描景深。译码器：扫描器将扫描得到的脉冲数字信号送到译码器，译码器按照一定的编码规则解释成计算机可识别的信号，并通过数据通信接口送入计算机。通常条码译码器采用微处理器及相应硬件来完成译码工作。阅读器：扫描器和译码器合起来称为阅读器。条码符号的结构如图9.2(b)和(c)所示。,19,9.3 显示设备和打印设备,9.3.1 输出设备显示器1）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(liquid crystal display,简称LCD)，等离子显示器等。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。,20,按显示设备的功能分类，有普通显示器和显示终端两大类。显示器和终端是两个不同的概念。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，目前使用的个人计算机系统就是这种结构。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。终端的结构比显示器的结构复杂得多，它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。,21,2）工作原理阴极射线管(CRT)CRT是一个电真空器件，由电子枪、偏转装置和荧光屏构成。图9.4以单色CRT(即黑白显像管)为例说明了CRT的工作原理。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。CRT在加电以后，灯丝发热，热量辐射到阴极，阴极受热便发射电子，电子束射到荧光屏上形成光点，由光点组成图像。,22,图9.4 阴极射线管(CRT),23,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1/4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。平板显示器有不少优点，但目前价格尚待进一步下降。,24,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，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)。,25,3）显示技术中的有关术语图形和图像分辨率和灰度级刷新和帧存储器随机扫描和光栅扫描,26,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。早期的图形显示和处理只是局限在二值化的范围，只能用线条的有无来表示简单的图形。图像(image)则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。,27,在显示屏幕上，图形和图像都是由称作像素的光点组成的。光点的多少称作分辨率，光点的深浅变化称作灰度级(在黑白显示器上表现为灰度级，在彩色显示器上表现为颜色)。分辨率和灰度级决定了所显示图的质量。高分辨率多灰度级的光栅扫描的显示器不仅可以显示图像，也可以显示图形。现在的图形也可以有颜色、深浅层次的变化。,28,但是，图形学和数字图像处理是两个不同的学科，它们所研究的问题不同，应用领域不同，使用的技术方法不同，图形和图像的输入手段也不同。图形学的主要任务是研究如何用计算机表示现实世界的各种事物，并且形象逼真地加以显示。如动画设计、花布图案设计、地图的显示等平面图，飞机、汽车、建筑物的造型设计等立体图。这些图要求形象逼真地显示，需要有深浅和颜色。图形学所用的技术包括点、线、面、体等平面和立体图的表示和生成。同时，由于要在平面上显示立体图，还要研究阴影的产生，隐藏线、隐藏面的消除技术以及光照方向与颜色的模拟等技术。,29,分辨率和灰度级 分辨率(resolution)指的是显示设备所能表示的像素个数。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。灰度级越多，图像层次越清楚逼真。灰度级取决于每个像素对应刷新存储器单元的位数和CRT本身的性能。分辨率和灰度级是显示器的两个重要技术指标。,30,刷新和帧存储器 刷新：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。结合人的视觉生理，刷新频率应大于30次秒，人眼才不会感到闪烁。显示设备中通常选用电视中的标准，每秒刷新50帧(frame)图像。帧存储器：为了不断提供刷新图像的信号，必须把图像存储起来，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。,31,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。,32,9.3.2 输出设备打印机,1、打印机分类按印字原理分类，分为击打式和非击打式两大类。按工作方式划分，可分为串行打印机和行式打印机两种。按打印纸的宽度不同，可分为宽行打印机和窄行打印机,33,2、工作原理点阵针式打印机,点阵针式打印机的特点是结构简单、体积小、重量轻、价格低，字符种类不受限制，较易实现汉字打印，还可以打印图形和图像。针式打印机的印字方法是由打印针印出的n(横)Xm(纵)个点阵组成字符图形。显然，点越多，印字质量越高，西文字符的点阵通常有5X 7，7X 7，7X 9等几种，若要打印汉字，至少要加密到16X16点阵或24X24点阵。,34,图9.8 针式打印机构,35,激光打印机内部结构 激光打印机的内部结构如图99所示。其主要部件如墨粉、感光鼓(硒鼓)、显影轧辊、显影磁铁、初级电晕放电极、清扫器等，都装置在墨盒内。其中感光鼓一般是用铝合金制成的一个圆筒，鼓面上涂敷一层感光材料(如硒碲砷合金)。激光发生器是激光打印机的光源，具有很好的单色性和方向性，可以聚焦成极细的光束。激光束通过扫描反射镜反射到感光鼓上。,2、工作原理激光打印机,36,图9.9 激光打印机内部结构示意图,37,印字原理 激光印字过程可分成六个步骤，以下参照图910所示的印字过程示意图进行介绍。(1)带电(2)曝光(3)显影(显像)(4)转印(5)定影(固定)(6)清除残像,38,图9.10 激光印字过程示意图,39,汉字处理技术,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，其中一级汉字3755个，二级汉字3008个。在大多数情况下，这些汉字已够用，但遇到户籍管理或古籍整理等，这一字符集就不够用了。,40,经过世界各国标准化组织的积极参与，1993年由国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)公布了国际标准ISOIEC 10646.1，即信息技术通用多八位编码字符集(UCS)。该标准对世界各国正在使用的诸多文字进行了统一编码，整个字符集内每一个字符用四个8位(bits)或8个十六进制数表示，在信息交换及信息处理过程中显得高效、简洁。因此，世界各国都力图将本国文字放入这一区域内。,41,中国、日本、韩国(CJK)的统一的汉字被分配在该区的4E00到9FFF，共20902个位置，即20902个汉字。其中我国约有17000个汉字已被收入。ISOIEC 10646大字符集从根本上解决了多文种编码之间的冲突，为多文种(包括中文)应用软件的开发提供了一个统一的平台。目前越来越多的公司开始以UCS的体系设计它们的系统和应用软件，也为我国的中文信息产业的发展创造了机遇。,42,2 汉字的输入方法 汉字编码可归纳成音码、形码和音形码三大类。评价汉字编码方案的优劣，应该符合易学易用、操作方便、重码少、规则简明、记忆量少等原则。上述的汉字编码用于键盘输入，除此以外还有语音输入方式、手写输入方式和印刷体扫描识别输入方式。(1).键盘输入方式1.音码输入音码是以国家文字改革委员会公布的汉语拼音方案为基础进行编码的。,43,根据编码规则的不同，一般有全拼、简拼和双拼三种音码。全拼即把汉字的全部拼音字母作为汉字的编码，输入汉字时只用打汉字的全拼音即可。但因汉字同音字多而造成重码很多，因此还要进行选字，影响输入效率，后来用输入词组或短语的方法来提高速度。简拼和双拼以压缩拼音字母的方法来减少录入一个汉字的敲打键盘次数，但需记忆一些规则，又未能解决重码问题。,44,2.形码输入 汉字是一种音形义俱全的图形文字，一个字一个样，由38种笔画组成500多个部件，再由500多个部件组成6万多个汉字。对每个部件给一个代码。它的最大特点是便于说不准普通话的人使用，或对某些不认识的字也能根据形状输入。但是由于汉字结构复杂，构成汉字的部件大多数还没有规范化，有的汉字很难正确拆成部件，还要牢记拆字的规则，也不是一种理想的输入方式。,45,3.音形码(或形音码)输入 音形码：对每个输入的汉字，先取该字读音的第一声母，然后按一定规则拆分该字的部件，其目的在于减少重码。形音码：先把一个汉字分解成多个部件，并按一定规则提取部件，再把所取部件读音的第一个字母连成字母串，即为该汉字的输入编码。,46,(2).语音输入方式 随着社会日益信息化，人们越来越希望用自然语言与计算机交流。如果人的讲话通过话筒能直接输入计算机，经过计算机处理后直接输出打印稿，这无疑会受到欢迎。又如果计算机实现了人机会话，具有机器翻译或自动文摘等语言信息处理功能。那么这些实用系统除了分析输入到计算机中的文章或话语外，还需要具备生成语言的能力，人们必须对语言的词法分析、句法分析、语义分析等进行研究，并付诸实施。,47,由此积累了诸如电子词典、语料库等语言数据资源，这些技术和资源，有的已经形成产品，有的正在开发和充实。即使有了上述这些成果，但是由于每个人的口音、音量、音频各有不同，所以语音识别的难度还是很大。随着计算机技术的发展，语音输入的准确率和识别率肯定会有新的突破。(3).手写输入 先建好电脑汉字库，借助与电脑连接的笔输入设备(图形板和画笔)和软件，可将手写汉字输入电脑，有关产品已经上市。这种输入方式可以不记拆字的规则、不受口音的限制，代表了汉字输入智能化的大方向，使人们在汉字输入方面有望告别“键盘”。,48,(4).印刷体扫描识别输入 通过与电脑连接的光学字符识别(OCR)仪，把书面图文资料成批快速录入计算机。如果能自动识别各种字体，又能识别手写体(连笔字、简繁字)，那就更理想了。上述4种输入方式，除了键盘输入外都可认为是智能化输入，而智能化输入的任一突破基本上也可为键盘输入带来好处。从以上讨论可以看出，各种输入方式相互之间有着密切关系，而且都向更智能化方向发展。,49,3 汉字的存储 汉字的存储有两个方面的含义，一种是汉字内码的存储，另一种是字形码的存储。字形码也称字模码，目前计算机显示器和打印机都用点阵表示汉字字形代码，它是汉字的输出形式。根据输出汉字的要求不同，点阵的多少也不同。简易型汉字为1616点阵，提高型汉字为2424点阵，3232点阵，甚至更高。,50,字模点阵的信息量是很大的，所占存储空间也很大，以1616点阵为例，每个汉字就要占用32个字节，两级汉字大约占用256K字节。因此字模点阵只能用来构成“字库”，而不能用于机内存储。字库中存储了每个汉字的点阵代码，当显示输出时才检索字库，输出字模点阵，得到字形。图9.14是“次”字点阵及编码。汉字字形最初就是采用上述的点阵字形，为了提高字形质量，以后开始采用矢量表示，继而采用轮廓曲线，或同时采用矢量和曲线来表示数字和拼音字母。,51,图9.14 汉字字形点阵及编码,52,汉字内码是用于汉字信息的存储、交换、检索等的机内代码，内码比字形点阵码占用空间少，一般用两个字节就可以表示汉字。汉字内码表示有许多种，要考虑的因素有以下几点：码位尽量短；表示的汉字要足够多；码值要连续有序，以便于操作运算。因此，为了能够表示两级6 763个汉字，每个汉字用两个字节。,53,4 汉字的输出 汉字输出有打印输出和显示输出两种形式。汉字显示器多采用与图形显示兼容的光栅扫描显示器，一般采用1616点阵。在计算机系统中，一般利用通用显示器和打印机输出汉字，在主机内部由图形显示接口形成点阵码以后，将点阵码送到设备，设备只要具有输出点阵的能力就可以输出汉字。以这种方式输出的汉字是利用设备可以画点的图形方式实现的，因此，常称这种汉字为“图形汉字”。图9.15是IBMPC机汉字显示原理图。,54,图9.15 IBM PC机汉字显示原理,