91计算机组成原理第8章

哈尔滨工业大学李东教授8.1计算机组成原理第8章计算机外部设备8.1输入设备8.1.1键盘8.1.2鼠标8.2输出设备8.2.1阴极射线管显示器8.2.2平板显示器8.2.3打印机8.3辅存设备8.3.1硬盘8.3.2光盘2020/1/23哈尔滨工业大学李东教授8.2计算机组成原理第8章计算机外部设备8.1输入设备8.1.1键盘键盘，作为帮助人们向机器输入字符的工具，在电子计算机发明之前，就已经在广泛使用的打字机上出现了。不过，时至今日，键盘的功能仍然局限于输入英文字母和阿拉伯数字。键盘设计的一个重要问题是键位设计，即字母和数字在键盘上的布局。最常见的键位设计方案是Christopher于1868年提出的。该方案最明显的特征是第一行的前6个字母是QWERTY，所以采用该方案的键盘称为“柯蒂(QWERTY)”键盘。2020/1/23哈尔滨工业大学李东教授8.3计算机组成原理第8章计算机外部设备8.1输入设备8.1.1键盘由于习惯的影响，134年前提出的、以放慢敲键速度为目的的柯蒂键盘延续至今。这是一个典型的“先入为主”的例子。微机键盘的按键数经历了83键（面向IBMPC/XT），84键（面向IBMPC/XT），101键和102键（面向386和486）、104键（面向Pentium）、108键等。其中，目前主流的108键的键盘是在104键键盘的基础上，为WINDOWS98平台增加了“Power”、“Sleep”、“WakeUP”和“FN”等4个功能键，方便用户操作。2020/1/23哈尔滨工业大学李东教授8.4计算机组成原理第8章计算机外部设备8.1输入设备8.1.1键盘根据发送给主机的是否是能直接处理的机内信息编码（如ASCII码），键盘分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘识别出所按下键的位置后，直接由编码电路产生一个唯一对应的信息编码(如ASCII码)送给主机。它的特点是响应速度快，但实现复杂。非编码键盘中，键盘内部的单片机通过执行固化在其ROM中的键盘管理程序，扫描是否有键被按下。若有，则将其位置码（也叫扫描码）发送给主机。收到位置码后，主机将其转换成相应的机内编码(如ASCII码)。2020/1/23哈尔滨工业大学李东教授8.5计算机组成原理第8章计算机外部设备非编码键盘的结构简单，并且通过软件能为某些键的功能进行重定义。目前，绝大多数键盘是非编码键盘。为了更好地利用击键状态来表达用户的意愿，每个键的扫描码又分为接通扫描码（简称通码）和断开扫描码（简称断码）。当键被按下时，发送通码；松开时，发送断码。主流微机键盘PS/2的通码为1字节，断码为2字节。断码的第一个字节是F0H，第二个字节是该键的通码。例如从键盘输入大写英文字母“A”时，其按键过程是，按下左Shift键→按下A键→松开A键→松开Shift键。键盘发往主机的数据是：左Shift键的通码12H，A键的通码1CH，A键的断码F01CH，左Shift键的断码F012H。2020/1/23哈尔滨工业大学李东教授8.6计算机组成原理第8章计算机外部设备8.1输入设备8.1.1键盘鼠标是由美国科学家恩格尔巴特博士于1968年发明的。由于鼠标极大地改善人机交互，ACM将1997年的图灵奖颁发给了恩格尔巴特博士。可见，改善人机交互永远是计算机科学与技术正确的发展方向。2020/1/238.1.2鼠标哈尔滨工业大学李东教授8.7计算机组成原理第8章计算机外部设备8.1.2鼠标根据工作原理和内部构造的不同，鼠标分为：（1）机械式鼠标：目前已淘汰。（2）光机式鼠标：正逐渐淘汰。（3）光电式鼠标：最常用。2020/1/23哈尔滨工业大学李东教授8.8计算机组成原理第8章计算机外部设备8.1.2鼠标评价鼠标性能最重要的指标是DPI(DotsPerInch)，它表示鼠标每移动一英寸所能检测出的点数，DPI小，用来定位的点数就少，定位精度就低。反之，DPI大，用来定位的点数就多，定位精度就高。通常鼠标的DPI为400或800。评价新型光电鼠标还有一个专用的性能指标——帧速率（也称为扫描频率或刷新频率）。它表示DSP每秒钟能够处理的图像帧数。帧速率越高，鼠标的灵敏度越好。按鼠标上的按键数量分，鼠标分为两键鼠标、三键鼠标、五键鼠标和新型的多键鼠标。鼠标与主机的接口主要有PS/2和USB两种。2020/1/23哈尔滨工业大学李东教授8.9计算机组成原理第8章计算机外部设备8.1输入设备8.2输出设备8.2.1阴极射线管(CathodeRayTube,CRT)显示器1．CRT显示器的组成与工作原理由灯丝、阴极、控制栅、聚焦系统、加速电极、偏转系统、屏幕等组成。2020/1/23哈尔滨工业大学李东教授8.10计算机组成原理第8章计算机外部设备8.2.1阴极射线管显示器一屏完整的图像称为一帧（Frame）或一场。由于荧光在屏幕上的存留时间很短，为了维持一个稳定的画面，就需要重复显示同一个图像，这个过程称为刷新（Refresh）。电子束每秒重绘屏幕图像的次数，称为刷新频率、帧频或场频。CRT显示器的刷新频率通常在60帧/s(Hz)～120帧/s(Hz)，最好在75Hz以上，否则屏幕会有闪烁感。视频电子标准协会VESA规定85Hz为无闪烁的刷新频率。CRT显示器的规格通常用其屏幕对角线的长度来表示，常见的CRT显示器有14、15、17、19或21英寸等。2020/1/23哈尔滨工业大学李东教授8.11计算机组成原理第8章计算机外部设备8.2.1阴极射线管显示器2．光栅扫描显示器按扫描方式的不同，CRT显示器分为光栅扫描显示器和随机扫描显示器。随机扫描显示器中，电子束就像一支快速移动的画笔，可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。光栅扫描显示器中，电子束在水平同步信号和垂直水平同步信号的控制下，在屏幕的左上角开始，按“从左向右、从上到下”原则（也叫行优先原则），逐行形成光点。这样在屏幕上形成的一条条水平扫描线，称为光栅。2020/1/23哈尔滨工业大学李东教授8.12计算机组成原理第8章计算机外部设备8.2.1阴极射线管显示器屏幕上的每个点称为一个像素。在光栅扫描显示器中，一帧图形对应一个像素矩阵，即整个屏幕上的所有像素点的强度值。存储像素矩阵的部件是刷新缓冲存储器、帧缓冲存储器或视频存储器（VisualRAM,VRAM），俗称显存。在每一轮扫描中，根据像素矩阵，控制电子束的有/无和强/弱，借助于荧光的余辉，就可以在屏幕生成一幅完整的图形。水平扫描周期的倒数称为行频，垂直扫描周期的倒数称为帧频。帧频就是刷新频率。2020/1/232．光栅扫描显示器哈尔滨工业大学李东教授8.13计算机组成原理第8章计算机外部设备8.2.1阴极射线管显示器3．显示器的分辨率与点间距分辨率（Resolution）是指屏幕单位面积上所能够显示的最大光点数，也叫物理分辨率。光点数越多，每个光点的面积就越小，描绘图形的精细程度就越高。在实际应用中，人们往往用整个屏幕所能容纳的光点数（像素个数）来描述，例如称某个显示器的分辨率为640×480，这叫逻辑分辨率。但是这种描述并不严密，因为显示器的大小不同，即便逻辑分辨率相同，大屏幕的光点面积当然就大，其显示图形的精细程度就差。通常，15英寸的显示器采用800×600或1024×768的分辨率，17英寸的显示器采用1024×768的分辨率。2020/1/23哈尔滨工业大学李东教授8.14计算机组成原理第8章计算机外部设备8.2.1阴极射线管显示器点间距（DotPitch）表示两个相邻光点中心的距离，这也称为行距。这个距离越小，就说明光点面积越小，分辨率越高，图像越细腻。目前常用显示器的点间距为0.25mm～0.28mm。2020/1/233．显示器的分辨率与点间距哈尔滨工业大学李东教授8.15计算机组成原理第8章计算机外部设备8.2.1阴极射线管显示器4．单色CRT和彩色CRT若屏幕上只涂有一种荧光粉，在电子束的作用下只能发一种光色，则这种CRT称为单色CRT或黑白CRT。若CRT的屏幕上涂有多种荧光粉，在电子束的作用下可以发多种光色，则这种CRT称为彩色CRT。对于单色CRT显示器，每个像素的浓淡效果（即亮度），称为灰度等级或灰度值，它是从零到某一正整数的一种整数值编码。比如帧缓冲器的存储字长为2的，则有00、01、10和11等4级灰度。即帧缓冲器的存储字长为n，则其灰度等级为2n种。彩色CRT采用RGB（Red、Green、Blue）颜色模型。2020/1/23哈尔滨工业大学李东教授8.16计算机组成原理第8章计算机外部设备8.2.1阴极射线管显示器彩色CRT分穿透型和影孔板型（也叫多枪型）。穿透型的原理是，在屏幕内表面涂有两层荧光涂层，一般是红色和绿色。不同速度电子束穿透荧光层的深浅决定所产生的颜色，速度低的电子只能激活外层的红色荧光粉发光显示红色，高速电子可以穿透红色荧光粉涂层而激活内层的绿色荧光粉发光显示绿色，中速电子则可以激活两种荧光粉发出红光和绿光组合而显示橙色和黄色两种颜色。穿透型的成本较低，但是只能产生有限的几种颜色，一般应用于随机扫描显示器中。2020/1/234．单色CRT和彩色CRT哈尔滨工业大学李东教授8.17计算机组成原理第8章计算机外部设备8.2.1阴极射线管显示器影孔板型应用于光栅扫描系统，能产生更宽范围的色彩。这种显示屏的内表面涂有很多呈三角形排列的荧光粉，每个像素对应一个由三个荧光点按三角形排列构成的光点组。当每个光点组被激励时，分别发出不同亮度的红、绿、蓝三种基色，这三种基色“混合”出该像素的颜色。若电子束只有发射和关闭两种状态，则只能混合出8种颜色。若每支电子枪发出的电子束的强度有256个等级，则能显示256×256×256=16777216=16M种颜色，称为真彩色系统。2020/1/234．单色CRT和彩色CRT哈尔滨工业大学李东教授8.18计算机组成原理第8章计算机外部设备8.2.1阴极射线管显示器正常情况下，电子束是自顶向下逐行扫过整个屏幕，这样的扫描过程称为逐行扫描。有的显示器为了降低对显存的带宽要求，其电子束采用“隔一行扫描一行”的方式，先扫过奇数行，垂直回扫后，再扫描偶数行，这样的扫描过程称为隔行扫描。隔行扫描是把一帧完整的画面分成奇数场（由1、3、5…等奇数行组成）与偶数场（由0、2、4…等偶数行组成）。每个扫描过程所需刷新周期是顺序扫描的一半。2020/1/235．逐行扫描与隔行扫描哈尔滨工业大学李东教授8.19计算机组成原理第8章计算机外部设备8.2.1阴极射线管显示器例如，顺序扫描一帧所需的时间是1/30s，那么采用隔行扫描后只需1/60s即可显示一屏画面，场频提高了一倍，而且相邻两行的像素在1/2个周期内有相互加强的作用，这样可避免了由于荧光粉发光强度衰减而造成的图形闪烁效应。此外，还因降低了对扫描频率的要求而降低了成本。存储于帧缓冲器中的数据量也比逐行扫描减少一半，降低了对视频控制器存取帧缓冲器的速度及数据传输带宽的要求。计算机显示器大都采用逐行扫描方式，电视显示器大都采用逐行扫描方式。2020/1/235．逐行扫描与隔行扫描哈尔滨工业大学李东教授8.20计算机组成原理第8章计算机外部设备8.2.1阴极射线管显示器显示器的工作模式有两种：字符模式和图形模式。字符模式下，显存中存放的是字符编码（如ASCII码或汉字的机内码）以其属性（如加亮或闪烁等），屏幕被划分为若干行和列（如80列×25行），字符只能显示在规定的行、列位置。图形模式下，显存中存放的是字符的字模码（即显示点阵），字符的显示可以定位于屏幕上的任一点。显示彩色或单色多级灰度图像时，每个像素点对应的二进制位称为颜色深度。例如欲表现真彩色（16M种颜色），需要24位颜色深度（即红色8位、绿色8位、蓝色8位）。2020/1/236．显示器的工作模式与颜色深度哈尔滨工业大学李东教授8.21计算机组成原理第8章计算机外部设备8.2.1阴极射线管显示器CPU发出的绘图命令要最终在屏幕上显示出来，还需要一块图形适配器卡，俗称显卡。显卡主要是由图形处理芯片GPU、随