【正文】 計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)課件 王 誠 宋佳興 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系 2021年 1月 第 10章 輸入 / 輸出設(shè)備 第 11章 輸入 / 輸出系統(tǒng) 基本輸入 / 輸出設(shè)備 計(jì)算機(jī)總線和接口 常用的輸入 / 輸出方式 計(jì)算機(jī)基本組成 ? Datapath: 即運(yùn)算器，完成算術(shù)和邏輯運(yùn)算，通常包括其中的寄存器。 ? Control:CPU的重要組成部分，它根據(jù)程序指令來指揮datapath， memory以及 I/O運(yùn)行，共同完成程序功能。 ? Memory: 是存放運(yùn)行時(shí)程序及其所需要的數(shù)據(jù)的場(chǎng)所。 ? Input: 信息進(jìn)入計(jì)算機(jī)的設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)等。 ? Output: 將計(jì)算結(jié)果展示給用戶的設(shè)備，如顯示器、打印機(jī)等。 Computer Memory Input Output Datapath Control 輸入輸出設(shè)備概述 計(jì)算機(jī)輸入輸出設(shè)備 – 概念 ：具有一定操作功能的比較完整和相對(duì)獨(dú)立的精密機(jī)械電子裝置； – 功能 ：進(jìn)行人機(jī)交互，完成輸入輸出功能； – 特點(diǎn) ：種類繁多，功能多樣，組成與運(yùn)行原理各不相同； – 發(fā)展 ：智能化、高可靠性、小型廉價(jià)。 輸入輸出設(shè)備 常用的輸入輸出設(shè)備 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 鍵盤 圖形輸入設(shè)備：鼠標(biāo)器，圖形板，操縱桿，光筆 圖象輸入設(shè)備：掃描儀，傳真機(jī)，攝像機(jī)，數(shù)碼相機(jī) 條形碼閱讀器 語音與文字輸入 顯示器（字符、圖形、圖像） 打印機(jī)（針式、噴墨、激光） 繪圖儀 語音輸出 點(diǎn)陣式設(shè)備運(yùn)行原理 把 字形 、 圖形 、 圖像 等信息以 不同的點(diǎn)陣布局 方式表現(xiàn)出來，在計(jì)算機(jī)顯示器屏幕上，這些被顯示的內(nèi)容，是以可見光形式表現(xiàn)出來的；而在打印紙上，通常是以“印刷”（染色）的效果表現(xiàn)出來的。 顯示器或者打印機(jī)等設(shè)備它們共同的特點(diǎn)是，要表示的信息，最終要以平面上的各種可見的“形狀”體現(xiàn)出來，而這些“形狀”原理上又都是以許多 斷續(xù)的點(diǎn)的不同布局 表示出來的。 點(diǎn)陣式表示舉例 以十六進(jìn)制數(shù)的形式把平面上點(diǎn)陣布局寫出來 點(diǎn)陣式設(shè)備需要解決的問題 點(diǎn)陣布局規(guī)律 – 確定形狀的對(duì)象（保存對(duì)象的布局） – 無確定規(guī)律對(duì)象（保存所有點(diǎn)信息） 點(diǎn)陣的密度 – 更密的點(diǎn)陣可以把要表示的形狀呈現(xiàn)得更精細(xì)準(zhǔn)確 – 表示同樣大小的形狀，點(diǎn)陣密則所用數(shù)據(jù)數(shù)量更多 – 點(diǎn)陣越密則對(duì)輸入輸出設(shè)備的處理精度要求也越高 點(diǎn)陣中點(diǎn)的屬性 – 二值表示（ 0、 1表示點(diǎn)的有、無） – 單色表示（灰度級(jí)表示不同亮度） – 彩色表示（ RGB三基色混和表示彩色） 鍵盤的運(yùn)行原理 鍵盤功能 – 計(jì)算機(jī)的鍵盤是通過手工輸入字符，用于向計(jì)算機(jī)送入操作命令、源程序語句、運(yùn)行程序所使用的數(shù)據(jù)等內(nèi)容的輸入設(shè)備。 基本組成 – 機(jī)械部分：按鍵（導(dǎo)電件）＋彈簧＋金屬件（由導(dǎo)電件控制實(shí)現(xiàn)電信號(hào)連通與斷開） – 電子線路部分：識(shí)別按鍵，給出編碼；通過串行接口把編碼送給主機(jī)。由鍵盤上專門的芯片完成。 鍵盤接口 – 串口、 USB接口 鍵盤的運(yùn)行原理 識(shí)別閉合鍵的具體實(shí)現(xiàn) ： – 是用行列掃描的方法，即把每個(gè)鍵分配在一個(gè) m 列 * n 行矩陣的一個(gè)交叉點(diǎn)上，通過并行接口向 n 行依次送出僅有一行為 0、其余各行均為 1 的值，再用并行接口讀入 m 列上的取值。當(dāng)該值不為 FFH （全 1 碼）時(shí)，表明有鍵按下，若該值僅含一位零，表明取值為 0 的行、列的交叉點(diǎn)的鍵被按下，用一個(gè)對(duì)照表即可得到相應(yīng)鍵的編碼。 尚需解決如下的一些問題 ： – 抖動(dòng)：按下和松開按鍵時(shí)按鍵在接通和斷開位置之間跳動(dòng)幾次才能穩(wěn)定下來。 – 重鍵：多鍵同時(shí)被按下，如何處理。 1 1 0 1 ... 并行接口 并行接口 +5V 10K? 0列 1列 m1列 0行 1行 n1行 鍵盤 鍵 . . . . . 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 …... 0 1 1 A鍵 并行接口送來 1 0 … 1 的 n 位數(shù)值到二極管的負(fù)極， 并行接口接收 鍵盤線路 m 列送出的 m 位數(shù)據(jù)。當(dāng) A鍵 按下去后，5V 電源送出經(jīng)電阻、 A鍵 、二極管到 0 信號(hào)處的電流，從而在 第 2列產(chǎn)生 0 電平（紅線所示） , 其他各列都給出高電平（黑線所示），故 并行接口接收到的是 1 1 0 … 1 這樣的 m 位數(shù)據(jù)。 1 1 0 ... 。 1 1 0 1 ... 二極管 鼠標(biāo)的運(yùn)行原理 鼠標(biāo)的產(chǎn)生 – 圖形界面的出現(xiàn)，需要鼠標(biāo)來進(jìn)行拖動(dòng)等操作 鼠標(biāo)的功能 – 根據(jù)鼠標(biāo)的移動(dòng)，在屏幕上移動(dòng)位置 – 選中某個(gè)對(duì)象，進(jìn)而執(zhí)行某些操作 鼠標(biāo)的種類 – 機(jī)械式鼠標(biāo) – 光電式鼠標(biāo) 鼠標(biāo)的接口 – 串口、 USB接口 機(jī)械式鼠標(biāo) 鼠標(biāo)內(nèi)部有一個(gè)橡膠球，橡膠球緊貼著兩個(gè)互相垂直的軸（ X、 Y軸），每個(gè)軸上有一個(gè)光柵輪，光柵輪兩邊對(duì)應(yīng)著有發(fā)光二極管和光敏三極管。 鼠標(biāo)在移動(dòng)的時(shí)候，橡膠球便帶動(dòng)兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)光柵輪也就開始旋轉(zhuǎn)，光敏三極管在接收發(fā)光二極管發(fā)出的光時(shí)被光柵輪間斷地阻擋，從而產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過鼠標(biāo)內(nèi)部的芯片處理之后被 CPU接受。 脈沖信號(hào)的頻率和數(shù)量，經(jīng)過 CPU計(jì)算后則表示為屏幕上的距離和速度。 光電式鼠標(biāo) 光電鼠標(biāo) 的工作原理是，在光電鼠標(biāo)內(nèi)部有一個(gè)發(fā)光二極管，二極管發(fā)光照亮鼠標(biāo)底部的表面。同時(shí)表面會(huì)反射回一部分光線，反射光通過一組光學(xué)透鏡后，在一個(gè)微成像器內(nèi)成像。 當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)的時(shí)候，移動(dòng)軌跡便會(huì)被記錄為一組高速拍攝的連貫圖象，鼠標(biāo)內(nèi)部有一塊專用的圖象分析芯片（ DSP），對(duì)移動(dòng)軌跡上攝取的一系列圖象進(jìn)行分析處理，通過對(duì)這些圖象上特征點(diǎn)位置的變化進(jìn)行分析，來判斷鼠標(biāo)的移動(dòng)方向和移動(dòng)距離，從而完成光標(biāo)的定位。 常用輸出設(shè)備 顯示器 – 陰極射線管顯示器 – 液晶顯示器 – 等離子顯示器 打印機(jī) – 針式打印機(jī) – 噴墨打印機(jī) – 激光打印機(jī) 陰極射線管顯示器 成像原理 – 電子束撞擊熒光板上的熒光粉 – 受撞擊的熒光粉發(fā)光產(chǎn)生亮點(diǎn) 基本組成 – 電子槍 – 顯示屏 – 偏轉(zhuǎn)控制裝置 燈絲 陰極 聚焦極 石墨層 熒光屏 顯示屏 陽極帽 偏轉(zhuǎn)線圈 柵極 陽極 電子槍 電子束 陰極射線管的構(gòu)成和工作原理 一些相關(guān)概念 分辨率 沿水平和垂直兩個(gè)方向把屏幕分成許多小的區(qū)域，一個(gè)小的區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)發(fā)光點(diǎn)（稱為象素），一個(gè)屏幕上所提供的全部象素的數(shù)目被稱為分辨率 掃描 電子束在顯示屏上按某種軌跡運(yùn)動(dòng)被稱為掃描，控制電子束掃描軌跡的電路被稱為掃描控制邏輯部件 , 有 2種掃描方式 : 光柵掃描 ：電子束從左到右，從上到下掃描整個(gè)屏幕（ 隔行掃描 和 逐行掃描 ） 隨機(jī)掃描 ：電子束只掃描需要顯示的點(diǎn)，而不是整個(gè)屏幕 刷新 余輝時(shí)間：電子束打在熒光粉上發(fā)出的光的所持續(xù)時(shí)間 為了得到穩(wěn)定的圖象，需要重復(fù)掃描整個(gè)屏幕（每秒 50場(chǎng)） 幀存儲(chǔ)器：為了重復(fù)掃描，需要存儲(chǔ)屏幕字符或者圖象信息 字符顯示的一般原理 為有效地提供屏幕上要顯示的內(nèi)容，字符顯示器內(nèi)有一個(gè) 顯示存儲(chǔ)器 VRAM，用于保存將顯示在整個(gè)屏幕的全部字符，顯示存儲(chǔ)器中保存的是這些字符的 ASCII碼和顯示屬性（即字符的顏色、亮度、是否顯示等）。VRAM 是一個(gè)可讀寫的存儲(chǔ)器，被顯示的字符將由計(jì)算機(jī)主機(jī)以兩個(gè)字節(jié)（ ASCII碼 和 顯示屬性 ）的方式提供并寫進(jìn)該存儲(chǔ)器中，由顯示器的控制邏輯按需要從中讀出準(zhǔn)備顯示的一個(gè)字符的 ASCII碼的字節(jié)值和顯示屬性的字節(jié)值。 字符發(fā)生器 ，就是用于保存每個(gè)可顯示字符字形的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的邏輯部件，通常是一個(gè)只讀存儲(chǔ)器 ROM，如果每個(gè)字符的字形用 7（橫向） 9（縱向）的點(diǎn)陣表示，則每個(gè)字符字形的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)要占用 9個(gè)存儲(chǔ)器字節(jié)（橫向的 7個(gè)點(diǎn)的布局用一個(gè)字節(jié)表示）。 字形的產(chǎn)生過程 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 10H 28H 44H 82H 82H FEH 82H 82H 00H 字符 發(fā)生器 ( R O M ) ASCII 字符代碼 8 4 RA3 RA0 (a) “ A ”的點(diǎn)陣表示 (b)字符發(fā)生器的結(jié)構(gòu) (來自 VRAM) (來自光柵地址 計(jì)數(shù)器輸出 ) RA3 RA0 D7 D0 D7 D0 ASCII代碼 (41H) 指向這個(gè)字形 移位 寄存器 S L 字符 發(fā)生器 ( ROM) 加載控制 水平消隱 行間消隱 垂直 消隱 水平同步電路 垂直同步電路 點(diǎn)振蕩器 點(diǎn)計(jì)數(shù)器 水平地址計(jì)數(shù)器 光柵地址計(jì)數(shù)器 垂直地址計(jì)數(shù)器 定時(shí)控制電路 垂直同步信號(hào) 水平同步信號(hào) 字符時(shí)鐘 ＡＳＣＩＩ 代碼 ＣＰＵ控制 OSC VRAM 1 9 1 80+18 1 9+5 1 25+1 視頻 信號(hào) RA3 RA0 字符顯示的一般原理 CRT圖形圖像顯示器 大的 VRAM – 存儲(chǔ)點(diǎn)陣屬性 – 分辨率： 1024*768，真彩色，1024*768*3Byte= 高速總線 – 50場(chǎng) /秒，帶寬為 *50MB/s=115MB/s – 需要連接 PCI總線 專用接口 – 分辨率更高的圖形設(shè)備將采用專用接口 液晶顯示器 顯示原理 – 利用液晶的光學(xué)特性 – 平板后面設(shè)置光源 – 通過液晶改變透射光的偏振性（從水平到垂直） – 電場(chǎng)控制 特點(diǎn) – 平板顯示，不需要高壓電，移動(dòng)方便 – 無輻射 – 價(jià)格較高 光線扭轉(zhuǎn)的光線液晶分子電極( b) 不透光狀態(tài)( a ) 透光狀態(tài) ( 偏震光被扭轉(zhuǎn) 90 度 )偏光鏡橫向排列垂直排列縱向排列偏光鏡電極玻璃面板玻璃液晶顯示器 等離子顯示器 成像原理 – 利用惰性氣體在一定電壓作用下產(chǎn)生氣體放電的特性 – 產(chǎn)生紫外線，紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)光 – 在玻璃板之間隔開成象素，每個(gè)象素點(diǎn)內(nèi)有惰性氣體和三色熒光粉，用電極控制 特點(diǎn) – 易于實(shí)現(xiàn)大畫面顯示 – 全色顯示，色純度與 CRT相當(dāng) – 視角達(dá) 160度 – 壽命長(zhǎng) – 功耗大、成本高。 打印機(jī)