第8章输入输出设备

2019/10/3©2012第8版1第8章I/O设备2019/10/32本章学习内容•I/O设备的基本概念•键盘的基本工作原理•显示器的基本工作原理•打印机的分类和基本工作原理2019/10/338.1I/O设备概述•I/O设备：实现计算机系统与外部世界之间进行信息交换或信息存储的装置。•输入设备：将现实世界各种形式表示的信息，转换为计算机所能识别、处理的信息形式并输入计算机。•输出设备：将计算机处理的结果，转换为适当的，以现实世界所能接受的信息形式输出出来，以便为人或其它系统所用。2019/10/34•在计算机发展初期，I/O设备的作用从功能上讲只是单纯地作用于信息形式的转换，并起输入或输出的作用。•随着计算机技术的发展与进步，现代计算机的外存储器，也同时具有I/O设备的功能。•主机或处理机：CPU与内存等在系统中主要进行数据运算处理的部分。•外设（外部设备或外围设备）：主机以外的系统中其余部分，如外存储器，I/O设备等。•传统意义上的I/O设备，只是外设的一个组成部分。2019/10/352019/10/36•①字符输入设备：键盘、联机手写识别器等。•②图形输入设备：数字化仪、鼠标器、跟踪球、操纵杆等。•③图像输入设备：摄像机、扫描仪等。•④其它类型的设备：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。1.输入设备2019/10/372．输出设备•①字符输出设备：行式打印机、点阵式打印机、喷墨和激光打印机，显示器等。•②图形输出设备：绘图仪，显示器，喷墨及激光打印机等。•③图像输出设备：显示器，喷墨及激光打印机等。•④其它类型的设备：如声音输出设备等。•⑤特殊的输出设备：磁盘，磁带等。2019/10/383．外存储器•外存储器：主机之外的一些存储器，它们都是存储器子系统的一部分，也是属于输入/输出设备。•外存储器主要有：磁盘（包括软盘和硬盘）、磁带（多种规格）、光盘（只读的、一次性写入的以及可读写的），优盘等。•外存储器的任务只是存储或读取数字代码形式的信息。一般不提供信息格式、码制的转换，所以是I/O设备中特殊的一类。2019/10/394．终端设备•终端设备：与计算机网络的用户一端相连接的设备。•在大型计算机系统中，通过通信线路连接到主机的输入输出装置也是一种终端设备。•终端在不同系统不同场合有不同的含义。•智能终端：具有一定的数据处理能力的终端。•哑终端：只负责输入输出的终端。•本地终端：与主机距离较近的终端。如在一个计算中心的机房中的终端。•远程终端：与主机距离较远的终端。远程终端往往要通过公共通信线路(如电话线)利用调制解调器与主机交换信息。2019/10/3105．其它含义的I/O设备•过程控制设备：在某些特定应用领域中，应用计算机系统所需的特殊的I/O设备。如智能仪表、传感器、A/D和D/A转换器等。•脱机设备：即数据制备设备，如软磁盘数据站。•数据通信设备：MODEM、网卡及各类网络设备等。2019/10/311•①人—机对话的主要渠道•②不同信息形式的转换装置•③软件和信息的驻留地•④计算机在不同领域中应用的桥梁外设的作用外设的特点•①工作速度比主机慢•②与主机处理的信息格式不同•③多与主机处于异步工作状态2019/10/312信息交换代码与传送格式•I/O设备与主机之间的信息的输入或输出，统称为信息交换。•信息交换涉及到所使用的代码格式、传送格式(并行、串行)及传输速率等。•信息交换代码均采用数字化信号代码格式•信息在输入到计算机内部和从计算机内部送到外部时，都采用二进制编码，即都为数字化信号。•为了使表示各种媒体的信息具有通用性，能为各种计算机系统所识别，要制定出表示各种信息的代码标准。如对字符信息的表示有ASCII标准。2019/10/313主机与外设间的传送格式•1．并行传送•利用一组信号线，同时传送多位(一个字节或一个字)二进制信息的传送方式。•并行传送方式多用于计算机系统内部以及计算机与一些近距离外设之间的数据交换。•并行传送方式的特点是传送速度高，但硬件代价高。2019/10/314•2．串行传送•采用单根信号线(对公共地形成电位差)，或采用一对传送线(一根信号线，一根地线)，一次一位地串行发送数据信号。•串行传送方式一般用于计算机与远距离设备交换信息的场合，如远程终端。•串行传送方式的特点是传送速度较低，不过硬件成本也较低。2019/10/3158.2键盘•在计算机系统中，键盘是最基本、最常用的输入设备。通过键盘上的各个键，按某种规范向主机输入各种信息，如汉字、外文、数字等。•键盘由一组排列成阵列形式的按键开关组成。键盘上的按键包括字符键和控制功能键两类。•字符键：包括字母、数字和一些特殊符号键。•控制功能键：产生控制字符的键（由软件系统定义功能），还有控制光标移动的光标控制键，用于插入或消除字符的编辑键等。2019/10/316计算机的键盘2019/10/317键盘的分类接触式无触点式触摸式机械触点式键干簧键电容式键霍尔键薄膜式感应式触摸屏•1.按键的种类分键2019/10/3182019/10/3192019/10/320•2.按键码的产生方式分•⑴编码键盘：将按键产生的电信号输入到编码电路，由编码器产生对应按键的编码，即键码。编码电路＋Vc...键码2019/10/321•编码键盘存在的问题•①当键的数量较多时，编码逻辑的成本较高。•②直接编码产生键码的方法不够灵活，一旦编码逻辑电路固定，如果需要重新定义键名与键码，就不够方便。2019/10/322•⑵扫描式键盘：将键连接成矩阵，每个键位于某行、某列交点上，先通过扫描方法找到按下的键的行列位置，称为位置码或扫描码；再查表（用ROM构成或用软件实现）将位置码转换为键码。Y15Y14Y0Y1X0X1X7X22019/10/323扫描式键盘的特点•①当键盘逻辑固定后，某一位置上的键就具有固定的位置码；•②更换转换表的内容，即可重新定义键名与键码。•在通用键盘以及键的数量较多时，普遍采用扫描方式产生键码。2019/10/3248.2.1硬件扫描键盘•在键盘上，各键的安装位置可根据操作的需要而定，但在电气连接上，可将各键连接成n行×m列的矩阵形式，每个键连接于某个行线与某个列线之间。通过硬件扫描或软件扫描，识别所按下的键的行列位置，得到位置码（扫描码）。•如果由硬件逻辑实现扫描，这种键盘称为硬件扫描键盘，或称为电子扫描式编码键盘。所用的硬件逻辑可称为广义上的编码器。2019/10/3253︱8译码器16—4编码器七位计数器VCROM&计数脉冲Y15Y14Y0Y1X0X1X7DB符合比较锁定信号00010012019/10/326•设将128个键排成8×16的矩阵。七位计数器从0000000开始计数，高3位用于选中行线Xj，使Xj＝0，低4位用于对列线Yi计数。•当选中Xi时，Xj＝0，若该行的Yj列有键按下，则与低四位的计数值进行比较，当比较一致时，锁定信号输出为0，停止计数，这时所得的计数值就是行列的位置码，也称扫描码。以扫描码为地址访问ROM，就可以读出该键的键值。•如：XY0000000X0┇00011110010000X10010001┇0011111X1行Y1列有键按下2019/10/327硬件扫描式键盘的逻辑组成2019/10/328•硬件扫描式键盘由键盘矩阵、振荡器、计数器、行译码器、列译码器、符合比较器、ROM、接口、去抖电路等组成。•只读存储器ROM：存放代码转换表，按键的位置码送往ROM作为地址输入，即可从ROM中读出对应的按键字符编码或功能编码。由ROM输出的键码，经接口芯片送往CPU。更换ROM中写入的内容，即可重新定义各键的编码与功能含义。•去抖电路：控制按键后，延迟数十毫秒之后才识别读取键码，保证键已稳定闭合。•为避开键在闭合过程中存在的一些机械性抖动，避免输出信号产生抖动，误认为多次按键，需在硬件扫描键盘中设置硬件延时电路(如单稳电路)，即去抖电路。2019/10/329•重键的处理：当快速按键时，有可能发生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的情况。可以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。不过这种暂停扫描的方法只能防止两键重叠。•如果由于CPU延缓接收而发生多键重叠，中间的按键编码就会丢失。所以在功能更强的键盘中，采取存储多个键码的方法，来解决重键问题。2019/10/330•硬件扫描键盘的优点：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以响应中断方式，接收随机按键产生的键码。•现已很少用小规模集成电路来构成这种硬件扫描键盘，而是尽可能利用全集成化的键盘接口芯片，如Intel8279。2019/10/3318.2.2软件扫描键盘•软件扫描键盘：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。•软件扫描键盘需考虑的问题•⑴谁执行键盘扫描程序?•⑵如何进行软件扫描？2019/10/332⑴谁执行键盘扫描程序?•①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处理程序，其中包含键盘扫描程序、键码转换程序及预处理程序等。•②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，大多采用第二种方案。2019/10/333•①逐行扫描•②行列扫描⑵如何进行软件扫描？2019/10/3341．逐行扫描法输出寄存器输入寄存器VCY15Y14Y0Y1X0X1X7CPUDBCPUDB001011111111111111111111012019/10/335•CPU通过数据线输出代码，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1行第1列接通，则当第1行行线为0时，第1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。逐行扫描法的工作原理2019/10/3362．行列扫描法双向寄存器双向寄存器Y15Y14Y0Y1X0X1X7CPUDBCPUDB0000000000000010010000002019/10/337•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时行线输出中有“1”，从而判明按键的列号，记录列号。再逐行为“1”地步进扫描，测试是哪一行为“1”时列线输出中有1，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。行列扫描法的工作原理2019/10/338IBM-PC/XT机的键盘工作原理8048T1列译码键盘矩阵16行×8列中断请求CD输出CLKD1CLOCK检测器行译码DATAPCLKIRQ1时钟发生器移位寄位器2019/10/339•1.键的种类和键盘阵列•电容式无触点式键。键盘中共有83～110个键，连接为16行×8列的阵列。•2.扫描方式•采用行列扫描法获得按键的扫描码。•3.扫描码的传输•键盘通过电缆与主机板上的键盘接口相连，采用Intel8048单片机进行控制，以串行方式将扫描码送往键盘接口。由接口中的移位寄存器将串行信号组装为并行信号，然后向CPU请求中断。CPU以并行方式从接口中读取按键的扫描码。2019/10/340•4.控制方式•由8048输出计数信号控制行、列译码器。•①先逐列为“1”地步进扫描•当某列为“1”时，•若该列线上无键按下，则行线组输出为“0”；•若该列线上有键按下，则行线组输出为“1”。•每次扫描结果串行送入8048的T1端。若8048检测出某列为“1”时，键盘矩阵行线组输出也为“1”，即表明该列有键按下。2019/10/341•②再逐行为“1”地步进扫