第十章 常用交互设备及接口

第十章基本人机交互设备接口2011.11.1510.1键盘及其接口10.1.1键盘概述键盘:由排列成矩阵形式的按键开关阵列组成。有触点开关：无触点开关：白金触点开关舌簧式开关…电容式开关霍尔元件开关触摸式开关…根据键盘功能的不同，通常把键盘分成两种基本类型：编码键盘：能自动检测按键,并以串/并方式将对应功能键码送给CPU。非编码键盘：只提供键盘的行列矩阵，按键的识别和键值的确定、输入等均由主机软件完成。10.1.2非编码键盘的接口功能为不失一般性，以机械式有触点按键组成的非编码键盘为例。通常键盘接口必须具有以下4个基本功能：去抖动防串键识别被按键(和释放键)产生与之对应的键码1.去抖动每个按键在按下和松开时，都会经历短时间的抖动才达到稳定。抖动时间通常为520ms，识别时应避开它。软件延时法：识别到键按下/释放时,延迟一段时间再检验。硬件消抖法：在键开关和微机接口间加消抖动电路。适合键数目较少采用。去抖动防串键识别被按键与键码产生2.防串键——多个键同时按下，或前面键没释放又按下新的键时的处理策略。一般有三种方法：双键锁定：只将最后释放的键看作正确按键，两个以上键按下时不予考虑。N键连锁：N键串行循环法：循环扫描各个键，将一个或多个同时按下的键顺序检测出。只记下最先按下的键。去抖动防串键识别被按键与键码产生3.识别被按键与键码的产生这两项功能往往合在一起完成。它们是键盘接口要解决的主要问题。常用方法有：行/列扫描法：由程序逐行(列)对键盘进行扫描，通过检测列(行)状态来确定闭合键。此法需输入、输出端口各一个。线反转法：通过行、列颠倒两次扫描来识别闭合键。此法需两个可编程双向I/O端口。去抖动防串键识别被按键与键码产生10.1.3行/列扫描式键盘接口方法实际微型计算机系统中以行/列扫描法应用最广。下面举例说明按行扫描法对被按键进行识别并产生键码的原理。例10.1某PC单板机键盘接口设计举例键盘组成：由28个键构成，包括16个数字键0F和12个命令键，排成6行5列的矩阵结构,是一种典型的非编码键盘。硬件电路789A456B102F3ECDR4R3R2R1R0U1174LS273输出端口(锁存器)1EN1EN1EN1EN1EN111111RESETD5D4D3D2D1D0L1L2L3L4L6L5+5V(8CH)DTGLH(90H)KBSEL74LS244输入端口(三态缓存器)75492PPROMLOLDCASSBREAKMEMPORTREGMONNEXTEXECSINGLESTEPREG确定有无键按下输出扫描码，使所有行线均为0识别何键按下输入列线状态延时20ms去抖动行号=1使行号规定的行线为0,其余行线为1有列线为0?对应行号、列号形成键编码行检查完？返回显示程序行数加1YNYYNN有列线为0?A输入列线状态键的扫描、识别、处理程序流程图键的扫描、识别、处理程序流程图(续)查表键编码→键序号(键值)数字键处理(如存入显示缓冲区以显示)命令键处理延时20ms去抖动根据键值判定键种类NY10H≥10H键处理（找出键值，完成键功能）A键释放了吗?键释放了吗?NY1.键盘与接口概述PC系列机采用的是由单片机(8048，8035或8044等)扫描、编码的智能化键盘,它是一个与主机箱分开的独立装置，通过一根5芯或6芯(PS/2键盘)电缆与主机箱相连。PC系列机使用的键盘有83键、84键、101键、102键和104键等。目前的高档PC键多采用104键电容式无触点开关键盘。10.1.4PC系列机键盘及接口168键开关矩阵译码器串行接口CPU键盘缓冲区键盘主机箱Intel8048Intel8042PC机键盘及其与主机箱连接示意图PC系列机的键盘接口以单片机为控制核心。完成的主要功能是：(1)接收来自键盘的按键扫描码数据。(2)对接收的数据进行奇偶校验。(3)控制和检测传送数据的时间。(4)对接收的数据进行串—并转换。(5)将按键的行列位置扫描码转换为系统扫描码（即功能键值）。(6)接收、执行并向键盘转发系统命令。(7)向系统发键盘中断(IRQ1)，请求主机进行键盘代码处理。在连接键盘与系统主机箱的5芯或6芯电缆中，有用的信号线只有4根，即电源线、地线、双向时钟线和双向数据线。键盘和系统通过时钟线和数据线进行半双工通信。2.键盘与系统主机间的通信时钟线的主要作用是传送同步脉冲，数据线主要用于传送二进制位串数据。时钟线和数据线的另一个作用是提供当前通信状态。INT9H功能：读取来自键盘的系统扫描码/命令。处理命令代码。将扫描码转换为双字节的ASCII码或扩展码，存入BIOS数据区的32字节键盘缓冲区。当键盘接口控制器将数据送入输出缓冲器后，引发硬件中断请求IRQ1，系统调用INT9H中断程序进行键盘代码处理。10.2显示器及其接口8.2.1显示器概述8.2.2显示器一般接口方法8.2.3PC系列机显示适配器10.2.1显示器概述显示器是微机系统中一种最基本最常用的人机交互设备，用于显示字符、图形和图像。目前PC机系统中使用的显示器主要有CRT显示器和液晶平板显示器两种。CRT显示器分类按显示色彩分：按屏幕表面曲度分：有单色、彩色两种有球面、平面直角、柱面、纯平等多种，目前多采用纯平显示器。CRT显示器和液晶平板显示器在组成结构及显示原理上有根本区别，但是两者的工作特点及基本控制方式是大同小异的，都是在行扫描、帧扫描电路及其同步电路的控制下，从左到右、从上到下地扫描荧光屏，形成一幅幅光栅。:水平扫描正程(显示):水平扫描逆程(消隐)第1条扫描线第2条扫描线第3条扫描线第4条扫描线第n条扫描线O全帧开始全帧结束垂直回归(消隐)显示器屏幕上的字符是以点阵的形式显示出来的，每个字符一般由5×7、7×9、8×8或更多的点阵图形来表示，显示时点阵中的亮点和暗点分别对应二进制的1、0码。一定大小的面积上，字符点阵的点数（实质上也就是像素数）或一幅图像的像素数越多，显示的清晰度和逼真度就越高，但对显示器的频带要求也越高。8.2.1显示器概述衡量显示器性能优劣的主要技术指标：⑴分辨率指显示器尺寸一定的情况下水平方向和垂直方向的最大像素个数。一般用m×n表示（m和n分别代表水平和垂直方向的像素数）。⑵点距指不同像素两个颜色相同的发光点之间的距离，单位是mm。点距越小，分辨率越高，显示出的图像就越清晰逼真。⑶刷新频率指每秒屏幕刷新的次数。也叫场频或垂直刷新频率。刷新频率越高，图像显示越稳定。⑷带宽指每秒钟扫描的像素个数，即带宽＝m×n×刷新频率。带宽越大，表明显示器信息处理能力越强，显示效果越佳。8.2.2显示器一般接口方法显示器接口常称为显示适配器，用于实现显示器与系统主机的连接。因为它常被制作在一块与主板扩展槽相接的插卡上，所以又叫显示卡，简称显卡。显卡一方面通过系统总线与主机相连，接收主机提供的显示信息和显示控制命令；另一方面它通过视频接口向显示器输出视频信号，控制显示器的显示。显示器一般采用37芯D形插座和显卡连接，再通过显卡与主机连接。ISA显卡PCI显卡AGP显卡PCIExpress显卡8.2.2显示器一般接口方法就显卡与主板连接所采用的接口总线类型而言，显卡主要有四种类型：PC机上早期的显卡都是ISA总线，EISA总线或VESA总线型的，常将它们统称为ISA总线显卡。ISA总线显卡的出现称得上是一次PC显示系统的革命，它的意义不仅在于提供了比当时显示模式更为出色的显示效果和速度，更在于它第一次将总线这个概念引入了PC整体系统中，与主板所采用的总线结构很好地结合在一起，使得PC拥有了自己完整稳定的显示系统。⒈ISA显卡8.2.2显示器一般接口方法随着CPU制造技术的飞速发展，高速CPU以及PCI总线主板使得ISA总线显卡无法满足新技术的需求，于是PCI总线显卡开始出现，更快的速度和更先进的总线结构突破了ISA显卡的速度瓶颈。PCI显卡也有明显的缺陷。那就是因为PCI是一组设备，所有设备在同一时间段内共享总线带宽。这是PCI自身总线结构上的缺陷，为了改变这种情况，才会引入AGP显卡。⒉PCI显卡8.2.2显示器一般接口方法AGP是第一个专门为显卡设计的接口，解决了显卡与其它设备共享带宽的问题，使计算速度更快。根据速度不同，AGP又分为AGP1.0（AGP1X、AGP2X）、AGP2.0（AGP4X）和AGP3.0（AGP8X）等不同的标准。采用不同AGP标准的显卡，其接口的外观及性能都是有所区别的。⒊AGP显卡8.2.2显示器一般接口方法PCI-Express作为一种通用的总线规范，采用串行互联方式，以点对点的形式进行数据传输，每个设备都可以享用单独的带宽，从而大大提高了传输速率，而且也为更高的频率提升创造了条件。它最终的设计目的是为了取代现有计算机系统内部的总线传输接口。⒋PCI-Express显卡（简写为PCI-E）8.2.2显示器一般接口方法8.2.2显示器一般接口方法PCI-E显卡主要有两种：“桥接”式PCI-E显卡主要是通过PCI-EHSI技术，采用AGP转PCI-E桥接芯片来实现对PCI-E接口的支持，HSI依然采用AGP8X规范。“原生”式PCI-E显卡“原生”式显卡在图形核心、PCB布线等与过去的各种显卡均不兼容，是一种基于PCI-E的全新设计的显卡。PCI-E显卡分类显卡将显示信号处理完毕之后，它还要通过视频接口向显示器输出视频信号，控制显示器的显示。8.2.2显示器一般接口方法目前显卡所用的信号输出接口一般有两种，即模拟信号接口D-SUB和数字信号接口DVI。对于要具备视频输出功能的显卡还会在此之外再提供一个视频输出端口，俗称“S端子”。8.2.3PC系列机显示适配器PC系列机显示适配器多数是按照通用的视频显示标准设计的。从MDA、CGA、EGA、VGA到TVGA、SVGA等每一种视频标准都有相应的显示适配器与之对应。但无论哪种标准的显示适配器，其基本结构是相同的，主要都由显示控制器、显示存储器（VRAM）和视频BIOS三大部分组成。⑴显示控制器系统总线(PCI或AGP总线)视频BIOS控制寄存器模式寄存器时序控制电路系统总线接口及FIFO位、块传送画线填域颜色扩充颜色空间转换等专门功能显示存储器接口点时钟和存储器时钟发生器VFC端口硬件光标调色板CLUT（256X24）R、G、BDAC显示存储器(SRAM)(4〜64MB)HSYNCVSYNCRGB与视频卡连接14.318MHZ至CRT显示器显示控制器视频BIOS是一个只读存储器(ROM)，里面除固化了视频控制程序外，还固化有不同字符集的字符点阵显示存储器用于存放将要显示的字符/图形的点阵/像素数据。主板显示适配器8.2.3PC系列机显示适配器是适配器的心脏，主要功能是依据设定的显示工作方式,自主地、反复不断地读取显示存储器中的图像点阵(包括图形、字符文本)数据，将它们转换成R、G、B三色信号并配以同步信号送至显示器。文本显示模式BLRGBIRGBC7C6C5C4C3C2C1C0闪烁字符底色字符颜色字符的属性(高字节)字符的ASCII码(低字节)◆字符格式在文本(字符)显示模式下，显示存储器VRAM中存放一帧或几帧要显示的字符的信息。每个字符占２字节。8.2.3PC系列机显示适配器⑵显示存储器（VRAM）０0０1247724782479......4DH属性属性...属性属性属性79H45H4EH44H字符ASCII码A10~A3A2A1A0点阵行地址字符发生器0显示屏幕79列024行My…END行列VRAM点阵信息…◆VRAM中字符与屏幕上显示位置的关系8.2.3PC系列机显示适配器字符发生器高位地址字符发生器低位地址字符发生器内容（行码）０１０００００１（４１Ｈ）（Ａ的ＡＳＣＩＩ码）A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0(点阵行地址)00000101001110010111011110H28H44H82HFEH82H82H00H76543210◆字符发生器控制字符显