第 6 章输入输出设备与输入输出系统

第6章 输入输出设备与输入输出系统

6.1 输入输出设备概述 6.1 输入输出设备——人机交互设备输入设备 ——人们可以通过它把要执行的命令和数据等信息送入计算机。输出设备 ——人们可以从计算机得到所需要的结果。

输入输出设备简明列表 键盘图形输入设备：鼠标器、图形板、光笔图象输入设备：扫描仪、传真机、摄象机、数字相机条形码阅读器显示器（字符、图形、图象）打印机（针式、喷墨、激光）绘图仪输入设备输出设备

5.1.2 点阵式设备运行原理 以点阵式运行的设备，通常都是把某些信息例如字形、图形、图像等，以计算机用户可见的某种形式表示出来。在计算机显示器，屏幕上，这些被显示的内容是以可见光的形式表现出来的。在打印纸上，通常是以“印刷”（染色）的效果表现出来。

点阵式设备运行共同特点：要表示的信息，最终要以平面上以可见的“形状”体现出来。而这些“形状”不管其简单还是复杂，原理上，又都是以许多断续的点的不同布局表示出来的。当一些点彼此之间靠得很近时，使人看上去就像连在一起的样子。点阵式设备运行共同特点：要表示的信息，最终要以平面上以可见的“形状”体现出来。而这些“形状”不管其简单还是复杂，原理上，又都是以许多断续的点的不同布局表示出来的。当一些点彼此之间靠得很近时，使人看上去就像连在一起的样子。例如：把一些点安排在一条直线上，人们可看见一条直线的形状，把这些点安排在一个方框内，人们可看见一个方框的形状；若在一个英文字母字形的各位上布满点，人们就可以看见英文字母。

从组成各种形状的点的布局规律看，有两种情况：从组成各种形状的点的布局规律看，有两种情况：（1）每个被表示的对象有确定的形状（如中、西文字符、标点符号、简单的几何形状）。要表示这样一些对象，可设法把这些对象的点的布局设置保存在存储器中，需要时再把它们复现出来。（2）被表示对象的点的布局没有确定的规律（如油画、照片）。要表示这样一类对象，可设法把油画或照片上所表现的连续变化的内容，在计算机指定的平面上用离散的点表示出来。简单的应用方式只需为每点分配一个二进制位来区别点的有无，例如 1表示有点，0表示无点。

处理一幅图中各处不同的亮暗层次的办法（单一颜色的情况）：处理一幅图中各处不同的亮暗层次的办法（单一颜色的情况）：用各处不同亮度（灰度级）来体现一幅图的层次感，即每一点可用几种不同的亮度显示。必须用多个（例如b个）二进制位（bit）来表示亮度等级S，其关系是： S = 2b 亮度等级越多，表示同一幅图的数据量就越大。

处理多种颜色图像的办法： 不同颜色是用3基色按不同比例关系混合而呈现出来的。例如，为表示 256种颜色，要用8位二进制位。若希望每种基色都有256种亮度，要用3×8 = 24 个二进制位（3字节）。每个点有256×256 ×256种颜色（真彩色）。

0 1 2 3 4 5 6 7 X 0 1 2 3 4 5 6 7 Y 直线的点阵表示可用8个字节来表示： 00 ，02 ，0 4，08 10 ，20 ，40 ，00 两个简单的例子：

0 1 2 3 4 5 6 7 X 0 1 2 3 4 5 6 7 Y 英文字母A的字形和它的点阵表示可用8个字节来表示： 10 ，28 ，44，82 FE ，82 ，82 ，00

作业4.1. 点阵式设备得以广泛应用的原因是什么? 答：以点阵式运行的设备，通常都是把某些信息例如字形、图形、图像等，以计算机用户可见的某种形式表示出来。其共同特点是：要表示的信息，最终要以平面上以可见的“形状”体现出来。而这些“形状”不管其简单还是复杂，原理上，又都是以许多断续的点的不同布局表示出来的。当一些点彼此之间靠得很近时，使人看上去就像连在一起的样子。这样的事实很容易被人接受，也不会有原理上的争议。所以点阵式设备得以广泛应用。

6.2显示器设备的组成与运行原理 6.2.1 显示器设备概述显示器设备是以可见光形式显示信息的输出设备。当前使用最多的是阴极射线管（CRT）为主体的显示器，其次是液晶显示器。按显示内容分，可分为字符显示器和图形显示器。显示器属于以点阵方式运行的设备。显示器是矩形的。沿水平方向和垂直方向分成许多像素。全部像素的数目称为分辨率。常用的分辨率有640×480，800×600，1024×768。

阳极帽 阳极偏转线圈阴极栅极显示屏荧光屏电子束聚焦极灯丝电子枪石墨层 6.2.2 CRT阴极射线管的组成和运行原理

显示屏 阴极射线管的组成电子枪偏转控制装置显示屏——显示信息的主体部分，由玻璃屏和涂在内壁的荧光粉薄层组成。荧光粉在电子的撞击下发处不同颜色和亮度的亮点。

电子枪——产生电子束的部件 灯丝——通电后产生热量，使阴极加热阴极——受热后释放大量电子栅极——控制电子通过栅极进入阳极的数量。构成即控制打向荧光屏电子束的强弱，从而控制亮度阳极——加速电子束，使其有足够的动能，提高荧光屏的亮度聚焦极——对电子束聚焦，使其打在荧光屏上形成很小的亮点，保证显示的清晰度

偏转控制装置——偏转线圈 控制电子束沿水平和垂直方向的运动轨迹，使电子束能打到屏幕的任意位置。对彩色显示器，屏幕上每一像素有3种颜色的小荧光粉组成，有3个电子枪发出来的电子束能准确打到各自对应的小荧光粉点上。

在显卡上 6.2.3 CRT显示器的组成和运行原理阴极射线管扫描控制逻辑组成显示存储器字符发生器（1）扫描控制逻辑部件扫描——电子束在显示屏上按某种轨迹运动。扫描控制逻辑部件——控制电子束扫描轨迹的电路。逐行扫描光栅扫描扫描方式隔行扫描随机扫描

光栅扫描方式 电子束在显示屏上按某种轨迹运动被称为扫描，控制电子束扫描轨迹的电路被称为扫描控制逻辑部件。在光栅扫描方式下，电子束要从左到右、从上到下扫描整个屏幕，扫描控制本身不必区分什么位置上有点要显示、什么位置上的点不显示，它只是控制电子束在整个屏幕上重复移动，显示的具体内容则通过另外的逻辑线路提供。

逐行扫描 逐行扫描是从屏幕顶端开始，依次连续扫描所有各行。

隔行扫描 隔行扫描是先扫描行数无奇数的全部各行，然后再扫描行数为偶数的全部各行。

随机扫描方式 在随机扫描方式下，电子束只扫描在屏幕上有显示内容的位置，而不是整个屏幕。所以这种扫描方式画图速度快，分辨率高，主要用于高质量的图形显示器。其缺点是：它的扫描控制逻辑比较专用、复杂、产品生产批量不够大，价格较高。

余辉时间 电子束打在荧光粉上发出的光所持续的时间，被称为余辉时间。余辉时间的长短主要决定于荧光粉材料的特性，显示器中通常使用余辉时间比较短的这一种。为了在屏幕上有稳定的、至少人们看上去无明显闪烁感的画面，就要把显示的内容不断重复显示，每秒显示的次数，用“场”来说明，电子束扫描完整个屏幕一遍为一场。目前计算机中一般选用每秒50场来显示画面。

显示存储器VRAM 功能：保存将显示在整个屏幕上的全部字符。保存一个字符要占用2字节：一个字节为字符ASCII码；一个字节为字符的属性（颜色、亮度等）例：若屏幕上每行显示80个字符，每屏显示25行，则要占用VRAM 80×25×2=4000字节。在屏幕上显示字符，显示的应该是字符的字形，而表示字符的ASCII码，必须有办法从字符的ASCII码找出组成相应字符字形的点阵数据。

字符发生器 功能：用于保存每个可显示字符字形的点阵数据。通常ROM构成。若每个字符的字形用7×9个点阵表示，则每个字符数据要占有9 个字节。为能显示95个ASCII码字符（含空格字符），那么应由9 ×95 = 855个字节组成。若以ASCII码为地址，就能找到保存相应字符点阵的那片存储区。从扫描过程看，每次从字符发生器读出一个字符的一个点阵行的数据（字节），当先后9 次读完9 个存储单元之后，就得到一个字符的全部点阵数据。

ASCII 代码移位寄存器 S L 字符发生器（ROM） VRAM RA3~RA0 CPU 控制定时控制电路 ≥1 & 加载控制水平消隐行间消隐垂直消隐字符时钟 OSC 1 + 9 5 点计数器水平地址计数器光栅地址计数器垂直地址计数器点振荡器垂直同步电路水平同步电路水平同步信号水平同步信号字符显示器的显示控制过程

① 屏幕像素的显示控制 VRAM、字符发生器、移位寄存器放在显示卡上，由主机CPU控制。显示控制过程: ① 根据当前被显示字符在屏幕上的位置为地址，到VRAM中找出被显示字符的ASCII码； ② 再用字符ASCII码和电子束所处的字符点阵行位置为地址，到字母发生器中读出该字符的点阵行数据； ③ 把字符点阵行数据送到移位寄存器，通过逐位移位操作，输出被显示内容的显示点控制信号，送CRT栅极实现对屏幕像素的显示控制.

（2）显示器的扫描控制 扫描控制电路是显示器的重要组成部分，是整机的定时制电路。功能：控制电子束重复扫描整个屏幕，产生多种时序控制信号。组成： ① 点振荡器 ② 点计数器 ③ 水平地址计数器 ④光栅地址计数器 ⑤垂直地址计数器

① 点振荡器 是驱动源，以一定的频率提供连续的脉冲信号，每个脉冲周期对应一个像素的显示过程，故它的输出既作为视频信号移位寄存器的控制信号，又用于驱动扫描控制逻辑按照扫描的时序要求，提供不同频率关系的时序控制信号，包括在屏幕上一个点阵行中区分字符分界控制信号（由点计数器提供），正在显示的字符位置控制信号及点阵行扫描结束及水平回扫控制信号（由水平计数器提供），还包括用于区分字符行和行间距的控制信号（由光栅地址计数器提供），正在显示的字符行位置控制信号及“场”扫描结束及垂直回扫控制信号（由垂直地址计数器提供）。

ASCII 代码移位寄存器 S L 字符发生器（ROM） VRAM RA3~RA0 CPU 控制定时控制电路 & ≥1 加载控制水平消隐行间消隐垂直消隐字符时钟 OSC 1 + 9 5 点计数器水平地址计数器光栅地址计数器垂直地址计数器点振荡器垂直同步电路水平同步电路水平同步信号水平同步信号字符显示器的显示控制过程 25行，每行25字符，每字符9×14点阵

该图表示的是分辨率为720×350的例子，每行显示80个字符，一屏显示25行，每个字符在屏幕上占据9×14个点阵（像素）位置，在这样一个区域被称为一个字符窗口，点计数器中的9和行计数器的14，用于确定窗口的大小。若一个字符用7×9个像素显示，则字符间距为2个像素，行间距为5个像素。水平回扫和垂直回扫过程不应有任何像素，这被称为水平消隐和垂直消隐。水平回扫中的18是指水平回扫要占用显示18个字符点阵行的时间，垂直地址计数器中的1，是指垂直回扫要占用显示一行字符的时间。该图表示的是分辨率为720×350的例子，每行显示80个字符，一屏显示25行，每个字符在屏幕上占据9×14个点阵（像素）位置，在这样一个区域被称为一个字符窗口，点计数器中的9和行计数器的14，用于确定窗口的大小。若一个字符用7×9个像素显示，则字符间距为2个像素，行间距为5个像素。水平回扫和垂直回扫过程不应有任何像素，这被称为水平消隐和垂直消隐。水平回扫中的18是指水平回扫要占用显示18个字符点阵行的时间，垂直地址计数器中的1，是指垂直回扫要占用显示一行字符的时间。

≥1 字符显示器的显示控制过程 25行，每行80字符，每字符9×14点阵 ASCII 代码移位寄存器 S L 字符发生器（ROM） VRAM RA3~RA0 CPU 控制定时控制电路 & 加载控制水平消隐行间消隐垂直消隐字符时钟 OSC 点计数器水平地址计数器光栅地址计数器垂直地址计数器点振荡器垂直同步电路水平同步电路水平同步信号水平同步信号

② 点计数器对点振荡器进行9 分频，提供屏幕上一个点阵行中区分字符分界的控制信号和字符时钟。 ③ 水平地址计数器对点计数器进行（80+18）分频，提供正在显示的字符位置控制信号，点阵行扫描结束及水平回扫信号，水平同步信号。扫描完80个字符后，用18个字符点阵行的时间回扫到下一行的起始点。回扫期间向CRT栅极加水平消隐脉冲。

④ 光栅地址计数器 对水平地址计数器的输出进行（9+5）分频，提供区分字符行和行间距控制信号。每扫描了字符点阵的9行后，形成5 行的行间消隐信号送CRT栅极。 ⑤ 垂直地址计数器对光栅地址计数器的输出进行（25+1）分频，提供正在显示的字符行位置控制信号、场扫描结束及垂直回扫控制信号。每扫描完25行字符后，用1行的时间回扫到屏幕左上角的起始点。回扫期间提供垂直消隐信号和垂直同步信号。

工作过程： 开始时，电子定位在屏幕左上角位置，首先去取VRAM中对应屏幕第一行第一个字符的ASCII码，接下来到字符发生器取来该字符的第一个点阵的数据并送到移位寄存器，移位过程中的输出就是显示要用的视频信号，显示完9 个像素的内容（包括字符间距）之后，再到VRAM中对应屏幕第一行的第二个字符ASCII码，接下来到字符发生器中取来该字符的第一个点阵行的数据并送到移位寄存器，如此等等，……直到显示完80个字符的第一个点阵行的内容，接着水平回扫；

再到VRAM中取对应屏幕第一行第一个字符ASCII码，接下来到字符发生器取来该字符第二个点阵行的数据送移位寄存器； ……，重复显示完80 个字符的第二个点阵行的内容； …… 当显示完9 个点阵行全部数据后，第一行80个字符就被显示在第一行位置；接着执行5 个点阵行的字符行间消隐，并开始第二`行的显示过程；当显示完25行之后，再执行一次垂直回扫，从而完成一屏字符的显示过程，这样的显示每秒重复50次。（每秒扫描50场）

2002年1月试题一、6 6. 对西文输出的字符设备，在计算机的内存储器中存储的是字符数据的每个字符的码，输出（包括显示或打印）的则是每个字符的，设备在的字符发生器的主要功能是解决从字符的码和字符间的对应关系。答案： ASCII 点阵信息 ASCII 点阵信息

2003年7月试题三、3 在PC机系统中，为了使选用的CRT器件的显示器既能显示字符又能显示简单的图形，在显示接口卡中包括哪些功能部件？显示字符和显示简单的图形的运行过程的主要区别是什么？答案：包括显示存储器，字符发生器，产生视频信号的移位寄存器等。显示字符时，是通过从显示存储器取得被显示字符的ASCII码和显示属性信息，再从字符发生器找到该字符字形的相应点阵信息，并经过移位寄存器给出视频信号送到CRT器件。而显示图形时，显示存储器中存放的是图形中的每个显示点（像素）的显示属性，要求显示存储器的容量足够大，它不再使用字符发生器，而是直接把图形的点阵信息经移位寄存器送到CRT器件。

6.2.4 CRT图形显示器 （了解，自学） 6.2.5 计算机终端（了解，自学） 6.2.6 液晶显示器的组成和运行原理（了解，自学）

6.3 打印机设备的组成和运行原理 针式打印机打印机喷墨式打印机激光式打印机

三种打印机的比较

6.3.1.针式打印机的组成和它打印过程 针式打印机的构成（1）机械部分：走纸机构色带机构打印头（2）打印控制逻辑电路：字形发生器缓冲存储器

走纸机构 由步进电机驱动走纸，有压轮磨檫走纸和链式纸孔走纸两种驱动方式，每打印完一行字符，走纸机构带动打印纸走一定距离。使用中切勿让两种驱动方式（如果都有）同时起作用。链式纸孔走纸驱动方式下，打印纸不会走斜。

色带机构 色带机构的作用是提供打印色源。色带通常被安装在色带盒内，在打印过程中，色带在传动机构的带动下不停地移动，以便使打印针比较均匀地撞击在整条色带的各个位置，减少对某一个局部的磨檫，延长色带的使用时间。

打印头 打印头是针式打印机中形成打字字形的关键机构。通常由纵向排列的9个打印针（多用于西文打印）或24个打印针（多用于中文打印）两种类型。（参见教材P241图）每根打印针是由具有刚性和韧性都很好的金属材料制成，可以沿着导轨前后运动；运动的动力来自电磁铁的正向（前进）推动和机械弹簧的反向（后退）推动。当电磁铁的线圈中给出一个脉冲电流时将产生磁场，电磁衔铁会在这一磁场的作用下向前移动，推动打印针也向前冲击色带；当线圈中的电流消失后，磁场消失，电磁衔铁也失去作用，机械弹簧的反向推力把打印针推回原位置。

（2）打印控制逻辑电路 字形发生器存放字符的点阵信息构成缓冲存储器存储被打印字符的编码字符发生器——存放字符的点阵信息，包括西文、中文的点阵信息库。缓冲存储器——存储CPU送来的被打印字符的编码，容量至少存储一行字符的编码。由字符的编码找到它的点阵信息是在打印机控制逻辑电路之内完成的，并用这些点阵信息控制打印针的运动。针式打印机和CRT字符显示器工作原理有许多相同之处。

针式打印机和CRT字符显示器的差别： 针式打印机用打印针撞击色带产生印染点；CRT字符显示器以整屏信息为单位连续扫描以维持稳定的显示画面，故它需要显示存储器VRAM，而针式打印机接收到要打印的一纵列点阵信息并完成打印之后，这些点阵信息就不再有用了；光栅扫描的CRT显示器，电子束在整个屏幕上按逐个横行的扫描方式重复，扫描完多个横行才完整显示出一行字符，针式打印机则是按逐列打印方式打印出字符的点阵列，几次后打印出一个完整的字符。

作业4.4. 针式打印机由哪些部件组成？简述打印头的结构和打印出一个字符的原理性过程。答：针式打印机由属于机械部分的走纸机构、色带机构和打印头以及属于打印控制逻辑电路的字形发生器缓冲存储器组成。打印头是针式打印机中形成打字字形的关键机构。通常由纵向排列的9个打印针或24个打印针两种类型。每根打印针是由具有刚性和韧性都很好的金属材料制成，可以沿着导轨前后运动；运动的动力来自电磁铁的正向（前进）推动和机械弹簧的反向（后退）推动。

打印控制逻辑电路中的字符发生器用于存放字符的点阵信息，缓冲存储器用于存储CPU送来的被打印字符的编码。由字符的编码找到它的点阵信息，并用这些点阵信息控制打印针的运动。针式打印机用打印针撞击色带产生印染点；在它接收到要打印的一纵列点阵信息并完成打印之后，这些点阵信息就不再有用了；它按逐列打印方式打印出字符的点阵列，几次后打印出一个完整的字符。打印控制逻辑电路中的字符发生器用于存放字符的点阵信息，缓冲存储器用于存储CPU送来的被打印字符的编码。由字符的编码找到它的点阵信息，并用这些点阵信息控制打印针的运动。针式打印机用打印针撞击色带产生印染点；在它接收到要打印的一纵列点阵信息并完成打印之后，这些点阵信息就不再有用了；它按逐列打印方式打印出字符的点阵列，几次后打印出一个完整的字符。

第 6 章 输入输出设备与输入输出系统