计算机组成原理PPT电子教案课件-第8章 输入输出设备

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1、第8章 输入/输出设备输入/输出设备，简称为I/O设备，是指计算机与人之间进行 信息交换的装置。计算机通过I/O设备与用户进行交互。 从广义上理解，凡是与计算机相连，受主机控制完成某种数 据处理或控制操作的装置都可称为外围设备 从狭义上理解，外围设备又称为外部设备，仅指I/O设备和 外存储器，它们是I/O数字信息的、构成计算机系统必不可 少的设备。8.1 概 述 8.1.1 I/O设备的功能与分类I/O设备按功能分类，可分为3类：输入设备，输出设 备，输入/输出(I/O)兼用设备。1. 输入设备2. 输出设备3. 输入/输出兼用设备 8.1.2 I/O设备的特点 1. 由信息载体、设备及设备控

2、制器组成信息载体是指记录信息的物理材料，如卡片、打印纸、荧光 屏等。设备控制器用于接收主机和操作者发来的操作命令， 对设备实施控制。它直接与I/O接口相连。设备是指具体的 执行机构，它的结构有机械式、机电式、电子式及机光电式 等多种形式，其操作方式和工作原理各不相同，性能差异也 很大。2. 工作速度比主机慢得多3. 不同I/O设备的信息类型和结构格式均不相同 8.2 I/O接口 8.2.1 I/O接口的功能所谓接口，是指两个不同部件或系统之间的交接部分。它 既可以是两种硬件设备之间的连接电路，也可以是两个软 件之间的共同逻辑边界。 1. 选址2. 传送主机命令3. 数据传送和格式转换 4. 数

3、据缓冲5. 监控设备状态 8.2.2 I/O接口的组成8.2.3 I/O接口的类型I/O接口按照数据传送方式分为串行接口与并行接口两类 1. 串行接口 图8.2 串行接口UART组成框图 图8.3 8255A可编程接口框图 2. 并行接口 8.3 输 入 设 备 8.3.1 键盘输入设备 键盘主要由若干按键开关、盘架、编码器及接口电路组成 。 按键开关可分为两类：一类是触点式按键 另一类是无触点式按键 从工作原理上分，可将键盘分为全编码键盘和非编码键盘 两大类。1. 全编码键盘全编码键盘由硬件电路产生输出编码 2. 非编码键盘 非编码键盘按键时的输出为该按键所在位置的位置码，非 编码键盘利用简

4、单的硬件和一套专门的键盘程序来识别按 键的位置，即位置码，然后由处理器执行查表程序，将位 置码转换为相应的ASCII码。 非编码键盘采用软件扫描法实现按键的编码转换。常用扫描方法有3种：(1) 行反转扫描法 (2) 行扫描法 (3) 行列扫描法8.3.2 非键盘输入设备1. 鼠标器鼠标器根据按键的多少为有二键鼠标器和三键鼠标器两类而按测量部件的不同又常分为机械式、光电式和光学式3类(1) 鼠标器的工作原理与结构1) 机械式鼠标器2) 光电式鼠标器 3) 光学式鼠标器(2) 鼠标器接口鼠标器接口主要有串口、PS/2、USB等3种 2. 扫描仪 扫描仪主要由光学成像部分、机械传动部分和转换电路部

5、分组成。 (1) 扫描仪的分类1) 按所采用的光敏探测器件分类目前，市场上常见的扫描设备所采用的光敏探测器件，主 要有3种类型，光电荷耦合器件(Charge Couple Device ，简称CCD)、光学倍增管(PMT)和接触式图像传感器 (CIS)。2) 按扫描方式分类按扫描方式，可将扫描仪分成手持式扫描仪、平板式扫描 仪、滚筒式扫描仪3大类 3) 按扫描介质分类按扫描介质分，可将扫描仪分为反射式(纸质材料)扫描仪和 透射式(透明胶片)扫描仪，也有既可扫反射稿又可扫透射稿 的多用途扫描仪。 (2) 扫描仪的性能指标1) 扫描仪的分辨率扫描仪的分辨率由3个方面来确定：光学部分、硬件部分和 软

6、件部分。 也就是说，扫描仪的分辨率等于其光学部件的分辨率加上 其自身通过硬件及软件进行处理分析所得到的分辨率。光学分辨率是扫描仪的光学部件在每平方英寸面积内所能 捕捉到的实际的光点数，是指扫描仪CCD(或者其它光电器 件)的物理分辨率，也是扫描仪的真实分辨率 光学扫描与输出是一对一的，扫描到什么，输出的就是什 么。经过计算机软、硬件处理之后，输出的图像就会变得 更逼真，分辨率会更高。目前市场上出售的扫描仪大都具 有对分辨率的软、硬件扩充功能。 2) 色彩分辨率色彩分辨率又叫色彩深度、色彩模式、色彩位或色阶， 总之，都是表示扫描仪分辨彩色或灰度细腻程度的指标 ，它的单位是bit(b，位)。 3)

7、 扫描幅面一般来说，扫描仪的扫描幅面可分为3种：A4幅面、 A4加长幅面、A3幅面。 (3) 扫描仪的接口1) 软件接口扫描仪的软件接口界面几乎都是采用TWAIN标准。2) 硬件接口 SCSI EPP USB 3. 数码相机 数码相机是集光学、机械、电子于一体的现代高技术产品， 它集成了影像信息的转换、存储和传输等多种部件，具有数 字化存取模式、与计算机交互处理和实时拍摄的特点。按图像传感器来分，可分为CCD数码相机和CMOS数码相 机。 CCD数码相机利用CCD器件成像，其原理与CCD扫描仪类 似，不同的是扫描仪中的CCD器件是单行的线阵CCD器件 ，需要多次成像才能完成扫描稿件的成像，而数

8、码相机中使 用的CCD器件一般是点阵式CCD器件，可以一次完成成像 过程。 CMOS数码相机是指数码相机使用CMOS图像传感器来记 录图像。其工作方式与CCD数码相机相似。数码相机是由镜头、CCD或CMOS、A/D(模/数转换器) 、MPU(微处理器)、图像存储器、LCD(液晶显示器)和接 口(计算机接口、电视机接口)等部分组成。 下面介绍CCD数码相机中的几个主要器件。(1) CCD CCD被称为光电荷耦合器件，它是利用微电子技术制成的 光电器件。 CCD本身不能分辨色彩，在实际应用时需要使用色彩滤镜 ，一般就是在CCD器件的滤镜层涂上不同的颜色。滤镜上 不同的色块按GRGB(绿红绿蓝)的顺

9、序排列 ，当光从红、绿、蓝滤镜中穿过时，就可以得到每种色光 的反应值。然后，再使用软件对得到的数据进行处理，就 可确定每一个像素点的颜色。CCD生成的数字图像被传送到相机的另一块内部芯片上。 该芯片负责把图像转换成相机内部存储格式(一般是压缩图 像格式，比如说JPEG格式)。最后把生成的图像保存在内 部存储器中。图8.5所示的为数码相机CCD器件实物图片。 (2) A/D转换器A/D转换器(Analog Digital Converter，简称ADC)即模/ 数转换器。它是将模拟电信号转换为数字电信号的器件。 A/D转换器的主要指标是转换速度和量化精度。转换速度 是指将模拟信号转换为数字信号所

10、用的时间，由于高分辨 率图像的像素数量庞大，因此，对转换速度要求很高；量 化精度是指可以将模拟信号分成的等级数 (3) MPU(微处理器)数码相机要实现测光、运算、曝光、闪光控制、拍摄逻辑 控制以及图像的压缩处理等操作必须有一套完整的控制体 系。数码相机通过MPU(Microprocessor Unit)实现对各 个操作的统一协调和控制。(4) 图像存储器数码相机用存储器来保存数字图像数据，存储器中的图像 数据可以反复记录和删除存储器可以分为内置存储器和可移动存储器 早期数码相机多采用内置存储器，现在数码相机更多地使 用可移动存储器。这些可移动存储器可以是 CompactFlash(CF)卡、

11、SmartMedia(SM)卡、 MultiMediaCard(MMC)、SecureDigital(SD)卡、 eXtremeDigital(XD)卡等，另外还有采用CF接口的微硬盘 。 8.4 打印输出设备 按工作方式分:分为串行打印机与并行打印机两类。 按打印动作分类:分为击打式和非击打式两大类。 按打印速度分类:分为字符式、行式和页式3类。 按打印原理类:分为机械式、激光式、喷墨式、热感应式和静电式等按打印出的硬拷贝的颜色分类:分为单色的和彩色的两大类。 8.4.1 点阵式打印机 1. 点阵式打印机的印字原理点阵式打印机印字是采用打印钢针撞击色带与纸张，印 出点阵字符的。 一列 两列

12、一列印字 两列印字图8.7 打印针排列方式与印字示意图2. 点阵式串行打印机的组成点阵式串行打印机由印字机构(又称打印头)、字车机构、输 纸机构、色带系统及控制电路等部分组成。 3. 点阵式打印机的工作原理图8.8 M2024打印机组成框图 (1) 打印头 (2) 打印机械结构 (3) 编码器 (4) 换行及回车电机 (5) 操作面板(6) 打印机控制器 8.4.2 激光打印机 激光打印机又称为激光印刷机，是一种非击打式高速打印 机。激光打印机是激光扫描技术和电子成像技术结合的产 物，它由激光扫描系统、电子成像部分、字形发生器和控 制电路等组成。 1. 激光扫描系统 2. 电子成像技术 3.

13、激光打印机的工作过程激光打印机的整个工作流程分为充电、曝光、显影、转印 、定影、消电、清洁7个步骤，然后依次循环，重新开始 打印下一张。 充电：硒鼓首先在黑暗中充电，使得硒鼓表面沉积一层 均匀的电荷。 曝光：根据控制电路输出的字符信息，对激光器进行调 制，控制激光的扫描，扫描时激光在硒鼓表面有选择地曝 光，曝光部分产生放电现象，未曝光部分仍然保留电荷， 形成静电潜像。 显影：静电潜像通过装有炭粉的显影器，炭粉事先充有相 同电荷，这样硒鼓上没有电荷的地方就会吸附炭粉，形成影 像，达到显影的目的。 转印：当打印纸通过硒鼓时，在打印纸的背面加上反向的 静电电荷，将硒鼓上的炭粉吸附到纸张上。 定影：带

14、有炭粉的纸张通过加热的定影辊，炭粉被融化， 永久粘附在纸张上。 消电：消电灯照射硒鼓，消除残余电荷。 清洁：清洁辊清除硒鼓上的残余炭粉。8.5 显示输出设备 最常见的显示器是阴极射线(CRT)显示器,也就是我们平常所 说的显示器。除此之外，还有种类繁多的平面显示器，其中 包括受光型的液晶显示器(LCD)、电致变色显示器(ECD)、电 泳显示器(EPID)、铁电陶瓷显示器(PLZT)和发光型的等离子 体显示器(PDP)、场致显示器(FED)、电激发光显示器(ELD) 、发光二极管显示器(LED)、高分子或聚合体发光显示器 (LEP)、真空荧光显示器(VFD)等等。按显示的信息内容分类，有字符显示

15、器、图形显示器和图像 显示器3大类。CRT显示设备，以扫描方式不同，分成光栅扫描和随机扫描 两种显示器；以分辨率不同，分成高分辨率显示器和低分辨 率显示器；以显示的颜色分类，可分成单色(黑白)显示器和彩 色显示器。8.5.1 CRT显示器1. CRT字符显示器的组成CRT字符显示器采用CRT显示器件及定点光栅扫描方式。它 的主要组成如图8.10所示。图8.10 CRT字符显示器组成框图 (1) 显示头显示头主要包括CRT显像管、水平及垂直偏转部件和视频 放大部件。CRT显像管可以是单色的或彩色的，它们分别 构成单色显示器或彩色显示器。 为在CRT管荧光屏上显示字符，必须在X、Y、Z 3个方向

16、控制电子束，由水平及垂直偏转部件在X、Y方向上控制水 平偏转和垂直偏转，以便能在荧光屏的指定位置显示不同 的字母和符号； 在Z方向上控制电子束的强度，以达到对 字符亮度的调控。 (2) 定时及控制电路定时及控制电路，又称为CRT控制器，是整个显示器的控 制中心。 (3) 刷新存储器把要显示的信息存储起来的存储器，叫做刷新存储器。 4) 字符发生器刷新存储器存放的字符编码画面，要通过字符发生器将它 转换成点阵形式，才能显示在荧光屏上，形成字符点阵画 面。(5) 接口电路接口电路的功能是完成显示器与计算机及其它设备的连接 。 2. 字符点阵形成原理(1) 显示器扫描方式(a) 逐行扫描 (b) 隔行扫描图8.12 扫描方式(2) 字符点阵的形成图8.13 光栅扫描显示示意图 8.5.2 CRT图形显示器 1. 几个概念(1) 图形早期的图形是指没有亮暗层次变化的线条图。 目前，图