计算机组成原理 (8)

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1、第8章 外部设备8.1 外部设备概述从功能及其在计算机系统中的作用来看，分为3类：输入设备目前广泛使用的输入设备主要有： (1)用于字符输入的设备，键盘、联机手写识别器等。(2)用于图形输入的设备，数字化仪、鼠标器、跟踪球、操纵杆 、图形输入板等。 (3)用于图像输入的设备，摄像机、扫描仪等。(4)其他类型的设备，如数模转换、声音输入等。(5)特殊的输入设备，磁盘、磁带及光盘等。输出设备常用的输出设备有： (1)以输出字符为主的设备：行式打印机、点阵式打印机、喷墨和 激光打印机、显示器。(2)以输出图形为主的设备，绘图仪、显示器、喷墨及激光打印机1(3)以输出图像为主的设备：显示器、喷墨及激光

2、打印机。(4)其他类型的设备：如声音输出设备等。(5)特殊的输出设备：磁盘、磁带等。 外存储器 外存储器是指主机之外的一些存储设备，如磁带、磁盘、光盘等 ，在4.3节中已讲述过。 终端设备 与计算机网络的用户端相连接的设备，称之为终端设备。 其他含义的I/O设备 在某些特定应用领域中，要用到一些特殊的I/O设备，如在工业 控制应用中的数据采集设备-仪表、传感器、A/D和D/A转换器等。还有一类所谓的脱机设备，即数据制备设备，如软磁盘数据站。 它是一种数据录入装置，为了不让数据录入占用大、巨型主机的宝 贵运行时间，大批数据录入往往采取脱机录入方式，即先在专门的 录入装置上人工按键录入，结果存入磁

3、盘或磁带之中，然后将磁盘 或磁带联机输入主机。 28.2 键盘8.2.1 硬件扫描键盘键盘 (keyboard)接触式键开关非接触式键开关编码键盘通过硬件扫扫描，这种键盘 称为硬件扫描键盘， 或称为电 子扫描式编码键盘，所用的硬 件逻辑明可广义上的编码器。 假定键盘矩阵为8行16列， 可安装128个键，则位置码需要 7位，相应地设置一个7位计数 器。振荡器提供计数脉冲，计 数器以128为模循环计数。计数 器输出7位代码，其中3高高3 3位位送给行译码器译码输出，送至键盘符合比较器。计数器输出的低低4 4位位经列译码器送至符合比较器。键盘矩阵的列线输出也送至符合比较器，二者进行符合比较。在实现一

4、个键盘时，要注意的一个问题是，键在闭合过程中往往 存在一些难以避免的机械性抖动，使输出信号也产生抖动，所以图 8-1中有去抖电路。4另一个需要注意的问题是重键，当快速按键时，有可能发生这样 一种情况，前一次按键的键码尚未送出，后面按键产生了新键码， 造成键码的重叠混乱。在图8-1中，是依靠锁定信号来防止重键现象。在扫描找到第一 次按键位置时，符合比较器输出锁定信号，使计数器停止计数，只 认可第一次按键产生的键码。仅当键码送出之后，才解除对计数器 的封锁，允许扫描识别后面按下的键。硬件扫描键盘的优点是不需要主机担负扫描任务。当键盘产生键 码之后，才向主机发出中断请求，CPU响应中断方式，接收随机

5、按 键产生的键码。 8.2.2软件扫描键盘为了识别按键的行列位置，可以通过执行键盘扫描程序对键盘矩 阵进行扫描，这种键盘称为软件扫描键盘。IBM-PC机的通用键盘采用电容式无触点式键，共83110键，连 接为16行8列。采用Intel 8048单片机进行控制，以行列扫描法获得 按键扫描码。键盘通过电缆与主机板上的键盘接口相连。以串行方 式将扫描码送往接口，由移位寄存器组装，然后向CPU请求中断。 CPU以并行方式从接口中读取按键扫描码。5图8-2中，虚线左边是键盘逻辑，右边是位于主机板上的接口逻辑。键盘向主机键盘接口输送的是扫描码。当键按下时，输出的数据称为接通扫描码，而该键松开时，输出的数据

6、称为断开扫描码。PC系列中不同机型的键盘，接通和断开的扫描码有所不同，如 PC/XT机键盘与AT机键盘扫描码就不一样，因此不能互换使用。现 以PC/XT机键盘为例，说明这两种扫描码。键盘接口6在PC/XT机键盘中，接通扫描码与键号(键位置)是等值的，用1字 节(两位十六进制数)表示。如M键，键号为50(十进制)，接通码为32H。断开扫描码也是1字 节，是接通扫描码加上80H所得，如M键按下后又松开，则先输出 32H，再输出B2H。PC/XT机键盘的拍发速率是固定的，即当一个键按下0.5秒后仍不 松开，将重复输出该键的接通扫描码，其速率是10次/秒。78.3 显示设备显示设备子系统的硬件组成一般

7、包括显示器件(或称显示器)，及 其控制器和接口。在微机系统中显示控制器与接口往往合为一个整 体，称为显示器适配卡或显卡。其软件组成有包含在操作系统中的 驱动程序，以及专门支持各种图形功能的图形软件包等。显示器按照发光原理可分为以下两大类：发光器件 CRTPDP(等离子显示器)LEDELD(场致发光显示器)光调制器件 LCDECD(电致变色显示器)EPID(电泳显示器) 88.3.1 常见显卡标准显示适配卡(也叫显卡)是显示器与主机之间的接口电路，负责将 主机发送的待显示的信号送给显示器。VGA标准VGA是英文video graphics array的缩写，该标准的特点之一是采 用数模转换器(D

8、AC)增强彩色显示能力。在图形方式下，VGA标准 可支持的分辨率是640480，16种色彩；或320200，256种色彩。 XGA标准 XGA(extended graphics array)的中文含义是：扩展图形阵列。 XGA显卡有三种模式：VGA模式、132列文本模式和扩展图形模式 。 SVGA标准SVGA指Super VGA，不同公司的产品有不同的叫法。如Trident 公司的SuperVGA产品称为TVGA，Western Digital公司的产品称 为PVGA(因其商标为Paradise)。 9它们均是兼容VGA的全部标准，并扩展了若干字符和图形显示的新 标准，具有更高的分辨率和更多

9、的色彩选择。SVGA标准所支持的 分辨率有：800600，1024768，12801024，16001200，上述各 种分辨率下能显示的最大颜色数都为16.7M。 8.3.2 CRT显示器CRT显示器的分类按屏幕表面曲度来分，CRT显示器可分为以下4种类型。球面显像管 平面直角显像管(FST)平面直角显像管采用扩张技术，使传统的球面显像管在水平和垂 直方向向外扩张。大大缓和了屏幕四角的失真，使得图像更加逼真 ，同时能更好地防止光线的反射和眩光。柱面显像管柱面显像管的屏幕表面呈柱面，沿水平方向是曲线形状，垂直方 向则为平面，图像看起来更具立体感，可视面积较大。柱面显像管 采用的栅格式荫罩板在屏幕

10、的垂直方向上完全地实现了笔直，只是 在水平方向上还有点弧度。 10纯平显像管(IFT) 光栅扫描原理彩色CRT的整体结构是由电子枪、视频放大驱动器及同步扫描电 路三部分组成，其结构如图8-3所示。 11同步扫描电路接收来自视频显示接口的垂直同步VSYNC和水平 同步HSYNC信号，经各自的振荡电路和输出电路的控制，最终产 生垂直锯齿波扫描电流与水平锯齿波扫描电流，如图8-4(a)所示， 分别驱动相应的偏转线圈，使电子束在偏转磁场的作用下进行有规 律的扫描。 在不断重复水平扫描周期和垂直扫描周期的过程中，除在各自的 回扫期间，通过水平消隐和垂直消隐信号抑制电子束的发射外，在 整个正扫期间可使屏幕

11、形成一条一条的水平扫描线(称其为光栅)， 这种有规律的扫描运动称之为“光栅扫描”，如图8-4(b)所示。由此可见，扫描的线数是由水平扫描的频率和垂直扫描的频率确 定，即：水平扫描频率垂直扫描频率=扫描线数 或 垂直扫描周期水平扫描周期=扫描线数 光栅：扫描亮线组成的矩形亮面。一帧：一幅光栅。 行扫描：电子束从左到右扫描出一条条水平亮线。 行消隐：电子束从右回扫到左，这时电子束被消隐，屏幕上没有 亮线，又叫“逆程扫描”，或“水平回归”。 141213 场扫描：是控制从上向下垂直方向扫描。 场消隐：当荧光屏上最后一条水平线扫描结束后，光栅垂直回归 到第一条水平扫描线的起点，回归时亮点消失，又叫 “

12、垂直回归”。显示器中有逐行扫描和隔行扫描之分。在电视机中，垂直扫描的频率希望和电网的频率同步，用以消除 电网的纹波干扰。因此，为了在不提高水平扫描速度的条件下增加 扫描线数，而采用所谓的隔行扫描方式，达到把扫描线数加倍的目 的。 隔行扫描将一幅画面分为奇数场(奇数行组成)和偶数场(偶数行组 成) ，第一场显示奇数行，第二场显示偶数行。 现代微型机中的显示器一般采用逐行扫描方式。 视频显示的一般原理 现以CGA显示标准为例CGA支持的显示器可实现字符显示和图形显示两种功能。不论哪 种显示，一帧图像的信息要存入显示缓存VRAM (Video RAM)中。字符显示 由VRAM中取出的一个字符代码作为

13、字符发生器ROM的地址，14即可从ROM获取相应的字符点阵信息。这些信息按当前扫描的位 置被送到移位寄存器，然后串行输出视频信号，如图8-5所示。 字符点阵图形的形成在CRT显示器中，画面上的字符或图形都是由若干个点组成的， 每个字符横向、纵向均占有一定的点数，称为字符的点阵结构。图8-6是2513芯片的逻辑框图。该芯片的核心部分是一个ROM， 存储64种字符的点阵码。每个字符排成5列8行的点阵形式，如图8 -7所示。15字符点阵发生器的高位地址来自 VRAM的ASCII码，低位地址来自 行计数器的输出RA30 (行扫描线 序号)。它们具体指向这个字形点阵 中的某个字节，如右图。16图形显示由

14、VRAM中取出的一个图形字节不需要访问ROM，而直接送入 移位寄存器，然后串行输出视频信号，如图8-8所示。在字符显示时，屏幕显示字符的行列规格即表示VRAM的最小 容量(单位为字节)。考虑到字符显示时要根据显示属性反映字符框的前景和背景色， 存放一个字符代码(包括显示属性)要占VRAM两个字节。于是，若 设VRAM容量为V，则有如下关系式： Vmin=2NCNr17若VRAM的实际容量大于Vmin，则VRAM可同时存放几帧的字符 内容。如字符显示规格为80列25行，则Vmin=80252=4KB在图形显示时，VRAM的最小容量不仅取决于一帧内总点数， 而且取决于每个点可选择的色彩数。如图8-

15、8所示，屏幕上一个点对 应VRAM内一个二进制位，表示该点信息非1即0，只能是黑白(单 色)显示。若要增加每点的色彩选择，如一点使用2位，可有4种色彩 组合。若保持VRAM容量不变，则允许屏幕上显示的总点数下降， 即分辨率指标在此情况下降低50。 由此，可得到VRAM容量与屏幕分辨率和点色彩数之间的关系， 如下所示：式中，N-每点的二进制位数，2N即为点色彩数。例如，若配置16KB VRAM，它共有128000位，在分辨率320200规格下，N=2，即每点有4种色彩可选；在分辨率640480规格下，N=1，即每点仅有两种色彩可选择。 18CRT显示器的性能指标点距(dot pitch)所谓点距

16、，是指CRT上呈三角形排列的红、绿、蓝三个像素点中 心位置与相邻红、绿、蓝三点中心位置的距离。目前最小的点距约为0.20mm。常见的CRT点距主要有0.39mm、 0.3lmm、0.28mm和0.25mm。分辨率(resolution)分辨率也称清晰度，是指可以显示出的水平和垂直像素的个数， 其值通常与显示标准相对应。在显示器的分辨率指标中常给出最高 分辨率。水平扫描频率这是指显示器能同步锁定并正常显示的输入水平同步信号的频率 垂直扫描频率即刷新频率，指显示器能适应的垂直同步信号的频率。这个参数 决定了每秒所能显示的画面数。视频带宽指每秒钟电子枪扫过的图像点的个数，即单位时间内每条扫描线 上显示的频点数总和。这个指标对15英寸以上的大屏幕显示器相当19重要，因为视频带宽往往与显示器的分辨率成正比。视频带宽=行数列数垂直刷新频率，而在实际应用时，带宽的 计算公式中加上一个1.3的参数。例如，一台显示