【正文】 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章 外圍設(shè)備 課程教學(xué)要求 本章內(nèi)容： 外圍設(shè)備概述 顯示設(shè)備 輸入設(shè)備和打印設(shè)備 硬磁盤存儲(chǔ)設(shè)備 軟磁盤存儲(chǔ)設(shè)備 磁帶存儲(chǔ)設(shè)備 光盤存儲(chǔ)設(shè)備 本章小結(jié) 外圍設(shè)備概述 外圍設(shè)備的一般功能 外圍設(shè)備的分類 外圍設(shè)備 外圍設(shè)備的一般功能 外圍設(shè)備的定義： 外圍設(shè)備 涉及到相當(dāng)廣泛的計(jì)算機(jī)部件。除了 CPU和主存外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的每一部分都可作為一個(gè)外圍設(shè)備來看待。 外圍設(shè)備的功能： 在計(jì)算機(jī)和其他機(jī)器之間，以及計(jì)算機(jī)與用戶之間提供或建立起聯(lián)系。 外圍設(shè)備的基本組成： (1)存儲(chǔ)介質(zhì)，它具有保存信息的物理特征。 (2)驅(qū)動(dòng)裝置，它用于移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)。 (3)控制電路，它向存儲(chǔ)介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)或從存儲(chǔ)介質(zhì)接受數(shù)據(jù)。 外圍設(shè)備 外圍設(shè)備的分類 一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配備什么樣的外圍設(shè)備，是根據(jù)實(shí)際需要 來決定的。 中央部分是 CPU和主存，通過總線與第二層的適配器 (接口 ) 部件相連，第三層是各種外圍設(shè)備控制器，最外層則是外圍設(shè) 外圍設(shè)備可分為 輸入設(shè)備 、 輸出設(shè)備 、 外存設(shè)備 、 數(shù)據(jù)通 信設(shè)備 和 過程控制設(shè)備 幾大類，各類外設(shè)的工作模式、信息類 所以，每一種外圍設(shè)備，都是在它自己的 設(shè)備控制器 控制 下進(jìn)行工作，而設(shè)備控制器則通過適配器和主機(jī)連接，并受主 計(jì)算機(jī)的五大類外圍設(shè)備請(qǐng)參看 CAI演示 。 外圍設(shè)備 顯示設(shè)備 顯示設(shè)備的分類與一般概念 字符 /圖形顯示器 圖象顯示設(shè)備 IBM PC系列機(jī)的顯示系統(tǒng) 外圍設(shè)備 顯示設(shè)備的分類與有關(guān)概念 以可見光的形式傳遞和處理信息的設(shè)備叫 顯示設(shè)備 ，是目 前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的人機(jī)界面設(shè)備。 按顯示設(shè)備所用的顯示器件分類，有陰極射線管 (CRT)顯示 器、液晶顯示器 (LCD)、等離子顯示器等。 按所顯示的信息內(nèi)容分類，有字符顯示器、圖形顯示器、 CRT顯示設(shè)備的分類 ：（ 1）以掃描方式分類，分成 光柵掃 描 和 隨機(jī)掃描 兩種顯示器；（ 2）以分辨率來分，分成高分辨率 顯示器和低分辨率顯示器；（ 3）以顯示的顏色分類，有單色 (黑白 )顯示器和彩色顯示器。（ 4）以 CRT熒光屏對(duì)角線的長(zhǎng)度 分類，有 12英寸、 14英寸、 16英寸、 19英寸等多種。 外圍設(shè)備 分辨率 ： 是指顯示器所能表示的像素個(gè)數(shù)。像素越密，分 辨率越高，圖像越清晰。分辨率取決于顯象管熒光粉的粒度、 熒光屏的尺寸和 CRT電子束的聚焦能力。同時(shí)刷新存儲(chǔ)器要有 與顯示像素?cái)?shù)相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，用來存儲(chǔ)每個(gè)像素的信息。 灰度級(jí) ： 是指黑白顯示器中所顯示的像素點(diǎn)的亮暗差別， 在彩色顯示器中則表現(xiàn)為顏色的不同?；叶燃?jí)越多，圖像層次 越清楚逼真?；叶燃?jí)取決于每個(gè)像素對(duì)應(yīng)刷新存儲(chǔ)器單元的位 數(shù)和 CRT本身的性能。字符顯示器只用“ 0”“ 1”兩級(jí)灰度表示字 符的有無，這種只有兩級(jí)灰度的顯示器稱為 單色顯示器 。具有 多種灰度級(jí)的黑白顯示器為多灰度級(jí) 黑白顯示器 。圖像顯示器 的灰度級(jí)一般在 256級(jí)以上。 外圍設(shè)備 CRT發(fā)光是由電子束打在熒光粉上引起的。電子束掃過之 后其發(fā)光亮度只能維持幾十毫秒便消失。為了使人眼能看到穩(wěn) 定的圖像顯示，必須使電子束不斷地重復(fù)掃描整個(gè)屏幕，這個(gè) 過程叫做 刷新 。按人的視覺生理，刷新頻率大于 30次 /秒時(shí)才 不會(huì)感到閃爍。顯示設(shè)備中通常選用電視中的標(biāo)準(zhǔn)，每秒刷新 50 為了不斷提供刷新圖像的信號(hào)，必須把一幀圖像信息存儲(chǔ) 在 刷新存儲(chǔ)器 （也叫 視頻存儲(chǔ)器 ）中。其存儲(chǔ)容量由圖像分辨 率和灰度級(jí)決定。分辨率越高，灰度級(jí)越多，刷新存儲(chǔ)器容量 越大。刷新存儲(chǔ)器的存取周期必須滿足刷新頻率的要求。容量 和存取周期是刷新存儲(chǔ)器的重要技術(shù)指標(biāo)。 2. 外圍設(shè)備 隨機(jī)掃描 ： 是控制電子束在 CRT屏幕上隨機(jī)地運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生圖形和字符。電子束只在需要做圖的地方掃描，而不必掃描全屏幕，因此這種掃描方式畫圖速度快，圖像清晰。高質(zhì)量的圖形顯示器 (如分辨率為 4096 4096)采用隨機(jī)掃描方式。由于這種掃描方式的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與電視標(biāo)準(zhǔn)不一致，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較復(fù) 光柵掃描 ： 是電視中采用的掃描方法。 在電視中圖像充滿整個(gè)畫面，因此要求電子束掃過整個(gè)屏幕。光柵掃描是從上至下順序掃描，采用逐行掃描和隔行掃描兩種方式。光柵掃描的缺點(diǎn)是冗余時(shí)間多，分辨率不如隨機(jī)掃描方式，但由于電視技術(shù)業(yè)已成熟，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除高質(zhì)量圖形顯示器外，大部分 3. 外圍設(shè)備 字符 /圖形顯示器 顯示字符的方法以 點(diǎn)陣 為基礎(chǔ)。點(diǎn)陣是由 m n個(gè)像素點(diǎn)組 成的陣列，并以此來構(gòu)造字符。 [見書 P240圖 （ a)]。 字符發(fā)生器 ROM： 將點(diǎn)陣存入由 ROM構(gòu)成的字符發(fā)生器中， 在 CRT進(jìn)行光柵掃描的過程中，從字符發(fā)生器中依次讀出某個(gè)字 符的點(diǎn)陣，按照點(diǎn)陣中 0和 1代碼不同控制掃描電子束的開或關(guān)， 從而在屏幕上顯示出字符。點(diǎn)陣的多少取決于顯示字符的質(zhì)量 和字符窗口的大小。 可見： 字符發(fā)生器 ROM中存儲(chǔ)的是機(jī)器所有可顯示字符的字形 點(diǎn)陣信息 （又稱：字模碼 )。 外圍設(shè)備 字符窗口 ： 是指每個(gè)字符在屏幕上所占的點(diǎn)數(shù)（行、列點(diǎn) 數(shù)總和），它包括 字符顯示點(diǎn)陣 和 字符間隔點(diǎn)陣 [見圖 （ a)]。 每個(gè)字符窗口可顯示一個(gè)字符。 視頻緩存器 VRAM：通常，待顯示字符的 ASCII代碼被存放在 視頻緩存器 VRAM中，以備刷新。若一幀屏幕共有 2023個(gè)字符窗 口（即：可顯示 2023個(gè)字符），則 VRAM應(yīng)有 2023個(gè)單元存放被 顯示的字符信息?？梢姡?視頻緩存器 VRAM中通常存儲(chǔ)待顯示字 符的 ASCII碼 。 字符顯示碼（字模碼）的讀出方法 ：字符發(fā)生器 ROM的高位 地址來自 VRAM的 ASCII代碼，低位地址來自光柵地址計(jì)數(shù)器的輸 出 RA3— RA0，它依次給出這個(gè)字形點(diǎn)陣中的行地址。在顯示過 程中，按照 VRAM中的 SACII碼和光柵地址計(jì)數(shù)器訪問 ROM，依次 取出字形點(diǎn)陣，就可以完成一個(gè)字符的輸出。 外圍設(shè)備 字符Ｉ的點(diǎn)陣表示、字符發(fā)生器的結(jié)構(gòu)以及字符顯示器的 原理框圖，見教材 P240圖 。 VRAM的地址由 水平地址計(jì)數(shù)器 (列地址 )和 垂直地址計(jì)數(shù)器 (行地址 )決定， VRAM輸出的 ASCII代碼作為 ROM的高位地址， ROM 的低位地址來自光柵地址計(jì)數(shù)器， ROM的輸出在 L信號(hào)控制下并 行裝入移位寄存器，然后在點(diǎn)時(shí)鐘控制下移位輸出形成視頻信 號(hào)，輸出到顯示器。顯示器在水平同步、垂直同步和視頻信號(hào) 的控制下，連續(xù)不斷地進(jìn)行屏幕刷新，從而呈現(xiàn)穩(wěn)定而不消失 的字符圖像。（ 字符顯示器的具體原理分析，參閱教材 P241） 外圍設(shè)備 【例 1】： 某 CRT顯示器可顯示 64種 ASCII字符，每幀可顯示 64字 25 行；每個(gè)字符字形采用 7 8點(diǎn)陣，即橫向 7點(diǎn)，縱向 8點(diǎn)。另外， 字間間隔 1點(diǎn)，行間間隔 6點(diǎn)；幀頻 50Hz，采取逐行掃描方式 。 (1)緩存容量有多大 ? (2)字符發(fā)生器 (ROM)容量有多大 ? (3)緩存中存放的是 ASCII代碼還是點(diǎn)陣信息 ? (4)緩存地址與屏幕顯示位置如何對(duì)應(yīng) ? (5)設(shè)置哪些計(jì)數(shù)器以控制緩存訪問與屏幕掃描之間的同步 ? 它們的分頻關(guān)系如何 ? [參閱教材 P240圖 (c)] 外圍設(shè)備 【解】 (1)已知：緩存 VRAM中存放的是待顯示字符的 ASCII碼，而 一幀共有 64 25=1600個(gè)字符，故：緩存容量應(yīng)為 64 25 8=1600字節(jié)。 （ ASCII碼為 8位 ） (2)已知： ROM中存放的是所有可顯示字符的字模碼（依題 意，各字形為 8 8點(diǎn)陣），故： ROM容量為 64 8 8=512字節(jié)。（ 共有 64種可顯示字符 ） (3)顯然，緩存中存放的是待顯示字符的 ASCII (4)顯示位置自左至右，從上到下，相應(yīng)地緩存地址由低到 高，每個(gè)地址碼對(duì)應(yīng)一個(gè)字符顯示位置。 (5)點(diǎn)計(jì)數(shù)器 8∶1 分頻；字計(jì)數(shù)器 (64+12)∶1 分頻；行計(jì)數(shù) 器 (8+6)∶1 分頻；排計(jì)數(shù)器 (25+10)∶1 外圍設(shè)備 圖形顯示 : 是指用計(jì)算機(jī)手段表示現(xiàn)實(shí)世界的各種事物， 并形象逼真地加以顯示。根據(jù)產(chǎn)生圖形的方法，分 隨機(jī)掃描圖 形顯示器 和 光柵掃描圖形顯示器 (1)隨機(jī)掃描圖形顯示器 工作原理是將所顯示圖形的一組坐標(biāo)點(diǎn)和繪圖命令組成顯 示文件存放在緩沖存儲(chǔ)器，緩存中的顯示文件送矢量 (線段 )產(chǎn) 生器，產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電壓，直接控制電子束在屏幕上的移動(dòng)。 為了在屏幕上保留持久穩(wěn)定的圖像，需要按一定的頻率對(duì)屏幕 反復(fù)刷新。 這種顯示器的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高 (可達(dá) 4096 4096個(gè)像素 )， 顯示的曲線平滑。目前高質(zhì)量圖形顯示器采用這種隨機(jī)掃描方 外圍設(shè)備 (2) 產(chǎn)生圖形的方法稱為 相鄰像素串接法 ，即曲線是由相鄰像 素串接而成。因此，光柵掃描圖形顯示器的原理是： 把對(duì)應(yīng)于 屏幕上每個(gè)像素的信息都用存儲(chǔ)器存起來，然后按地址順序逐 個(gè)地刷新顯示在屏幕上 。其組成結(jié)構(gòu)如圖 ： 程序段緩沖存儲(chǔ)器 ： 存放由計(jì)算機(jī)送來的顯示文件和交互 式的圖形操作命令。 刷新存儲(chǔ)器 ： 用以存放一幀圖形的形狀信息，它的地址和 屏幕上的地址一一對(duì)應(yīng)。 外圍設(shè)備 程序段緩存和刷存之間有一個(gè) DDA部件 ，它是一種進(jìn)行數(shù)據(jù) 插補(bǔ)的硬件，其作用是把顯示文件變換為像素信息，即根據(jù)顯 示文件給出的曲線類型和坐標(biāo)值，生成直線、圓、拋物線乃至 更復(fù)雜的曲線。插補(bǔ)后的數(shù)據(jù) (像素信息 )存入刷存用于刷新顯 示。 光柵掃描圖形顯示器的優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)，灰度層次多，色 調(diào)豐富，顯示復(fù)雜圖形時(shí)無閃爍現(xiàn)象；所產(chǎn)生的圖形有陰影效 應(yīng)、隱藏面消除、涂色等功能。它的出現(xiàn)使圖形學(xué)的研究從簡(jiǎn) 單的線條圖擴(kuò)展到豐富多彩、形象逼真的各種立體及平面圖形， 從而擴(kuò)大了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，成為目前流行的顯示器。 外圍設(shè)備 【例 2】 下圖為 IBM PC機(jī)漢字顯示原理圖，請(qǐng)分析此原理圖 并進(jìn)行文字說明。 外圍設(shè)備 【解】 在 IBM PC系列微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，漢字輸出是利用通用顯 示器和打印機(jī)，在主機(jī)內(nèi)部由通用的圖形顯示卡形成點(diǎn)陣碼以 后，將點(diǎn)陣碼送到輸出設(shè)備，輸出設(shè)備只要具有輸出點(diǎn)陣的能 力就可以輸出漢字。以這種方式輸出的漢字是在設(shè)備可以畫點(diǎn) 的圖形方式下實(shí)現(xiàn)的，因此常稱這種漢字為 圖形漢字 如圖 ，通過鍵盤輸入的漢字編碼，首先要經(jīng)代碼轉(zhuǎn) 換程序轉(zhuǎn)換成漢字機(jī)內(nèi)代碼，轉(zhuǎn)換時(shí)要用輸入碼到碼表中檢索 機(jī)內(nèi)碼，得到兩個(gè)字節(jié)的機(jī)內(nèi)碼，字形檢索程序用機(jī)內(nèi)碼檢索 字模庫，查出表示一個(gè)字形的 32個(gè)字節(jié)字形點(diǎn)陣送顯示輸出。 外圍設(shè)備 圖象顯示設(shè)備 圖形是用計(jì)算機(jī)表示和生成的圖，稱作 主觀圖像 。 在計(jì)算機(jī)中表示圖形，只需存儲(chǔ)繪圖命令和坐標(biāo)點(diǎn)， 沒有必要存儲(chǔ)每個(gè)像素點(diǎn)。而圖像所處理的對(duì)象多半 來自客觀世界，即由攝像機(jī)攝取下來存入計(jì)算機(jī)的數(shù) 字圖像，這種圖像稱為 客觀圖像 。由于數(shù)字化以后逐 點(diǎn)存儲(chǔ)，因此圖像處理需要占用非常龐大的主存空間。 圖像顯示器采用 光柵掃描方式 ，其分辨率在 256 256或 512 512個(gè)像素，與圖形顯示兼容的圖像 顯示器已達(dá) 1024 1024，灰度級(jí)在 64— 256級(jí)。 外圍設(shè)備 圖像顯示器有兩種類型： 它僅僅顯示由計(jì)算機(jī)送來的數(shù)字圖像。圖像處理操作在計(jì)算機(jī)中完成，顯示器不做任何處理。 I/O接口、圖象存儲(chǔ)器 (刷新存儲(chǔ)器 )、 A/D與 D/A變換等組成單獨(dú)的一個(gè)部分，稱為 圖像輸入控制板 或 視頻數(shù)字化儀 。如圖 ： 圖像輸入控制板的功能是實(shí)現(xiàn)連續(xù)的視頻信號(hào)與離散的數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。圖像輸入控制板接收攝像機(jī)模擬視頻輸入信號(hào)，經(jīng) A/D變換為數(shù)字量存入刷新存儲(chǔ)器用于顯示，并可傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理操作。處理后的結(jié)果送回刷存，經(jīng) D/A變換成模擬視頻輸出，由監(jiān)視器進(jìn)行顯示輸出。監(jiān)視器只包括掃描、視頻放大等與顯示有關(guān)的電路及顯像管。也可以接入電視機(jī)的視頻輸入端來代替監(jiān)視器。數(shù)字相機(jī)的出現(xiàn)，更容易組成一個(gè)圖像處理系統(tǒng)。 外圍設(shè)備 其硬件結(jié)構(gòu)較前一種復(fù)雜得多。它本身就是一個(gè)具有并行處理功能