计算机组成原理--第8章 输入输出设备

http:/ 外围设备概述外围设备概述 n8.2 键键 盘盘 n8.3 显示设备显示设备 n8.4 打印输出设备打印输出设备 http:/ 外围设备分类外围设备分类 n8.1.2 信息交换与代码与传送格式信息交换与代码与传送格式 n8.1.3 调用外围设备的层次调用外围设备的层次 http:/ 操作系统为用户调用外围设备提供了统一而方便的操作系统为用户调用外围设备提供了统一而方便的操作界面。例如，现在微机常用的操作系统操作界面。例如，现在微机常用的操作系统Windows为用户提供了两种界面：或使用菜单命为用户提供了两种界面：或使用菜单命令，或在程序中通过软中断进行系统功能调用。这令，或在程序中通过软中断进行系统功能调用。这些菜单命令或功能调用命令，可以指定磁盘读些菜单命令或功能调用命令，可以指定磁盘读/写、写、显示、打印等操作，或从纯软件角度按文件名进行显示、打印等操作，或从纯软件角度按文件名进行对文件的有关操作。对文件的有关操作。http:/ 在操作系统中，包含若干个对常用外围设备的驱在操作系统中，包含若干个对常用外围设备的驱动程序。每个驱动程序又包含若干功能子程序，动程序。每个驱动程序又包含若干功能子程序，提供对该设备的操作功能，供用户选择。当用户提供对该设备的操作功能，供用户选择。当用户在编程中以软中断方式调用某个外围设备时，可在编程中以软中断方式调用某个外围设备时，可根据系统的技术手册，以中断号调用某个驱动程根据系统的技术手册，以中断号调用某个驱动程序，以功能编号指定所需的操作类型。由于机器序，以功能编号指定所需的操作类型。由于机器指令系统只能提供通用的基本操作功能，所以驱指令系统只能提供通用的基本操作功能，所以驱动程序往往以送出命令字或命令块动程序往往以送出命令字或命令块(多字节多字节)方式方式，向接口送出针对该设备的具体控制信息，并以，向接口送出针对该设备的具体控制信息，并以取回状态字的形式，判别操作结果与设备运行状取回状态字的形式，判别操作结果与设备运行状态。态。http:/ 驱动程序通过接口部件，向设备控制器发出命令字。驱动程序通过接口部件，向设备控制器发出命令字。命令字代码的各位表达了要求外围设备进行的操作，命令字代码的各位表达了要求外围设备进行的操作，通过相应的逻辑部件将其实现。由于微处理器价格通过相应的逻辑部件将其实现。由于微处理器价格已很低廉，像磁盘控制器、打印机控制器一类功能已很低廉，像磁盘控制器、打印机控制器一类功能较复杂的设备控制器，广泛采用微处理器与半导体较复杂的设备控制器，广泛采用微处理器与半导体存储器，构成所谓智能型接口与控制器，其中用存储器，构成所谓智能型接口与控制器，其中用ROM固化设备控制程序。当驱动程序送出命令之后，固化设备控制程序。当驱动程序送出命令之后，就启动设备控制器中的微处理器，通过执行设备控就启动设备控制器中的微处理器，通过执行设备控制程序实现有关的操作。制程序实现有关的操作。http:/ 本书重点介绍几种常用外围设备的逻辑组成及工作本书重点介绍几种常用外围设备的逻辑组成及工作原理。读者应该从系统的角度了解外围设备工作的原理。读者应该从系统的角度了解外围设备工作的全过程全过程(即主机与外围设备之间是如何联机工作的即主机与外围设备之间是如何联机工作的)，并了解调用外围设备工作的几个层次。并了解调用外围设备工作的几个层次。http:/ 键键 n8.2.2 硬件扫描键盘硬件扫描键盘 n8.2.3 软件扫描键盘软件扫描键盘 http:/ 接触式键有两个触点，按键时闭合，抬键后分离。接触式键有两个触点，按键时闭合，抬键后分离。其具体结构又分为机械触点式键和干簧键两种常见其具体结构又分为机械触点式键和干簧键两种常见形式。形式。(1)机械触点式键。机械触点式键。(2)干簧键。干簧键。2.无触点式无触点式(机械动作型机械动作型)为了提高键的寿命，可应用非接触为了提高键的寿命，可应用非接触(无触点无触点)式键。式键。常规按键动作方式的无触点式键有电容式键和霍尔常规按键动作方式的无触点式键有电容式键和霍尔键两种。键两种。(1)电容式键。电容式键。(2)霍尔键。霍尔键。http:/ 触摸式键指按键时没有行程或只有短行程，因而专触摸式键指按键时没有行程或只有短行程，因而专门列为一类。常见的触摸式键有薄膜式、感应式和门列为一类。常见的触摸式键有薄膜式、感应式和触摸屏三类。触摸屏三类。(1)薄膜式。薄膜式。(2)感应式。感应式。(3)触摸屏。触摸屏。http:/ 硬件扫描式键盘原理硬件扫描式键盘原理 http:/ 图图8-2是一种在单板机中广泛采用的键盘矩阵示意是一种在单板机中广泛采用的键盘矩阵示意。16个字键连接成个字键连接成4行行4列，列，4条列线分别通过条列线分别通过上拉电阻接上拉电阻接+5V电源，若没有行线的影响，则列电源，若没有行线的影响，则列线输出高电平。在执行键盘扫描程序时，线输出高电平。在执行键盘扫描程序时，CPU数数据输出送往行线，并将列线输出取回，判别按键据输出送往行线，并将列线输出取回，判别按键位置。位置。当有键按下时，键盘产生中断请求信号，当有键按下时，键盘产生中断请求信号，CPU响响应后执行键盘扫描子程序。在单板机监控程序中应后执行键盘扫描子程序。在单板机监控程序中，一般含有扫描子程序，其流程如图，一般含有扫描子程序，其流程如图8-3所示。所示。http:/ 简易扫描键盘矩阵简易扫描键盘矩阵 http:/ 逐行扫描法程序流程逐行扫描法程序流程 http:/ 8048进行控制，以行列扫描法获得按键扫描码。键进行控制，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，然后向将扫描码送往接口，由移位寄存器组装，然后向CPU请求中断。请求中断。CPU以并行方式从接口中读取按键以并行方式从接口中读取按键扫描码，如图扫描码，如图8-4所示。图中，虚线左边是键盘逻辑所示。图中，虚线左边是键盘逻辑，右边是位于主机板上的接口逻辑。，右边是位于主机板上的接口逻辑。http:/ IBM-PC键盘与接口键盘与接口 http:/ T1端测试，是哪一列为端测试，是哪一列为1 RAM结构图。结构图。时行线输出为时行线输出为1，从而判明按键的列号；再逐行为，从而判明按键的列号；再逐行为1地步进扫描，判明按键的行号。地步进扫描，判明按键的行号。IBM-PC键盘的操键盘的操作过程大致如下。作过程大致如下。(1)初始化。初始化。(2)允许键盘工作。允许键盘工作。(3)扫描键盘。扫描键盘。http:/ 16H)的形式调用的形式调用BIOS的键盘的键盘I/O程序，从缓冲区中取走所需的字符程序，从缓冲区中取走所需的字符。http:/ 显示器概述显示器概述 n8.3.2 显示方式与规格显示方式与规格 n8.3.3 光栅扫描成像原理光栅扫描成像原理 n8.3.4 屏幕显示与显示缓存间的对应关系屏幕显示与显示缓存间的对应关系 n8.3.5 屏幕显示的实现屏幕显示的实现 http:/ Graphics Adapter，CGA)、增强型图形适配器、增强型图形适配器(Enhanced Graphics Adapter，EGA)、多色图形适配器、多色图形适配器(Multiple Color Graphics Adapter，MCGA)、视频图形阵列视频图形阵列(Video Graphics Array，VGA)。在每种适配卡中，允许编程选择几种显示规格。这在每种适配卡中，允许编程选择几种显示规格。这些显示标准被称为些显示标准被称为IBM-PC视频标准，已为国际上视频标准，已为国际上普遍接受，各厂家在普遍接受，各厂家在PC硬件开发和软件开发中，对硬件开发和软件开发中，对其产品性能的基本要求就是要与这些标准相兼容。其产品性能的基本要求就是要与这些标准相兼容。http:/ CGA是为是为PC/XT配置的，有配置的，有7种工作方式可供编程种工作方式可供编程选择，如表选择，如表8-2所示。所示。方方 式式类类 型型分辨率分辨率(像素像素)颜颜 色色0字符字符40列列25行行2色色1字符字符40列列25行行4色色2字符字符80列列25行行2色色3字符字符80列列25行行4色色4图形图形320点点200线线4色色5图形图形320点点200线线2色色6图形图形640点点200线线2色色表表8-2 CGA方式方式 http:/ EGA是为是为PC/AT(286机机)配置的。除兼容配置的。除兼容CGA的的7种工作方式之外，又新增了种工作方式之外，又新增了4种工种工作方式，如表作方式，如表8-3所示。一些公司推出了汉所示。一些公司推出了汉化的彩显适配卡化的彩显适配卡CEGA。在西文与图形显示。在西文与图形显示方面与方面与EGA兼容，并具有汉字显示功能。兼容，并具有汉字显示功能。此外，新增了两种显示规格：一种是字符此外，新增了两种显示规格：一种是字符方式，以像点计算的分辨率可达方式，以像点计算的分辨率可达648504，64色中任选色中任选16色；另一种是图形方式，以色；另一种是图形方式，以像点计算的分辨率可达像点计算的分辨率可达640480，64色色中任选中任选16色。色。http:/ EGA新增的工作方式 http:/ 表表8-4 MCGA增加的显示方式增加的显示方式 类型屏幕分辨率颜色数目图形类型屏幕分辨率颜色数目图形6404802图图形形320200256 MCGA是是IBM为为PS/2的低档机型配置的多色的低档机型配置的多色图形适配器。它与图形适配器。它与CGA兼容，并增加了两种兼容，并增加了两种方式，见表方式，见表8-4。它的最高分辨率为。它的最高分辨率为640480，而当分辨率较低，而当分辨率较低(320200)时，时，则可同时显示则可同时显示256种颜色。它与种颜色。它与EGA不兼容。不兼容。http:/ MCGA增加的显示方式增加的显示方式 http:/ VGA是为是为PS/2高档机型配置的性能更好的彩色图高档机型配置的性能更好的彩色图形适配器，称为视频图形阵列。它与形适配器，称为视频图形阵列。它与CGA、EGA均保持兼容，同时还增加了几种新的显示方式，均保持兼容，同时还增加了几种新的显示方式，见表见表8-5。它的性能包括分辨率、显示的颜色数量。它的性能包括分辨率、显示的颜色数量等都有了明显的提高，可用来显示高质量的、有等都有了明显的提高，可用来显示高质量的、有真实感的图形。因此，真实感的图形。因此，VGA广泛地用于广泛地用于PC286、PC386中。中。VGA方式本身的规格正在继续提高，方式本身的规格正在继续提高，许多与许多与VGA兼容，且性能有各种改进的图形显示兼容，且性能有各种改进的图形显示器不断涌现，如美国器不断涌现，如美国Trident Microsystems公司公司开发的与开发的与VGA兼容的兼容的TVGA彩色图形显示器便是其彩色图形显示器便是其中一例。中一例。http:/ 式类 型屏幕分辨率/像素颜色数目11H图形640480212H图形6404801613H图形32020025614H图形800600256表8-5 VGA增加的显示方式 http:/ CRT显示器所用的显示器件是阴极射线管，其结构显示器所用的显示器件是阴极射线管，其结构原理如图原理如图8-5所示。它由电子枪、荧光屏和偏转控所示。它由电子枪、荧光屏和偏转控制装置三部分组成。电子枪位于细圆柱形管颈内，制装置三部分组成。电子枪位于细圆柱形管颈内，它发射出高速的它发射出高速的(约每秒约每秒60 000公里公里)电子束冲射到电子束冲射到荧光屏上。在荧光屏内表面涂敷有荧光粉薄膜。当荧光屏上。在荧光屏内表面涂敷有荧光粉薄膜。当电子枪发射出的高速电子束冲射到荧光屏上时，可电子枪发射出的高速电子束冲射到荧光屏上时，可使使http:/ 阴极射线管的结构阴极射线管的结构 http:/ 彩色彩色CRT结构示意结构示意 http:/ 在光栅扫描方式中，电子束从荧光屏的左上角开始，在光栅扫描方式中，电子束从荧光屏的左上角开始，沿着稍稍倾斜的水平方向匀速地向右扫描，到达屏沿着稍稍倾斜的水平方向匀速地向右扫描，到达屏幕右端后迅速水平回扫到左端下一行位置，又从左幕右端后迅速水平回扫到左端下一行位置，又从左向右匀速地扫描。这样一行一行地扫描，直到屏幕向右匀速地扫描。这样一行一行地扫描，直到屏幕最后一行的右端。然后又垂直回扫，返回屏幕左上最后一行的右端。然后又垂直回扫，返回屏幕左上角，重复前面的扫描过程。经过电子束如此反复地角，重复前面的扫描过程。经过电子束如此反复地从左至右、自上而下地全屏幕扫描，便在荧光屏上从左至右、自上而下地全屏幕扫描，便在荧光屏上形成一条一条的垂直分布于整个屏幕的水平扫描线，形成一条一条的垂直分布于整个屏幕的水平扫描线，如图如图8-7所示。这些扫描线称为光栅，代表了电子所示。这些扫描线称为光栅，代表了电子束在屏幕上的运动轨迹。水平回扫和垂直回扫时，束在屏幕上的运动轨迹。水平回扫和垂直回扫时，荧光屏上不出现亮线，荧光屏上不出现亮线，CRT处于消隐处于消隐(Blank)状态，状态，如图如图8-7中虚线所示。中虚线所示。http:/ 光栅光栅-电子束的运动轨迹电子束的运动轨迹 http:/ 锯齿波扫描电流锯齿波扫描电流 http:/ 一帧画面是由一定数量的水平扫描线组成的，这些一帧画面是由一定数量的水平扫描线组成的，这些扫描线在一个垂直的场扫描控制下均匀地、自上而扫描线在一个垂直的场扫描控制下均匀地、自上而下地分布于整个画面。下地分布于整个画面。每条扫描线由若干像点组成。每个像点的位置和亮每条扫描线由若干像点组成。每个像点的位置和亮度取决于以下基本因素。电子束度取决于以下基本因素。电子束X向和向和Y向的偏转决向的偏转决定像点的位置，电子束的通、断、强、弱则决定像定像点的位置，电子束的通、断、强、弱则决定像点的亮度。我们已经知道，由水平同步和垂直同步点的亮度。我们已经知道，由水平同步和垂直同步信号经扫描电路产生的行、场扫描电流能够通过磁信号经扫描电路产生的行、场扫描电流能够通过磁场的变化控制电子束的场的变化控制电子束的X偏转和偏转和Y偏转，而电子束的偏转，而电子束的强弱控制则有两种方法：一种是色差信号激励方式强弱控制则有两种方法：一种是色差信号激励方式 http:/ I、R、G、B与颜色的对应关系与颜色的对应关系 http:/ 在在CRT显示器中，画面上的字符或图形，都是由若显示器中，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。常用的字符点阵结构点数，称为字符的点阵结构。常用的字符点阵结构有有57点阵、点阵、58点阵、点阵、79点阵等。所谓点阵等。所谓57点阵，即每个字符由横向点阵，即每个字符由横向5个点、纵向个点、纵向7个点，共个点，共35个点组成。其中需要显示的部分为亮点，不需要个点组成。其中需要显示的部分为亮点，不需要显示的部分为暗点。字符点阵结构所包含的点数越显示的部分为暗点。字符点阵结构所包含的点数越多，所显示的字迹就越清晰，而且字符曲线表示得多，所显示的字迹就越清晰，而且字符曲线表示得更逼真，所以用更逼真，所以用79点阵可以形象地显示小写字符。点阵可以形象地显示小写字符。http:/ ROM空间存放空间存放256种字符的点阵代码，有种字符的点阵代码，有三套字体，即每个字符都可采用三套字体，即每个字符都可采用79、77、57点阵。点阵。图图8-9是是2513芯片的逻辑框图。该芯片的核心部分芯片的逻辑框图。该芯片的核心部分是一个是一个ROM，存储，存储64种字符的点阵码。每个字符种字符的点阵码。每个字符排成排成5列列8行的点阵形式，如图行的点阵形式，如图8-10(a)所示。点所示。点阵图中，字符阵图中，字符(例如例如H)需要显示的点需要显示的点(亮点亮点)均用代均用代码码1表示，不需要显示的点表示，不需要显示的点(暗点暗点)则用代码则用代码0表示，表示，http:/ 2513字符发生器逻辑框图字符发生器逻辑框图 图图8-10 58字符点阵图形与点阵代码字符点阵图形与点阵代码 http:/ RAM，VRAM)，其中存放一帧画面的有关信息。显示器一方面对屏其中存放一帧画面的有关信息。显示器一方面对屏幕进行光栅扫描，一方面同步地从幕进行光栅扫描，一方面同步地从VRAM中读取显中读取显示内容，送往显示器件。因此，对示内容，送往显示器件。因此，对VRAM的操作是的操作是显示器工作的软、硬件界面。从软件角度讲，执行显示器工作的软、硬件界面。从软件角度讲，执行显示软件的最终结果是向显示软件的最终结果是向VRAM写入显示信息。为写入显示信息。为了在指定的屏幕位置显示某个字符，就需向了在指定的屏幕位置显示某个字符，就需向VRAM的相应单元写入该字符编码。为了更新屏幕显示内的相应单元写入该字符编码。为了更新屏幕显示内容，就需相应地刷新容，就需相应地刷新VRAM的内容。为了使画面呈的内容。为了使画面呈现某种动画效果，就需要使现某种动画效果，就需要使VRAM中的内容作相应中的内容作相应变化，或者在读取时进行某种地址转换。变化，或者在读取时进行某种地址转换。http:/ 6.同步计数与屏幕扫描同步计数与屏幕扫描 http:/ 字符显示的属性字节与属性代码字符显示的属性字节与属性代码 http:/ 缓存地址与屏幕位置的关系缓存地址与屏幕位置的关系 http:/ 同步计数器与屏幕扫描同步计数器与屏幕扫描 http:/ 字符显示器的显示控制过程字符显示器的显示控制过程 http:/ 下面以某彩色图形显示器为例，说明图形显示是如下面以某彩色图形显示器为例，说明图形显示是如何实现的。设该彩色图形显示器的分辨率为何实现的。设该彩色图形显示器的分辨率为640480像素，可同时显示像素，可同时显示16种颜色。种颜色。从屏幕显示角度，每一行由从屏幕显示角度，每一行由4个位平面中的个位平面中的80个字个字节来表示节来表示(640/8=80)。屏幕上的一个彩色像素点。屏幕上的一个彩色像素点需要用来自需要用来自4个位平面上、每个位平面上的相同位个位平面上、每个位平面上的相同位置的一个存储位表示。置的一个存储位表示。根据上述对应关系，可设计出显示器控制逻辑中的根据上述对应关系，可设计出显示器控制逻辑中的同步计数分频关系，如图同步计数分频关系，如图8-15所示。所示。http:/ 彩色CRT控制逻辑框 http:/ 打印设备的分类打印设备的分类 n8.4.2 针式打印机针式打印机 n8.4.3 喷墨打印机喷墨打印机 n8.4.4 激光打印机激光打印机 http:/ 重要重要的位置，它以其便宜、耐用、可打印多种类的位置，它以其便宜、耐用、可打印多种类型纸张等优点，普遍应用于许多领域。针式型纸张等优点，普遍应用于许多领域。针式打印机有宽行和窄行之分，宽行可以打印打印机有宽行和窄行之分，宽行可以打印A3幅面的纸张，窄行只能打印幅面的纸张，窄行只能打印A4幅面的纸张。幅面的纸张。针式打印机有其他打印机所不能替代的优点，针式打印机有其他打印机所不能替代的优点，就是它可以打印多层纸，这使之在处理报表就是它可以打印多层纸，这使之在处理报表中的应用非常普遍。但它的打印质量低，噪中的应用非常普遍。但它的打印质量低，噪声大，速度慢，所以在普通家庭及办公应用声大，速度慢，所以在普通家庭及办公应用中逐渐被喷墨和激光打印机所取代。中逐渐被喷墨和激光打印机所取代。http:/ 字符字符E的的57点阵格式点阵格式 http:/ 图图8-17 针式打印机控制电路针式打印机控制电路 http:/ 针式打印机多为单色打印机，现在也出现了彩色针针式打印机多为单色打印机，现在也出现了彩色针式打印机。彩色针式打印机的结构与单色针式打印式打印机。彩色针式打印机的结构与单色针式打印机相同，只是增加了彩色功能控制。彩色打印机利机相同，只是增加了彩色功能控制。彩色打印机利用了三基色混色原理，使用的色带上除了有一条黑用了三基色混色原理，使用的色带上除了有一条黑色带外，还有红、蓝、黄色三条带，其他的颜色用色带外，还有红、蓝、黄色三条带，其他的颜色用红、蓝、黄三色混合多次打印而成。红、蓝、黄三色混合多次打印而成。彩色打印机的字车上所附的色带，不仅能够在水平彩色打印机的字车上所附的色带，不仅能够在水平方向上横向往复运动，而且能够上下移动，这样就方向上横向往复运动，而且能够上下移动，这样就可以用一个打印头撞击不同颜色的色带进行彩色打可以用一个打印头撞击不同颜色的色带进行彩色打印。印。http:/ 激光打印机的组成激光打印机的组成 http:/