第10章计算机组成原理课件

第10章 输入输出（I/O）设备 1概况一点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容整体概述概况三点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容概况二点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容2 在计算机系统中CPU和主存构成计算机主体，称为主机，此外的输入/输出设备（I/O设备）都独立于主机之外，所以称为外部设备或外围设备，简称外设。外围设备是计算机和外界联系的桥梁，是计算机系统中不可缺少的组成部分。外围设备主要可分为两大类，一类是用于人机联系的输入/输出设备，如键盘、显示器、打印机等，这类设备与用户直接接触，对系统使用是否方便有很大影响；另一类是辅助存储设备，联机时作为主机的后援，不用时可取出，作为程序或数据文件的脱机保存副本。310.1 概述液晶显示器打印机投影仪绘图仪SSDU盘数码摄像机数码相机410.1 概述 10.1.1 I/O10.1.1 I/O设备的基本功能设备的基本功能 外部设备 人机对话的传递工具 信息转换工具 程序和数据的存放地 10.1.2 I/O设备的特点 输入/输出设备 1.异步性2.实时性3.多样性 5输入设备字符输入设备：键盘图形输入设备：鼠标、光笔图象：扫描仪、传真机、摄象机模拟设备：语音输入、AD转换外设输出设备打印机击打式非击打式活字式点阵式激光喷墨绘图仪语音输出显示器CRT多媒体终端设备外存储器通信设备磁盘磁带光盘10.1.3 I/O设备的分类 液晶、等离子体显示器610.1.3 I/O设备的分类 按信息的传输方向来分 1.输入设备：将外部的信息输入主机。2.输出设备：将计算机的处理结果输出到外部。3.输入/输出设备：包括外存储器、CRT终端、通信设备、DAC或ADC设备等。常用的一些外部设备 710.1.4 I/O设备与主机的连接 由于外部设备处理信息的多样性，以及与CPU自身处理速度的巨大差异，常常不能直接进行数据交换，也就说要通过一个交换的界面，即外部设备接口（又称外部设备适配器）来进行。外部设备与主机的连接 810.2 输入设备 10.2.1 键盘 按键的结构 机械式按键 电容式按键 薄膜式橡胶垫式 机械式按键结构 电容式按键结构 92、键盘的工作原理 扫描式键盘的工作原理：将各键连接成一个矩阵，即n行m列，各键分别连接于某个行线与某个列线之间，如图所示。通过软件扫描程序，可判明按键位置（即某一行的某一列），产生位置码或扫描码，再转换为按键编码。矩阵扫描式键盘 单片微型计算机D0D1D2D3 D4 D5 D6 D7 列 0 1 2 4主机+5V012310（1）逐行扫描法原理 通过行驱动电路，使各行线L0Ln依次为0（每次仅一根行线为0），每当某行为0时就读回各列线状态C0Cm，判断出各键的通断状态。若当Li=O时Cj=0，则说明位于第i行、第j列的键被按下，获得该键的位置码为（i，j）。如果同时有两个以上的键被按下（称为重键），也能通过一遍扫描全部识别出来。（2）扫描程序的执行 由软件实现扫描的健盘，称为软件扫描键盘，结构比较简单，所需硬件成本较低，功能灵活，可实现较复杂的判断，因而得到广泛应用。（3）扫描码与键码 键盘是系统的输入设备。键盘向主机传送键的动作信息可由代码表示。1110.2.2 鼠标器 鼠标器的分类：按照按键的数目 两键鼠标三键鼠标及滚轮鼠标 按照接口类型 PS/2接口的鼠标串行接口的鼠标USB接口的鼠标 按鼠标的工作原理 机电鼠标光电鼠标光学鼠标 1210.2.3 触摸屏 触摸屏是一种利用传感器来确定手指触摸屏幕的位置的坐标，并能够将位置信号传送给主机去处理的显示设备。触摸屏 电阻式触摸屏电容式触摸屏红外线式触摸屏声表面波式触摸屏 1310.2.4 语音与文字输入系统 目前计算机输入字符与数据，主要用键盘敲入，人们正在研究如何让机器能够听懂话，识别字的功能。为了达此目的，一系列相应学科正在形成与发展。其中包括模式识别、人工智能、信号处理和图像处理，并在此基础上产生了语音识别、文字识别、自然语言理解与机器视觉等学科。14特征特征提取提取信息信息获取获取预处预处理理分类器学习分类器学习分类决策分类决策1510.2.5 数码相机 数码相机采用数千个微小的光传感器将反射光转换为电脉冲。数字拍摄时，数码相机的镜头和普通胶片相机一样打开，但在相机后面接受反射光的不是基于卤化银的胶卷，而是一个布满成千上万个光敏晶体管的微型芯片,这些晶体管就是著名的电荷耦合设备CCD，将光转换成电脉冲，光线越强,电荷量越大。CCD可以把亮度分级，但并不认识颜色。和所有的数字设备一样，这些产品通过把三个基本色混合到一个像素来产生自然的彩色。为了做到这一点数码相机必须分三次来完成一幅彩色相片。161718 数码相机主要由光学镜头、感光传感器(CCD或CMOS)、模数转换器(A/D）、图像处理器（DSP）、图像存储器(Memory）、液晶显示器（LCD）、端口、电源和闪光灯组成，见图10.6。19v数码相机是怎样工作的？v数码相机用快门来激活包含光敏栅格的电荷耦合器件传感器CCD。v外部的光线透过镜头，汇聚于镜头后的光电传感器（CCD/CMOS）上；v光电传感器将光信号转换为与光强度成正比的模拟电信号，送往模数转换器；v模数转换器将模拟电信号转换为二进制数字信号，送往图像处理器；v图像处理器将数字图像信号进行处理、压缩后存储在存储器中。v上述成像过程是在核心控制芯片的控制下完成的。2010.2.6 数码摄像机 数码摄像机的工作和普通摄像机非常相似,但有更多的功能和更快的速度。它和数码相机类似，采用电荷耦合器件CCD获取光线转换成0、1的数字信息。彩色摄像机通常用三个CCD芯片来建立真彩色合成。数码摄像机必须在1S内拍摄30幅图像，把光信息转换成电信号，再转换成二进制的数字信号，这样各个图像就可以连在一起成为相应的视频。成像原理与数码相机相同。2110.3 输出设备10.3.1 显示设备 当今计算机最常用的显示设备是CRT显示器和液晶显示器。CRT显示器与LCD显示器 221、阴极射线管 阴极射线管的结构组成：CRT显示器的主体部分是阴极射线管，它由真空管、电子枪、偏转线圈和荧光屏等部分构成。CRT显像管结构示意 灯丝阴极聚焦极石墨层荧光屏显示屏阳极帽偏转线圈栅极阳极电子枪电子束（c）CRT显像管结构示意图10.6 CRT显像管23242、控制线路（1）CRT显示器的扫描方式 扫描方式 随机扫描方式：只在需用显示图像的地方扫描，而不必扫描全屏。这种方式显示速度快，图像清晰，线条的轮廓十分光滑，一般用于少数专用场合，如雷达显示和某些专用图形显示中。光栅扫描方式：在计算机CRT显示器中，普遍采用光栅扫描方式。在光栅扫描方式中，电子束有规律地扫描整个屏幕，其扫描线迹呈栅形，称为光栅。光栅扫描过程示意图 25高压主机信号视频放大电路同步信号帧扫描电路行扫描电路CRT（2）扫描电路26移位寄存器S L字符发生器(ROM)加载控制水平消隐行间消隐垂直消隐水平同步电路垂直同步电路点振荡器点计数器水平地址计数器光栅地址计数器垂直地址计数器定时控制电路垂直同步信号水平同步信号字符时钟代码控制OSCVRAM19180+1819+5125+1视频信号RA3-RA0 （d）字符显示过程图 图10.7 扫描与显示过程273.CRT显示器基本概念及技术指标（1）显像管、图形、图像：显像管的品质是决定显示器性能是否优越的关键因素。（2）显像管尺寸：显像管的尺寸越大，显示的画面实际分辨率就可以更高。（3）点距：点距越小，意味着单位显示区域内可以显示更多的像点，显示的图像就越清晰细腻。28（a）点距（b）三点测点距（c）栅距图10.8 点距与栅距 0.25mm29v（4）分辨率：分辨率取决于显示器在水平和垂直方式上最多可以显示点的数目。v（5）扫描频率：v（6）垂直刷新率：垂直扫描频率越高，图像越稳定，闪烁感越小。v（7）水平刷新率：水平刷新率又称行频，它表示显示器从左到右绘制一条水平线所用的时间。30v（8）带宽：带宽越大，表明显示控制能力越强，显示效果越佳。v（9）扫描方式：水平扫描有两种方法，即隔行扫描和逐行扫描 v（10）控制方式：分为模拟式调节和数字式调节两种。v（11）电磁辐射标准电磁辐射标准是一个很重要的指标，它直接关系到使用者的身体健康和其他电器的正常使用。3110.3.2 液晶显示器 液晶显示器体积小，重量轻，工作电压低，无辐射，广泛应用于便携式电脑和掌上电脑等设备，其核心的液晶技术也发展非常快。液晶显示器分类（1）STN型液晶显示器（2）MIM型液晶显示器（3）TFT型液晶显示器 10.3.3 等离子显示技术3210.3.4 打印设备 在计算机系统中，打印机是传统的重要输出设备。打印机分类表：1、点阵式打印技术 上表中的打印机都属于点阵式打印机，所谓点阵式打印技术就是用“点”（也就是像素）构成的阵列，来形成文字和图像。33 具体来说，点阵式打印的字符以行列的点阵形成，英文字母通常有57、79等点阵组成，汉字则有1616、2424、或4848的点阵组成。79字符点阵 1616汉字点阵 342、针式打印机 针式打印机曾经是使用最多、最普遍的一种打印机。它的工作原理是根据字符的点阵图或图像的点阵图形数据，利用电磁铁驱动钢针，击打色带，在纸上打印出一个个墨点，从而形成字符或图像。针式打印机基本结构 针式打印头字车输纸机构：色带机构：控制和驱动电路电源以及操作面板 打印针电磁铁弹簧导向机构 由滚纸筒、传动齿轮和步进电机组成。每打印完一行字符，步进电机就驱动滚筒前进一步，在垂直方向上按行移动纸张，当检测到纸尽就向控制器返回信号，停止步进电机动作。色带是涂有黑色印油（或彩色印油）的循环尼龙带。它是靠字车的带动并经传动齿轮而运动的。35打印纸导轨打印针永磁铁 铁芯衔铁 线圈色带色带保护片滚筒（a）针式打印机构造36打印针电磁铁线圈衔铁壳帽外壳导轨弹簧（b）螺管式电磁铁图10.9 针式打印头结构图373、喷墨打印机 喷墨打印机利用喷墨印字技术，即从细小的喷嘴，喷出墨水滴，在纸上形成点阵字符或图形。喷墨技术分为喷泡式和压电式两种。喷泡式技术的工作原理：每个喷嘴内有一个电阻发热元件，在电脉冲作用下，发热元件对墨水加热，使周围的墨水气化，生成一个气泡，并迅速膨胀，挤压墨水，使墨滴从细小的喷嘴处喷出，形成一列墨点。脉冲结束后，气泡收缩，在喷头内形成负压，新的墨水被吸人，补充了喷头里减少了的墨水。压电式技术的工作原理：每一个喷嘴外侧有一块压电晶体，当电脉冲加到压电体上，压电体对喷嘴产生压力，墨滴从喷嘴喷出，在纸上构成点阵字符或图形。喷头的另一端有续墨水用的导管与墨水罐相连，当电脉冲结束后，压电体复原，墨水补充进喷头。38墨水槽喷墨头过滤器收集槽高压电源振荡发生器字符发生器打印纸充电电极压电陶瓷偏转电极墨水泵回收器墨 滴 偏 转 方 向喷墨头移动方向组成与打印原理字符打印过程（充了电的墨滴偏转射向打印纸，不带电的墨滴射入回收器被回收）(以 7*5 点阵为例)图10.10 喷墨式打印机39喷墨打印机基本组成 墨盒及喷头 清洗系统：字车机构：输纸机构：它的作用是清洗喷头。它的作用同针式打印机，字车带动打印头运动。它的作用同针式打印机，区别主要在于不能使用连续式和自动复写式的打印纸。喷墨打印机基本组成：404、激光打印机 由于激光打印机的高速性（20-8Oppm）、高质量（分辨率可达30072Odpi，甚至更高）、低噪声（小于55dB）、多种印字模式（配有PCL语言或PostScript语言），而且价格日益降低，从而受到用户的青睐。（1）激光打印机的组成与工作原理 激光打印机的组成打印机控制器：负责与主机的通信，解释主机送来的打印命令，格式化打印内容，光栅化处理，然后送打印装置进行输出。处理器缓冲存储器辅助电路 打印装置：打印装置是一组电子与机械相结合的系统，负责把打印机控制器生成的点阵数据打印出来。光学扫描装置感光鼓硒鼓显像装置输纸机构和粘合装置 4142打印过程：感光体充电生成潜像显像转印固定感光体清除。激光打印机原理图 感光体（感光鼓）：在写入信息以前，感光鼓均匀地充上电荷，经过激光束照射的部分其电位将发生变化，从而生成潜像。生成潜像：打印机控制器接收来自主机的信息，经过处理后转换成点阵图像，作用到半导体激光器上，产生相应的激光束。显像处理：带有电荷的着色剂对潜像进行着色，使粉墨吸附在潜像上，使之变成可视图像。转印处理：着色的粉墨图像转印到普通纸上。固定处理：对转印后的粉墨图像进行加热、加压处理，使之固定在纸上，生成永久的印刷结果。感光体清除：最后对感光鼓进行清扫处理，为下一次的印刷作准备。4344455、打印机的技术指标 打印质量：打印速度：打印纸张的种类：噪声：打印机价格及打印成本：驱动程序：分辨率是衡量打印质量的指标，单位是dpi。是以每分钟打印多少页纸来衡量的，单位是ppm。对喷墨打印机和激光打印机来说，应能使用普通的复印纸。打印机打印时的噪声越小越好。目前较好的打印机噪声低于55dB（分贝）。打印机的整体价格及纸张、色带、墨盒、感光鼓等价格。打印驱动程序应该丰富，尤其是彩色打印机。另外，驱动程序应该能支持多种操作系统。46Q&A问答环节敏而好学，不耻下问。学问学问，边学边问。Heisquickandeagertolearn.Learningislearningandasking.47结束语感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边点击进入48谢谢聆听THANKYOUFORLISTENING演讲者：XX时间：202X.XX.XX49