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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（7×7，22×9，22×15）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m×n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1024×768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1024×768×3=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±ΔX，±ΔY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(