第七章外围设备

计算机组成原理第七章外围设备课程教学要求本章内容：7.1外围设备概述7.2显示设备7.3输入设备和打印设备7.4硬磁盘存储设备7.5软磁盘存储设备7.6磁带存储设备7.7光盘存储设备本章小结7.1外围设备概述7.1.1外围设备的一般功能7.1.2外围设备的分类外围设备7.1.1外围设备的一般功能外围设备的定义：外围设备涉及到相当广泛的计算机部件。除了CPU和主存外，计算机系统的每一部分都可作为一个外围设备来看待。外围设备的功能：在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供或建立起联系。外围设备的基本组成：(1)存储介质，它具有保存信息的物理特征。(2)驱动装置，它用于移动存储介质。(3)控制电路，它向存储介质发送数据或从存储介质接受数据。外围设备7.1.2外围设备的分类一个计算机系统配备什么样的外围设备，是根据实际需要来决定的。中央部分是CPU和主存，通过总线与第二层的适配器(接口)部件相连，第三层是各种外围设备控制器，最外层则是外围设外围设备可分为输入设备、输出设备、外存设备、数据通信设备和过程控制设备几大类，各类外设的工作模式、信息类所以，每一种外围设备，都是在它自己的设备控制器控制下进行工作，而设备控制器则通过适配器和主机连接，并受主计算机的五大类外围设备请参看CAI演示。外围设备7.2显示设备7.2.1显示设备的分类与一般概念7.2.2字符/图形显示器7.2.3图象显示设备7.2.4IBMPC系列机的显示系统外围设备7.2.1显示设备的分类与有关概念以可见光的形式传递和处理信息的设备叫显示设备，是目前计算机系统中应用最广泛的人机界面设备。按显示设备所用的显示器件分类，有阴极射线管(CRT)显示器、液晶显示器(LCD)、等离子显示器等。按所显示的信息内容分类，有字符显示器、图形显示器、CRT显示设备的分类：（1）以扫描方式分类，分成光栅扫描和随机扫描两种显示器；（2）以分辨率来分，分成高分辨率显示器和低分辨率显示器；（3）以显示的颜色分类，有单色(黑白)显示器和彩色显示器。（4）以CRT荧光屏对角线的长度分类，有12英寸、14英寸、16英寸、19英寸等多种。外围设备分辨率：是指显示器所能表示的像素个数。像素越密，分辨率越高，图像越清晰。分辨率取决于显象管荧光粉的粒度、荧光屏的尺寸和CRT电子束的聚焦能力。同时刷新存储器要有与显示像素数相对应的存储空间，用来存储每个像素的信息。灰度级：是指黑白显示器中所显示的像素点的亮暗差别，在彩色显示器中则表现为颜色的不同。灰度级越多，图像层次越清楚逼真。灰度级取决于每个像素对应刷新存储器单元的位数和CRT本身的性能。字符显示器只用“0”“1”两级灰度表示字符的有无，这种只有两级灰度的显示器称为单色显示器。具有多种灰度级的黑白显示器为多灰度级黑白显示器。图像显示器的灰度级一般在256级以上。1.分辨率和灰度级外围设备CRT发光是由电子束打在荧光粉上引起的。电子束扫过之后其发光亮度只能维持几十毫秒便消失。为了使人眼能看到稳定的图像显示，必须使电子束不断地重复扫描整个屏幕，这个过程叫做刷新。按人的视觉生理，刷新频率大于30次/秒时才不会感到闪烁。显示设备中通常选用电视中的标准，每秒刷新50为了不断提供刷新图像的信号，必须把一帧图像信息存储在刷新存储器（也叫视频存储器）中。其存储容量由图像分辨率和灰度级决定。分辨率越高，灰度级越多，刷新存储器容量越大。刷新存储器的存取周期必须满足刷新频率的要求。容量和存取周期是刷新存储器的重要技术指标。2.外围设备随机扫描：是控制电子束在CRT屏幕上随机地运动，从而产生图形和字符。电子束只在需要做图的地方扫描，而不必扫描全屏幕，因此这种扫描方式画图速度快，图像清晰。高质量的图形显示器(如分辨率为4096×4096)采用随机扫描方式。由于这种扫描方式的偏转系统与电视标准不一致，驱动系统较复光栅扫描：是电视中采用的扫描方法。在电视中图像充满整个画面，因此要求电子束扫过整个屏幕。光栅扫描是从上至下顺序扫描，采用逐行扫描和隔行扫描两种方式。光栅扫描的缺点是冗余时间多，分辨率不如随机扫描方式，但由于电视技术业已成熟，计算机系统中除高质量图形显示器外，大部分3.外围设备7.2.2字符/图形显示器1.字符显示显示字符的方法以点阵为基础。点阵是由m×n个像素点组成的阵列，并以此来构造字符。[见书P240图7.2（a)]。字符发生器ROM：将点阵存入由ROM构成的字符发生器中，在CRT进行光栅扫描的过程中，从字符发生器中依次读出某个字符的点阵，按照点阵中0和1代码不同控制扫描电子束的开或关，从而在屏幕上显示出字符。点阵的多少取决于显示字符的质量和字符窗口的大小。可见：字符发生器ROM中存储的是机器所有可显示字符的字形点阵信息（又称：字模码)。外围设备字符窗口：是指每个字符在屏幕上所占的点数（行、列点数总和），它包括字符显示点阵和字符间隔点阵[见图7.2（a)]。每个字符窗口可显示一个字符。视频缓存器VRAM：通常，待显示字符的ASCII代码被存放在视频缓存器VRAM中，以备刷新。若一帧屏幕共有2000个字符窗口（即：可显示2000个字符），则VRAM应有2000个单元存放被显示的字符信息。可见：视频缓存器VRAM中通常存储待显示字符的ASCII码。字符显示码（字模码）的读出方法：字符发生器ROM的高位地址来自VRAM的ASCII代码，低位地址来自光栅地址计数器的输出RA3—RA0，它依次给出这个字形点阵中的行地址。在显示过程中，按照VRAM中的SACII码和光栅地址计数器访问ROM，依次取出字形点阵，就可以完成一个字符的输出。外围设备字符Ｉ的点阵表示、字符发生器的结构以及字符显示器的原理框图，见教材P240图7.2。VRAM的地址由水平地址计数器(列地址)和垂直地址计数器(行地址)决定，VRAM输出的ASCII代码作为ROM的高位地址，ROM的低位地址来自光栅地址计数器，ROM的输出在L信号控制下并行装入移位寄存器，然后在点时钟控制下移位输出形成视频信号，输出到显示器。显示器在水平同步、垂直同步和视频信号的控制下，连续不断地进行屏幕刷新，从而呈现稳定而不消失的字符图像。（字符显示器的具体原理分析，参阅教材P241）外围设备【例1】：某CRT显示器可显示64种ASCII字符，每帧可显示64字×25行；每个字符字形采用7×8点阵，即横向7点，纵向8点。另外，字间间隔1点，行间间隔6点；帧频50Hz，采取逐行扫描方式。(1)缓存容量有多大?(2)字符发生器(ROM)容量有多大?(3)缓存中存放的是ASCII代码还是点阵信息?(4)缓存地址与屏幕显示位置如何对应?(5)设置哪些计数器以控制缓存访问与屏幕扫描之间的同步?它们的分频关系如何?[参阅教材P240图7.2(c)]外围设备【解】(1)已知：缓存VRAM中存放的是待显示字符的ASCII码，而一帧共有64×25=1600个字符，故：缓存容量应为64×25×8=1600字节。（ASCII码为8位）(2)已知：ROM中存放的是所有可显示字符的字模码（依题意，各字形为8×8点阵），故：ROM容量为64×8×8=512字节。（共有64种可显示字符）(3)显然，缓存中存放的是待显示字符的ASCII(4)显示位置自左至右，从上到下，相应地缓存地址由低到高，每个地址码对应一个字符显示位置。(5)点计数器8∶1分频；字计数器(64+12)∶1分频；行计数器(8+6)∶1分频；排计数器(25+10)∶1外围设备2.图形显示图形显示:是指用计算机手段表示现实世界的各种事物，并形象逼真地加以显示。根据产生图形的方法，分随机扫描图形显示器和光栅扫描图形显示器(1)随机扫描图形显示器工作原理是将所显示图形的一组坐标点和绘图命令组成显示文件存放在缓冲存储器，缓存中的显示文件送矢量(线段)产生器，产生相应的模拟电压，直接控制电子束在屏幕上的移动。为了在屏幕上保留持久稳定的图像，需要按一定的频率对屏幕反复刷新。这种显示器的优点是分辨率高(可达4096×4096个像素)，显示的曲线平滑。目前高质量图形显示器采用这种随机扫描方外围设备(2)产生图形的方法称为相邻像素串接法，即曲线是由相邻像素串接而成。因此，光栅扫描图形显示器的原理是：把对应于屏幕上每个像素的信息都用存储器存起来，然后按地址顺序逐个地刷新显示在屏幕上。其组成结构如图7.3：程序段缓冲存储器：存放由计算机送来的显示文件和交互式的图形操作命令。刷新存储器：用以存放一帧图形的形状信息，它的地址和屏幕上的地址一一对应。外围设备程序段缓存和刷存之间有一个DDA部件，它是一种进行数据插补的硬件，其作用是把显示文件变换为像素信息，即根据显示文件给出的曲线类型和坐标值，生成直线、圆、抛物线乃至更复杂的曲线。插补后的数据(像素信息)存入刷存用于刷新显示。光栅扫描图形显示器的优点是通用性强，灰度层次多，色调丰富，显示复杂图形时无闪烁现象；所产生的图形有阴影效应、隐藏面消除、涂色等功能。它的出现使图形学的研究从简单的线条图扩展到丰富多彩、形象逼真的各种立体及平面图形，从而扩大了计算机图形学的应用领域，成为目前流行的显示器。外围设备【例2】下图为IBMPC机汉字显示原理图，请分析此原理图并进行文字说明。外围设备【解】在IBMPC系列微型计算机系统中，汉字输出是利用通用显示器和打印机，在主机内部由通用的图形显示卡形成点阵码以后，将点阵码送到输出设备，输出设备只要具有输出点阵的能力就可以输出汉字。以这种方式输出的汉字是在设备可以画点的图形方式下实现的，因此常称这种汉字为图形汉字如图7.4所示，通过键盘输入的汉字编码，首先要经代码转换程序转换成汉字机内代码，转换时要用输入码到码表中检索机内码，得到两个字节的机内码，字形检索程序用机内码检索字模库，查出表示一个字形的32个字节字形点阵送显示输出。外围设备7.2.3图象显示设备图形是用计算机表示和生成的图，称作主观图像。在计算机中表示图形，只需存储绘图命令和坐标点，没有必要存储每个像素点。而图像所处理的对象多半来自客观世界，即由摄像机摄取下来存入计算机的数字图像，这种图像称为客观图像。由于数字化以后逐点存储，因此图像处理需要占用非常庞大的主存空间。图像显示器采用光栅扫描方式，其分辨率在256×256或512×512个像素，与图形显示兼容的图像显示器已达1024×1024，灰度级在64—256级。外围设备图像显示器有两种类型：1.简单图像显示器它仅仅显示由计算机送来的数字图像。图像处理操作在计算机中完成，显示器不做任何处理。I/O接口、图象存储器(刷新存储器)、A/D与D/A变换等组成单独的一个部分，称为图像输入控制板或视频数字化仪。如图7.5所示：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。图像输入控制板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。数字相机的出现，更容易组成一个图像处理系统。外围设备2.图形处理子系统其硬件结构较前一种复杂得多。它本身就是一个具有并行处理功能的专用计算机，不仅能完成显示操作，同时由于子系统内部有容量很大的存储器和高速处理器，可以快速执行许多图像处理算法，减轻主计算机系统的运算量。这种子系统可以单独使用，也可以联到通用计算机系统。目前流行的图形工作站就属于图形处理子系统。外围设备7.2.4IBMPC系列机的显示系统1.显示标准随着IBMPC系列机的升级发展，PC机采用的显示标准经历了如下变化：MDA→CGA→EGA→VGA→SuperVGAMDA是PC机最早使用的显示标准。MDA是单色字符显示适配器，采用9×14点阵的字符窗口，满屏显示80列×25行字符，对应分辨率为720×350CGA是彩色图形/字符显示适配器，可以兼容字符和图形两种显示方式。在图形方式下，可以显示320×200像素四种