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1、第8章 I/O设备,8.1 概述,8.4 打印机,8.3 显示器,8.2 键盘,8.1 概述,随着计算机应用的不断普及，不同的应用场合需要不同种类的I/O设备，不同的应用特点需要不同智能的I/O设备，这就使得I/O设备的种类呈现出多样化、智能化的发展方向。 8. 1. 1 I/O设备的分类 按I/O设备的功能及作用可以将它们划分为以下5类： 1输入设备 输入设备能将人们所熟悉的外部信息输入到计算机的主机中，变成计算机能够识别和处理的信息形式。 目前常用的输入设备有：键盘、鼠标、扫描器、数字化仪、操纵杆、条形码扫描器、磁卡输入设备、语音输入设备、摄像机、图形输入板等。,2输出设备 输出设备将计算
2、机处理后的结果，以人们所熟悉的信息形式呈现出来。 目前常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图机、语音输出设备等。 3外存 外存是计算机主机之外的存储器，主要有：磁盘、磁带、光盘、U盘等。 4终端设备 终端设备是通过通信线路与主机相连的设备，它通常由输入设备、输出设备和终端控制器组成。用户通过终端设备在一定距离之外操作计算机，输入信息，获得结果。利用终端设备，可使多个用户同时共享计算机系统资源。 按是否有数据处理能力将终端分为哑终端和智能终端。 按与主机距离的远近将终端分为远程终端和本地终端。 按通用性将终端分为专用终端和通用终端。,5其他外部设备 由于计算机应用领域十分广泛，外部设备也就各种各
3、样。除了上述四种外部设备外，其他都属于这一类。例如，应用于过程控制的智能仪表、传感器、A/D和D/A转换器等，还有应用于其他领域的专用设备等。 8. 1. 2 主机对I/O控制的四个层次 主机对I/O设备的控制可通过以下四个层次来进行： 1调用I/O设备的用户界面 用户界面一般由操作系统提供。操作系统屏蔽了各类外设的控制细节，提供了统一且方便的操作界面，便于用户编写I/O程序。 早期的DOS系统设置了一组系统功能调用，其中包括对I/O设备的调用，编程时可用软中断指令INT n 进行调用。 Windows系统则提供了一组API（Application Programming Interface，
4、即应用程序接口Windows系统提供给用户进行系统编程和外设控制的强大的函数库）函数对I/O设备进行操作。,2设备驱动程序 在计算机系统中，与外围硬件设备紧密相关的软件就是设备驱动程序。它是用来扩展操作系统功能的一类软件，通常工作于操作系统的核心层，直接操作硬件。设备驱动程序增强了操作系统的安全性和应用程序设计的灵活性。 设备驱动程序是管理某个外围设备的一段代码，它负责传送数据、控制特定类型的物理设备的操作，包括开始和完成IO操作，处理中断和执行设备要求的任何错误处理。 DOS操作系统中的BIOS（Basic Input-Output System，基本输入/输出系统）包含了一组常规I/O设备
5、的驱动程序。在系统的发展中又扩展了一些I/O设备，这些设备的驱动程序以磁盘文件的形式存在磁盘中，需要时可由磁盘装入主存。由于Windows操作系统支持即插即用（Plug-and-Play），设备驱动程序都可以在系统启动后安装加载。 3设备控制程序 设备控制程序就是驱动程序中的具体的对设备进行控制的程序。,设备控制程序通过接口控制逻辑电路，发出控制命令字。命令字代码各位表达了要求I/O设备执行操作的控制代码，由硬件逻辑解释执行，发出控制外设的有关控制信号。 目前，在一些I/O设备控制器中，采用了微处理器和半导体存储器，并将控制程序固化在ROM中，由微处理器执行。这样的设备控制器称为智能控制器。
6、4I/O设备的具体操作 I/O设备接收到控制器的控制信号后，根据控制信号执行有关操作。 82 键盘 键盘是计算机系统中不可缺少的输入设备，人们通过它可以向计算机输入多种信息。 8. 2. 1 键开关与键盘类型 键盘上有许多按键，曾出现过83键、93键、96键、101键、102键、104键、107键等。其中每个按键起一个开关的作用，所以又称为键开关。键开关分为接触式和非接触式两大类。,最常见的接触式键开关是机械式的，它是靠按键的机械动作控制开关的开启。当键被按下时，触点接通；当键被释放时，触点断开。这种键开关结构简单、成本低、但开关通断会产生抖动。 非接触式开关内部没有机械接触，它们不依靠导电触
7、点的机械式连通来获得按键信号，而是依靠按键本身的电参数变化来获得按键信号。主要的非接触式键盘有电阻式键盘和电容式键盘。 按照键码的识别方法可将键盘分为编码键盘和非编码键盘。 编码键盘是用硬件电路识别按键代码的键盘。当某个键被按下时，硬件电路会产生对应的按键代码（如ASCII码）送主机识别和处理。 非编码键盘利用较简单的硬件和专门的键盘扫描程序来识别按键的位置，然后由CPU将位置码经由查表程序转换成相应的编码信息。,8. 2. 2 编码键盘的工作原理 以88键盘为例，说明硬件编码键盘法的工作原理，如图81所示。,编码键盘的工作过程如下： 6位循环计数器的输出通过两个3变量输入译码器反复对88键盘
8、矩阵中的所有键逐个进行扫描，当扫描到某个被按下的键时，电信号通过接通的触点传到单稳电路，产生一个脉冲信号。该信号有两个作用，一是通过时钟发生器去停止计数器，此时计数器的输出就是所按下键的位置编号，用这个编号作为只读存储器（ROM）的地址，选中单元的内容就是按下键字符对应的ASCII码，实际上，只读存储器中存储的就是对应各个键字符的ASCII码；二是通过中断请求触发器向CPU发中断请求，CPU响应中断请求后，在中断服务程序中通过一条读命令将只读存储器当前选中单元的内容读出送入CPU的寄存器。CPU的读入命令即可作为读出ROM内容的片选信号，并且经一段延迟后，又可用来复位中断请求触发器，并重新启动
9、6位循环计数器继续进行扫描。,8. 2. 3 非编码键盘的工作原理 非键盘编码是通过执行键盘扫描程序对键盘矩阵进行扫描，以识别按键的行列位置。 若对主机工作速度要求不高，可由CPU自己执行键盘扫描程序。按键时，键盘向主机提出中断请求，CPU响应后转去执行键盘中断服务程序，由键盘服务程序完成键盘扫描程序、键码转换程序及预处理程序等； 若对主机工作速度要求较高，希望尽量少占用CPU处理时间，可在键盘中设置一个单片机，由它负责执行键盘扫描程序、预处理程序，再向CPU申请中断送出扫描码。现代计算机的通用键盘，大多采用此种方案。 软件扫描通常采用行扫描和行列扫描两种方法。 行扫描是指CPU通过数据线输出
10、代码，送往行线。从第0行开始，逐行为0，其余各行为1进行扫描，将列线输出取回至CPU，判别其中是否有一位为0，是哪一位为0。假定按下的键将第2行第3列接通，则当第2行行线为0时，第3列列线也为0，其余各列线为1。由此可知按键位置，即位置码(扫描码)，再查表转换为对应的键码。,行列扫描指的是CPU通过数据线输出代码，先逐列为1地步进扫描，读入行线的状态，测试是哪一列为1时行线输出为1，从而判明按键的列号，记录列号。再逐行为1地步进扫描，判明按键的行号，记录行号。将行号和列号组合，即可得到按键的位置编码。 以PC/XT键盘为例，说明非编码键盘的工作原理，如图82所示。,PC/XT键盘接口的工作过程
11、如下： 初始化： 主机发出复位信号，禁止键盘送出键码，同时复位键盘接口中的移位寄存器和中断请求触发器，为接收键码做准备。 键盘进行行列扫描： 键盘中的8048单片机执行行列扫描程序，获取按键的扫描键码。8048中有一个20字节的缓冲区，可以暂存20个扫描键码，以免高速按键时主机来不及处理。8048的扫描程序还具有重键处理、去抖动、延时自动连发等功能。 送出键码，发中断请求： 主机撤消复位信号后，8048单片机送出键码。键码由一个标志位和8个数据位组成，在键盘时钟信号控制下串行输出。接口收到键码后发出中断请求信号。 主机执行中断服务程序： 主CPU在中断服务程序中取出键码，然后发出键盘复位信号对
12、接口进行初始化，允许键盘送来下一个键码，存入键盘缓冲队列。最后，通过查表将扫描键码转换为ASCII码，完成后返回主程序。,在扫描键盘过程中，应注意解决以下问题： （1）键抖动 （2）防止按一次键而进行多次处理 8. 3 显示器 显示器是将电信号转换成视觉信号的一种输出设备。 按显示器件的不同，将常用的显示器分为阴极射线管（CRT）显示器、液晶显示器（LCD）和等离子显示器（PD）。 8. 3. 1 CRT显示器 目前的CRT显示器已朝着高分辨率、高亮度、平面化、低辐射、大屏幕等方向发展。 1CRT显示原理 CRT是一个漏斗形的电真空器件，由电子枪、荧光屏及偏转装置组成。如图83所示。,电子枪由
13、灯丝、阴极、控制栅极、第一阳极（加速阳极）、第二阳极（聚焦极）和第三阳极组成。当灯丝加热后，阴极受热而发射电子，控制栅极控制着电子的发射量及发射速度。电子经第一阳极加速，第二阳极聚焦而形成电子束，在第三阳极的均匀空间电位作用下，使电子束高速射到荧光屏上，荧光粉受电子束的轰击而发出亮点。程序通过控制偏转装置达到控制电子束的轰击点，从而在屏幕上形成所需的字符、图形或图像。,2CRT显示器的技术指标 （1）点距（dot pitch） 点距是指显示器的显像管上，相邻的两个同色荧光像素点之间的间距。目前CRT显示器的点距通常为：0.26mm、0.25mm、0.24mm、0.21mm和0.2mm。 （2）
14、分辨率（resolution） 分辨率通常用水平方向的像素点数与垂直方向的像素点数的乘积来表示。目前最大分辨率有12801024、16001200、19201440等。 （3）扫描方式 CRT显示器的扫描方式，有隔行扫描与逐行扫描两种。前者多出现在早期产品中，现已基本淘汰。而逐行扫描显示效果好，现已成技术主流。 （4）显示器大小 我们习惯用多少英寸来表示显示器的大小，实际上指的是显像管的对角线长度。目前常用的有17英寸、19英寸等 。,（5）场频（vertical scanning frequency） 场频也称为垂直扫描频率或刷新频率，指显示器每秒钟所能显示的图像次数，以Hz作为单位。目前典
15、型的场频为50Hz160 Hz。 （6）行频（horizontal scanning frequency） 行频也称为水平扫描频率，指的是显像管的电子枪，每秒在荧光屏上扫描过的水平线的数量，其数值等于垂直方向像数与场频的乘积，以KHz为单位。目前行频通常为30KHz70KHz或更高。 （7）带宽（band width） 带宽指的是显像管电子枪每秒钟所扫描的像素点的数量，其数值等于水平像素点数垂直像素点数场频额外损耗，以MHz作为单位。目前显示器的带宽为110MHz360MHz或更高。 （8）控制方式 我们常听到所谓的数控彩显或模拟彩显，指的是显示器的亮度、对比度、上下、左右等的调节所采用的方式
16、。数控方式指的是上述这些调节按钮是用数字控制的，而模拟方式则是用手动来调节。,3字符显示器 字符显示器显示字符的方法是以点阵为基础的。点阵是由mn个点组成的阵列，并以此来构造字符。如图84所示 。,图85为字符显示器原理图。其中主要组成部分为： （1）显示存储器VRAM（刷新存储器） 显示存储器存放欲显示的一屏字符的ASCII码。如显示器一屏最多能显示80列25行=2000个字符，那么显示存储器的容量就是2000个字节（字符编码7位，闪烁1位构成一个字节），每个字符所在存储单元的地址与字符在荧光屏上的位置一一对应。它受字计数器及排计数器的控制。 （2）字符发生器ROM 字符发生器ROM中存放的是所有字符的79点阵字形码。它的单元地址为所存点阵字符的ASCII码及行计数器值的组合。所存内容为对应字符对应行的点阵。它的输出为一行点阵信息。 （3）移位寄存器 移位寄存器在点计数器的控制下，与点脉冲同步，对字符发生器送来的一行点阵信息进行左移，产生视频点控制信号。同时，移位寄存器还要受到水平消隐、行间消隐、垂直消
