《输入输出及其控制》PPT课件.ppt

第3章输入/输出及其控制,3.1外部设备3.2输入/输出中的传送控制3.3接口3.4I/O设备管理习题,3.1外部设备,3.1.1外部设备分类及其发展3.1.2字符设备3.1.3图形/图像设备3.1.4语音处理设备3.1.5虚拟现实技术3.1.6调制解调器3.1.7流通领域用外部设备,输入输出系统是计算机主机与外界交换信息时需要的硬、软件设备的总称，简称I/O系统。一般说来，I/O系统的硬件由以下几个方面组成：(1)外部设备：围绕主机而设置的各种信息媒体转换和传递的设备。(2)设备控制器与接口：控制主机与外部设备之间的信息格式转换、交换过程以及外部设备运行状态的硬、软件，也称设备适配器，它与外部设备的特性有关。(3)I/O总线：主机与外部设备之间的信息传送通路。本章主要介绍输入/输出设备及其控制技术。I/O总线在第4章介绍。,3.1.1外部设备分类及其发展,1.外部设备及其分类“外部设备”也称为外围设备。它们是指计算机系统中，除主机以外，直接或间接与计算机交换信息、改变信息媒体或载体形式的装置。从使用的角度，把外部设备大致分为如下3类：(1)人-机交互设备人-机交互设备，就是人和计算机间交流信息的设备，其功能是把人的五感可以识别的信息媒体，转换成计算机可以识别的信息；或者把计算机处理的结果信息，转换为人的五感可以识别的信息媒体。(2)机-机通信设备机-机通信设备就是一台计算机与其他计算机或别的系统之间通信的设备。(3)计算机信息的驻在设备计算机信息的驻在设备，即计算机的外存储设备。,2.人-机界面技术的进步计算机作为扩展与延伸人的大脑的智力工具，主要还是由人直接使用。现在，人们越来越意识到，人-机界面是除硬件和软件之外组成计算机系统的第三大要素。迄今为止，计算机人-机界面技术已经形成符号界面技术图形界面技术多媒体界面技术虚拟现实界面技术等多层次的系列技术。(1)符号界面技术(2)图形界面技术(3)多媒体界面技术(4)虚拟现实（virtualreality）技术虚拟现实技术概括为三个基本特征，即三“I”：Interaction(交互性)；Imagination(幻觉性)；Immersion(沉浸感)。,3.绿色计算机目前，计算机世界正酝酿着另一场革命，是绿色计算机浪潮。绿色是人类生存和健康的象征，绿色计算机是科技与环保相结合的经典之作。对它的具体要求大致有如下几个方面：(1)节能(2)低污染(3)易回收(4)符合人体工程学,3.1.2字符设备,1.键盘字符输入设备的实质是将要输入的字符转换成相应的0，1码。目前，键盘是最重要的字符输入设备。键盘的基本组成元件是按键开关。它的种类很多，一般可分为触点式和无触点式两大类。触点式借助金属把两个触点接通或断开以输入信号，无触点式借助霍尔效应开关(利用磁场变化)和电容开关(利用电流或电压变化)产生输入信号。从编码的功能上，键盘又可以分为全编码键盘和非编码键盘两种。全编码键盘通过识别键是否按下，以及所按下键的位置，由全编码电路产生唯一对应的编码信息（如ASCII码）。非编码键盘是利用简单的硬件和一套专用键盘编码程序来识别按键的位置，然后由CPU将位置码通过查表程序转换成相应的编码信息。非编码键盘的速度较低，但结构简单，并且通过软件能为某些键的重定义提供极大的方便。目前应用比较广泛。,由于键盘中的按键排成行、列矩阵格式，因而可以用硬件或软件对行、列分别扫描，以确定被按下的键的位置。在对键盘位置进行扫描的过程中所产生的用以确定按键位置的码，称为键盘的扫描码。确定了扫描码之后，进一步可以用查表的方法找到相应的内码ASCII码等。因按键时会使键产生机械抖动，为防止因此造成的错误判断，在键盘控制电路中都含有硬或软的消除抖动影响的机制。2.字符发生器字符发生器的作用是将字符的字形数字化。字形数字化的基本方法是将字符字形分割成点阵图像。图3.2为字母“E”的三种不同（77，229，2215）的点阵结构。显然，组成字符的点阵数越多，输出的字形越细腻、美观。一个字符由一个mn的点阵形成，描述其点阵的码称为该字符的点阵码。所有字符的点阵码组成字库，又称字符发生器。不同的字体组成不同的字库。字符发生器一般存在ROM中（也有软字库）。,输出时先将内码变换为字符发生器的地址码，取出相应的点阵码，控制输出设备按点阵方式输出相应字体的字符图形。由于汉字字形复杂，为减少存储容量，可以采用汉字形压缩方法。点阵汉字字库的字形缺乏美观性，为此出现了采用一组有序的笔画信息构成汉字字形信息的向量汉字字库。还有一种是曲线字库。这样对汉字进行放大、旋转或转换时，可以达到美观的汉字。3.打印设备打印设备是一种硬拷贝设备，作用是将输出信息打印在纸上，产生永久性记录。打印设备种类繁多，有多种分类方法。(1)按印字原理分类击打式：打印头要撞击纸。可分为活字式和点阵式打印。非击打式：采用电、磁、光、喷墨等物理、化学方法印刷字符，打印过程纸不被撞击。(2)按工作方式分类：串行打印机和行式打印机,图3.3为点阵式打印机的工作原理框图。当打印机启动后，接收计算机传送来的信息，并将接到的信息(内码形式)送到RAM暂存起来，同时发出信号启动各电机的驱动电路，使机械系统处于工作状态。字符发生器将内码转换成打印机的点阵状态，通过驱动器送至打印头。字符识别器用来识别是打印信息，还是控制命令。若是前者则送到缓存中暂存后打印；若是后者则应立即执行操作。4.字符显示设备显示设备是将各种电信号变为视觉信号的一过性设备，是目前计算机给人传送信息的有效设备之一。(1)显示方法显示字符的方法有：点阵法、向量法和特殊法。图3.4为显示器的工作原理框图雷同。,(2)显示设备计算机系统中的显示设备，按显示器件可分为阴极射线管（CRT）、等离子显示板（PDP）、发光二极管（LED）、场致发光板和液晶显示（LCD）等。目前计算机系统中使用最广泛的是CRT和LCD。(3)显示器的分辨率显示器一般采用光栅扫描方式，即电子束从左向右、自上向下作水平扫描和垂直扫描，电子束撞击显示屏上的众多的荧光粉点而使其发光，每个发光点就是一个象素。显示屏幕上相邻两个象素中心点之间的距离称为显示器的点距(dotpitch)。点距越小图像的清晰度越高。显示屏幕的象素点数目称为该显示器的空间分辨率。它是与点距和屏幕大小都有关的一项指标，表示了显示器的相对清晰度。同样的屏幕，点距越小，分辨率越高：同样的点距，屏幕越大，分辨率越高。,一个显示屏的分辨率可以用软的或硬的方法在一定范围内进行设置。在最高分辨率下，一个发光点对应一个象素。如果设置低于最高分辨率则一个象素可能覆盖多个发光点距越小，分辨率越高：同样的点距，屏幕越大，分辨率越高。每个象素可以有不同的灰度和颜色。灰度和颜色也称显示器的颜色分辨率，要用二进制码控制。如，用1位二进制码控制，只能控制该象素为黑或白用4位二进制码控制，则能控制该象素为16种不同的灰度或颜色；用8位二进制码控制，就能控制该象素为256种不同的灰度或颜色；用2个字节(16位)的二进制码控制，则能控制该象素64K种不同的灰度或颜色；用3个字节(24位)的二进制码控制，则能控制该象素为16M种不同的灰度或颜色，这时的色彩已基本上表达了大自然的所有人眼所能辨的颜色，看上去与高清晰照片相差无几，故称为真彩色。为了表达显示器的空间分辨率和颜色分辨率，就要求有一定的显示存储量。如理论上对1024768的空间分辨率，用3位二进制码表示的颜色等级，需要的显示存储器为10247683=230.4KB。,3.1.3图形/图像设备,图像与图形是两个具有联系又不相同的概念。图形是用计算机表示和生成的图(如直线、矩形、椭圆、曲线、平面、曲面、立体及相应的阴影等)，称为主观图像是基于绘图命令和坐标点的存储与处理；图像处理的对象多半来自客观世界，是基于象素点的存储与处理，如由摄像机摄取的存入计算机的数字图，这种图像称为客观图像。随着计算机技术的发展以及图形和图像技术的成熟，图形、图像的内涵日益接近并相互融合。1.绘图仪绘图仪与图形显示器相似而又不同，不同处在于它是输出永久性图形的设备，而图形显示器是输出一过程图形的设备，并且它们的结构元件不同；相似之处在于，它们形成图形的原理相似，即按形成图形的元素，绘图仪也可以分为向量绘图仪和点阵绘图仪两类。,(1)向量绘图仪向量绘图仪又称笔绘图仪，构成向量图形的基本元素是直线段。目前的向量绘图仪的组成大体都是图3.5所示的结构。图中，控制器用以与主机交换数据并为操作人员提供一个控制台。驱动电机用以驱动绘图笔进行X，Y两个方面的运动，在图纸上画出一段段的组成图形的小直线段。由于受传动系统的限制，只能使笔在X，Y两个方面进行单向或同时移动。曲线和斜线，只能用阶梯形的折线代替。所谓插补计算，是根据所绘图形的基本数据，经过大量加减运算，计算出图形逼近折线中一段段小直线端点的位置，一边计算，一边根据计算结果输出各个走向的脉冲信息。插补计算的方法很多，最常用的有逐点比较法和数字积分法。(2)点阵绘图仪点阵绘图仪又称无笔绘图仪，组成点阵图形的基本元素是点，或称象素。属于点阵绘图机的有静电绘图仪、喷墨绘图仪、热敏绘图仪和激光绘图仪等。,2.摄像机和扫描仪(1)摄像机摄像机是最直接的图像输入设备，它能把所摄图像经数字量化后变成数字图像存入磁带、磁盘或光盘，以备放映。(2)扫描仪扫描仪是能够全面而快速输入数据、文字和图形以及图像的输入设备。根据工作方式的不同，扫描仪大体上可分为手动扫描仪和自动扫描仪两类。手动扫描仪的最大扫描宽度为100mm左右，分辨率为400dpi，结构小巧、成本低、使用灵活、方便，多用于文字、符号和微小幅面的图形输入。自动扫描仪的结构复杂、成本高，多用于A4幅面以上的大型图形的自动扫描输入。,自动扫描仪从结构原理上可分为两大类，一类是CCD(charge-coupleddevice,电荷耦合器件)作为光敏元件，另一类是以光导纤维作为光的传导元件。由光导纤维作为光传导元件的扫描仪结构如图3.7所示。光导纤维的一端以线阵列排列，而另一端以面阵列排列。其面阵列的排列方法是把光导纤维的线阵列分成几等份，第一等份作为面阵列的第一行，依次类推，第几等份就是面阵列的第几行。由线阵列敏感图像信息，并将此信息传送到面阵列端，经彩色摄像机摄入，经分色后输出到图像处理器，在该处理器中又将面阵列信息还原为线阵列信息；不同之处只是分为三元色。每色的灰度为256级，故每个象素必须用3个字节表示。扫描仪的分辨率高，扫描的幅面大，对A0幅面，大约需要800多兆B。如此庞大的数据量对存储器的要求过高，所以，扫描输出前，要压缩数据。,3.图形及图像显示器(1)图形显示器图形显示是指用计算机通过一定的算法产生点、线、面、阴影、色彩等。也就是说，显示的图形是由图形程序产生的。图3.8是光栅扫描图形显示器组成框图。程序缓冲存储器用以存放由主机送来的显示文件和交互式图形操作命令。交互式图形操作命令用以接收由输入设备指定的对图形的操作性质和操作位置，如图形的局部放大、平移、旋转、比例变换及图形检索等。刷新存储器用以存放一幅图形的形状信息，用以不断刷新屏幕，使输出连续。DDA部件用以进行数据插补，其作用是把显示文件换为象素信息。插补后的数据（象素信息）存入刷新存储器用于刷新显示。(2)图像显示器图像显示器除了能存储从计算机输入图像并在屏幕上显示外，还具有灰度变换、窗口技术、真彩色和伪彩色显示等图像增强技术功能以及图像放大、分割和滚动等几何处理功能。,图3.9是一种简单的图像显示器，它仅显示由主机送来的数字图像，图像处理操作在主机中完成，显示器不做任何处理。其中的I/O接口、图像存储器（刷新存储器）、A/D与D/A变换等组成单独的一个部分，称作图像输入控制板或视频数字化仪。图像输入控制板的功能是实现连续的视频信号与离散的数字量之间的转换。图像输入控制将接收摄像机模拟视频输入信号，经A/D变换为数字量存入刷新存储器用于显示，并可传送到计算机进行图像处理操作。处理后的结果送回刷存，经D/A变换成模拟视频输出，由监视器进行显示输出(监视器只包括扫描、视频放大等与显示有关的电路及显像管)，也可以接入电视机的视频输入端来代替监视器。显然，通用计算机配置一块图像板/卡和监视器就能组成一个图像处理系统。(3)IBMPC系列微型机的显示系统MDA标准、CGA标准、EGA标准和VGA标准。习惯上，将MDA，CGA称作PC机的第一代显示标准，EGA是第二代，VGA是第三代。,4.定位及拾取设备定位/拾取设备通过指点来读取（位于屏幕或图表、图形上的）坐标，以画出或修改图形。按所拾取的坐标可分为两类：拾取绝对坐标，如光笔和数字化仪；拾取相对坐标，如鼠标器、跟踪球、操纵杆等。(1)光笔光笔是一种输入设备，用来检测信号，因为外形像支笔，所以叫光笔。其前端装有光敏器件，后端用导线接到计算机上。当光敏端的笔尖接触屏幕时，产生的光电信号向计算机发出中断脉冲信号，此瞬间显示存储器的地址就是光笔所指位置，计算机按操作人员的命令作出响应或画图、编辑和修改。(2)触摸屏触模屏是一种能对物体的接触或靠近产生反应的定位设备。根据采用技术之不同，触摸屏分为5类：电阻式、电容式、表面超声波式、扫描红外线式和压感式。,总之，任何一种触摸屏，都是通过一种物理现象测试人手指触及的屏幕上点的位置，进而通知CPU对此作出反应。由于物理原理不同，而体现出不同的应用特点和适用环境。(3)数字化仪数字化仪是计算机图形系统的输入设备。当画笔接触到其图形板上的某一位置时，会将画笔位置的坐标转换为二进制的数字量，输入计算机，随着画笔的运动，可以把一个图形输入计算机中。它是把图纸变为电子图形的有效手段之一，已成为各种图形工作站和CAD系统中的主要设备之一。数字化仪的种类较多，按测量坐标的原理，大体上可分为机电式、超声波式、磁致伸缩式和电磁感应式4种。(4)鼠标器、跟踪球和操纵杆鼠标器、跟踪球（也称轨迹球）和操纵杆，是与屏幕相配合拾取光标的相位坐标的输入设备。鼠标器按拾取的物理方式可分为机械式与光电式两种。图3.11为机械式鼠标器的基本结构。,3.1.4语音处理设备,音频技术是多媒体技术中的一项关键性技术，它包括语音识别、语音合成及语音翻译多种技术。1.语音的输入与识别(1)语音识别的困难毋容置疑，实现语音输入将会把计算机的输入变得极为轻松、自然、简单。但是，这项技术的本身却是极其复杂的。语音输入的实质是语音识别，就是让计算机能正确识别、准确理解自然语言，它涉及如下一些问题：认人与不认人的识别人类的语言种类繁多，不同的人有不同的声调。要让机器识别非特定人的声音比识别特定人的声音要困难得多。单呼与连呼的识别连呼时，相邻语音会相互影响，给音节判断带来困难。字表(单词量)大小,(2)语音识别系统的组成一般语音识别系统组成如图3.12所示。传声器将声音换成电信号（音频信号）。随着语音的进程，各频率成份也随着时间不断地发生变化；频谱分析用来分析音频信号中某一短时间内的各频率成份，模数转换是把模拟音频信号转换成数字信号，以便计算机进行处理。数据处理指的是语音起始点和终点的判定、原始语音参数的进一步加工（如时域、幅度的规整，进一步提取参数等），最后得到一个语音参数矩阵。人员训练时，数据处理结果送往参考样本；识别时，数据处理结果送给待识别语言框内。比较运算的功能是将待识别语音跟参考样本作比较处理，求出相应样本的一套差距和相似性；在判定部分进行识别判定，除输出识别结果外，反馈到参考样本内进行文法控制，即根据已有的识别结果限定后继语音的可能范围，减少可能的参考样本，从而控制识别搜索范围。,2.语音的合成与输出实现计算机语音输出有两种途径：一种是预先录好成百上千的单词和短语，用计算机代码的形式存储起来，然后用程序按需要对它们进行检索输出。另一种办法是人工合成语音语音合成。语音合成技术是计算机音频技术的重要部分，进行语音合成的音频器件称为码声器。,3.1.5虚拟现实技术,一个计算机VR系统，可以分解为三个独立的、但又相互联系的感觉引导子系统：视觉子系统、听觉子系统和触觉动觉子系统。这三个子系统由虚拟环境产生器进行控制、协调，如图3.13所示。1.虚拟环境产生器虚拟环境产生器实质上是一个包括虚拟世界数据库的高性能计算机系统。该数据库包含了虚拟环境中对象的描述以及对象的运动、行为及碰撞作用等性质的描述。虚拟环境产生器的另一作用是生成图像。这些图像的生成必须在最短的时间延迟内考虑参与者头部的位置和方向。虚拟环境产生器内的任何通信延迟都必将表现为视觉的滞后。如果这种滞后可以感知，在某种条件下就会使参与者产生晕弦的感觉。,2.触觉/动觉子系统为了增强虚拟环境中身临其境的感觉，必须给参与者提供一些诸如触觉等方面的生理反馈。触觉反馈是指VR系统必须提供所能接触到的物体的触觉刺激，如物体表面纹理甚至包括触摸的感觉等。参与者感觉到物体的表面纹理等时，同时也感觉到运动阻力。当然，毫无疑问VR系统中的触觉/动觉反馈是很难实现的。一旦实现，将极大地增强虚拟存在的感受。目前触觉/动觉系统中一个重要的部分是手跟踪和手势跟踪。3.视觉子系统人类的视觉，是一个具有双眼坐标定位功能自然序列：人的两只眼睛同时看到周围世界的同一个窗口，但由于两眼位置上的差别，在视网膜上各自生成略有差别的图像，这两个图像通过大脑，被综合成一个含有景物深度的立体图像。VR体视显示技术用以下两种方案解决这一问题：一种是用两套主机分别计算并驱动对应左右眼的两个显示器；另一种是用一套主机分时地为左右两眼产生相应的图像。,4.听觉子系统听觉子系统主要由声音合成、3D声音定域和语音识别组成，以给虚拟环境中的用户一个真实的声音环境。(1)声音合成尽管听觉系统以比视觉系统低得多的频带宽度工作，但人的听觉系统很善于在众多的声音中挑取特定的声音，作为对视觉摄取信息的补充。因此，在VR系统中加入声音合成装置是十分必要的。当视觉系统处理某一事件时，听觉系统同时在后台工作。(2)3D声音定域为造成逼真的声音环境，就要使参与者能通过两耳因位置不同，所接受的声波的时差等，分辨出声源与自己的相对位置；即使参与者在头部运动时，也能感觉这种声音保持在原处不变。为了达到这种效果，虚拟环境产生器要为声音定域装置提供头部的位置和方向信号。(3)语音识别,3.1.6调制解调器,1.概述目前使用的计算机一般都是数字计算机，即在计算机中处理的是数字信号，而普通电话线上传输的是音频信号。用普通电话线传输数字信号的效率是很低的。为了能用普通电话线进行计算机通信，应当把要发送的数字信号先调制(modula)成音频信号，送到目的地后再解调(demodula)成数字信号。完成这一功能的设备称为调制解调器MODEM(modulator/demodulator)。由于一台计算机既要接收信号，又要发送信号，所以调制解调器既有调制功能，又有解调功能。调制解调器是目前利用电话线路进行网络连接的重要设备。图3.16为采用调制解调器进行计算机通信的示意图。采用MODEM的另一好处是可以实现多路复用，即把多路信号调制在一起，同时在一条线路上传送，到目的地后，通过解调将所需的信号分离出。,2.调制解调器的技术性能与通信标准(1)传输速率传输速率是衡量调制解调器性能好坏的最重要的指标。所谓传输速率，是指调制解调器发送或接收数据的速度，通常称为波特率(baudlrate)，其单位是。(2)调制技术标准调制解调器的标准一般可分为3种：调制技术、差错控制和数据压缩。其中调制技术是最重要的。在通信过程中，通信双方使用的调制技术必须具有相同的标准。在众多的调制解调器标准中，占主流的是美国标准和欧洲标准。(3)差错控制标准差错控制是通信双方通过协议检测传送的信息，发现错误进行重发并保证不会多次接收同一个信息。通信双方的调制解调器，必须支持相同的差错控制标准。(4)数据压缩标准,3.1.7流通领域用外部设备,1.条码阅读器(1)条形码条形码是一种计算机输入技术，它由一组黑白相间、宽窄不同的平行线条按照一定规则排列组成，用以表示一组数据的符号。这组数据可以是数字、字母或特殊符号。(2)条码阅读器条码阅读器是利用光学和光电转换原理识别条码数据的装置。2.字符阅读器字符阅读器通过扫描和机器识读，提供数字、字符等符号的快速输入。按原理，字符识别有两种方法：样板匹配法和特性提取法。样板匹配法是将扫描到的字符与库中的样板进行比较，以所匹配的库样板的编码作为其编码。特性提取法是根据构成字的元素及其结构来识别一个字。实际采用的方法是两者之一或两者的结合并向ICR（智能字符识别）方向发展。,3.磁卡和IC卡磁卡的使用主要通过磁卡读写机和其他读卡设备（如ATM）等。只要将磁卡在读卡设备上轻轻擦过，磁条上的标识数据就能快速、准确地输入。4.自动现金取款机自动现金取款机CD（cashdispenser）是一种机械电子设备，是银行计算机网络系统的终端设备。CD的主要工作过程如下：检查磁卡的合法性检查密码（磁卡使用者的合法性）取款检查（取款数，当日取款次数等)放款并输出提款传票。5.自动柜员机ATM系统ATM(automatictellermachine)是在CD的基础上发展起来的。它不仅能完成现金自动取款，还能办理存款、支票、转账、挂失查询等业务。6.收款机收款机是用于商业零售业、餐厅等部门处理零售业务的一种多功能计算机系统。,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,虚拟环境产生器,听觉子系统,视觉子系统,触觉/动觉子系统,命令,数据,头及眼跟踪,图形图像,手跟踪,数据,图3.13VR系统一般组成,返回,返回,